基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计

微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天 线， 它具有剖面低、 体积小、 重量轻、 可共形、 易集成、 馈电方式灵活、 便于获得线极化和圆极化等优点。 目前已 在移动通信、 卫星通讯、 导弹遥测、 多普勒雷达等许多领 域获得了广泛的应用 ［1］。 其中矩形微带贴片天线是应用最 为 广 泛 的 。 本 文 通 过 Ansoft 公 司 的 HFSS10．0 软 件 对 一 种 谐 振 频 率 为 7．55GHz 的 矩 形 微 带 贴 片 天 线 进 行 设 计 和 仿 真， 并对其结果进行分析。
图 4 矩形微带贴片天线模型 S 参数是表示在波端口处电磁波的反射功率和入射功 率的比值。 S 参数图是描述天线的 S 参数随频率变化的图 形 ， 一 般 认 为 S 参 数 小 于－10dB 天 线 才 能 正 常 工 作 ， 此 时 的驻波比大致为 2。 绝对频带宽度定义为 S 参数小于－10dB
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器上， 如果采用人工神经网络构成的自适应距离保护， 就 可以充分发挥两者的优点， 更好地消除过渡电阻对距离保 护的影响。 采用自适应控制， 利用人工神经网络来自动设 置接地距离保护的倾斜角 a， 可以消除当系统中性点接地 方式变化时采用人工手动设置倾斜角 a 所带来的不方便。 参考文献： ［1］ 顾志强， 赵庆新． 关于自适应微机保护技术的研究 ［J］ ． 现
第一作者简介： 李风光， 男， 1985 年生， 广东肇庆人， 硕士研究
生。 研究领域： 电力系统继电保护。
(编辑：向 飞)
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（a） S 参数图
（b） 驻波比图 图 5 仿真结果图
代制造技术与装备， 2006 （4）： 85－86． ［2］ 葛耀中． 自适应继电保护及其前景展望 ［J］ ． 电力系统自动
化， 1997， 21 （9）： 25－28． ［3］ 于涛． 自适应距离保护装置的研究 ［D］ ． 济南： 山东大学，
2007． ［4］ 都洪基， 邓烽， 苏炜宏． 基于人工神经网络的自适应距离保
2 运用 HFSS 软件仿真矩形微带贴片天线
2．1 HFSS 软件简介以及仿真设计过程
Ansoft HFSS 是 世 界 上 第 一 个 商 业 化 的 三 维 结 构 电 磁 场仿真软件， 可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁 场， 可直接得到特征阻抗、 传播常数、 S 参数及电磁场、 辐射场、 天线方向图等结果。 该软件广泛应用于无线和有 线通信、 计算机、 卫星、 雷达、 半导体和微波集成电路、 航空航天等领域， 以帮助客户设计世界一流的产品。 仿真 设计过程： （1） 设定 HFSS 软件运行参数， 如设定解算类 型、 模型规模单位等； （2） 根据天线设计指标及计算所 得的天线参数获得天线的仿真模型 ； （3） 设置天线仿真 模型的分析参数， 如解算频率、 扫描模式、 扫描次数、 起 始频率、 终止频率等； （4） 根据仿真模型获得天线的特 性参数， 并对结果进行分析 ［6］。
3 结语
随 着 EDA 技 术 的 发 展 ， Ansoft 公 司 的 HFSS 仿 真 软 件 已经成为微带天线设计人员不可缺少的有效工具。 本文在 微带天线的辐射 原 理 上 设 计 了 工 作 在 7．55GHz 的 矩 形 微 带 贴 片 天 线 ， 并 运 用 HFSS10．0 仿 真 软 件 进 行 了 仿 真 设 计 ， 仿真结果与理论结果很吻合， 说明了方法的可行性。 本文
1 矩形微带天线介绍以及辐射原理
1．1 矩形微带天线的结构
微带天线的结构比较简单， 它是由贴在带有金属地板 的介质基片上的辐射贴片构成的， 一般介质基片的相对介 电 常 数 不 超 过 10， 即 εr≤10。 贴 片 上 导 体 通 常 是 铜 和 金 ， 它可也做成任意形状， 常见的形状有矩形、 方形、 圆形 等， 通常为了便于分析和预测其性能都用较为简单的几何 形状 ［2］， 本文研究对象的形状选为矩形 。 为了增强辐射的 边场效应， 通常要求介质基片的相对介电常数较低， 文中 介 质 材 料 选 为 Rogers RT ／ duroid 5880 （tm）， 其 相 对 介 电 常 数 为 2．2， 满 足 了 设 计 要 求 。 矩 形 微 带 贴 片 天 线 有 两 种 馈电方式， 一种是微带线馈线， 又称侧面馈电， 另一种是 同轴馈线， 又称背馈 ［3］， 本文选用微带线馈电。 用微带线 馈电时， 馈线与微带贴片是共面的， 因而可方便的一起光 刻， 制作简便。 但馈线本身也会引起辐射， 从而干扰天线 方向图， 降低增益。 在理论计算中， 微带馈源的模型可等 效为沿 Z 轴方向的一个薄电流片， 其背后为空腔磁壁。 图 1 和图 2 分别为微带天线形状以及馈电方式图。
东北电力技术， 1997 （9）： 13－15． ［ 8］ Eissa M M， Masoud M． A novel digital distance relaying
technique for transmission line protection ［J］ ． IEEE Trans． Power De livery， 2001， 16 （1）： 380－384． ［9］ 曹晓东． 220kV 线路微机保护性能比较 ［J］ ． 中国电力教育， 2007 （Z2）： 4－6． ［10］ 张晶晶， 曹锐． 距离保护特性元件躲过渡电阻能力分析与研 究 ［J］ ． 继电器， 2004， 32 （6）： 17－19， 26．
制造业信息化
机电工程技术 2010 年第 39 卷第 10 期
基于 HFSS 矩形微带贴片天线的仿真设计
李 艳， 戴亚文
（武汉理工大学理学院， 湖北武汉 430070）
摘要： 根据微带天线的辐射原理和实际修正 ， 设计了一种谐振频率为 7．55GHz 的矩形微带天线， 利用 Ansoft 公司的 HFSS10．0 对其
2．3 用 HFSS 仿真分析
基于以上微带贴片天线的参数， 可以很快建立出矩形 微带贴片天线的模型， 如图 4 所示， 在这里采用的求解方 式是终端驱动 （Driven Terminal）， 单位都采用 mm。 把 Air 的 六 个 面 设 为 辐 射 边 界 ， 对 Port 的 激 励 方 式 采 用 Lumpport， 在 此 基 础 上 设 置 求 解 频 率 为 7．55GHz， 然 后 添 加 扫 频 ， 采 用 快 速 扫 频 模 式 （fast）， 在 做 好 以 上 准 备 工 作 后 ， 就 可 以 运 行 HFSS 来 进 行 仿 真 求 解 ， 最 终 可 以 得 到 S 参 数 图、 驻波比图、 方向图等， 如图 5 所示。
5 及反复试验修正， 最终确定矩形微带贴片天线的参数如下 所示。
Sub （0,0,0） dx dy dz （28．1,32,－0．79） Box Gnd （0,0,－0．79） dx dy dz （28．1,32,0） Rectangle Patch （7．03,8,0） dx dy dz （12．45,16,0．05） Box Microstripline （10．13,0,0） dx dy dz （2．49,8,0．05） Box Port （10．13,0,－0．79） dx dy dz （2．49,0,0．79） Rectangle Air （－5,－5,－5．79） dx dy dz （38．1,42,10．79） Box
（c） 方向图
的频率范围， 相对频带宽度定义为绝对带宽与中心频率之 比 。 在 图 5 （a） 中 ， 矩 形 微 带 贴 片 天 线 的 中 心 频 率 为 7．55GHz， 上 截 止 频 率 为 7．40GHz， 下 截 止 频 率 为 7．66GHz， 绝 对 频 带 宽 度 为 0．26GHz， 相 对 频 带 宽 度 为 3．44％， S 参数的最低点为－26．33dB。 驻波比是衡量天线性 能的重要参数， 天线正常工作时， 一般要求天线的驻波比 不 大 于 2， 即 要 求 VSWR≤2。 从 图 5 （b） 可 以 看 出 天 线 在 7．40GHz～7．66GHz 这段频 率 内 驻 波 比 满 足 天 线 正 常 工 作 的要求， 这也证明了 S 参数图与驻波比保持一致的关系， 实际上本文中没有传输线， 应该不存在驻波比， 这里驻波 比实际上是反射系数的另一种表达。 方向图是用来表示天 线的辐射参量随空间方位变化的图形， 从图 5 （c） 方向图 可以看出矩形微带贴片天线的对称性比较好， 在 Z 轴方向 辐射强度达到最大。
护 ［J］ ． 继电器， 2002 （2）： 38－41， 65． ［5］ 蔡超豪． 接地距离保护采用神经网络消除过渡电阻影响 ［J］ ．
华北电力技术， 1997 （11）： 7－10． ［6］ 索 南 加 乐 ， 许 庆 强 ， 宋 国 兵 ， 等． 自 适 应 接 地 距 离 继 电 器
［J］ ． 电力系统自动化， 2005 （17）： 8－10． ［7］ 蔡超豪． 基于神经网络的双回线自适应接地距离保护 ［J］ ．
中 微 带 天 线 的 带 宽 比 较 窄 ， 只 有 3．44％， 这 也 是 微 带 天 线 固有的缺陷 ［7］。 如何增加微带天线的带宽是笔者以后要研 究的工作。
2．2 矩形微带贴片天线参数
根据矩形微带贴片天线的辐射原理， 可以设计矩形微 带 贴 片 天 线 的 参 数 。 本 文 介 质 材 料 选 为 Rogers RT ／ duroid 5880 （ tm） ， 其 相 对 介 电 常 数 εr ＝2．2， 介 质 板 厚 度 h ＝ 0．79mm， 贴 片 的 长 度 近 似 取 λ0 ／ 2， 其 中 λ0 为 自 由 空 间 的 波长， 微带线的长度近似取为贴片长度的 1 。 经过计算以