微波技术与天线实验三

微波技术与天线实验报告
图1.新建HFSS工程
图2. 设置求解类型
2.创建微带天线模型
2.1设置默认的长度单位为mm
图3. 设置默认的长度单位为mm 2.2建模相关选项设置
图4. 建模相关选项设置
2.3 创建参考地
在Z=0的XOY面上创建一个顶点位于（-45mm, -45mm），大小为90mm×90mm 的矩形面作为参考地，命名为GND，并为其分配为理想导体边界条件。

2.4 创建介质板模型
创建一个长、宽、高为80mm×80mm×5mm的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上，其顶点坐标为（-40，-40, 0），介质板的材料为R04003，介质板层命名为Substrate
2.5 创建微带贴片
在Z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为（-15.5mm,-20.7mm,5mm），大小为30.0mm×41.4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Patch，并为其分配理想导体边界条件。

2.6 创建同轴馈线的内芯
创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度为5mm，圆柱体底部圆心坐标为（9.5mm,0,0）,材质为理想导体，同轴馈线命名为Feed。

2.7 创建信号传输端口面
同轴馈线需要穿过参考地面，传输信号能量，因此需要在参考地面GND上开一个圆孔允许能量传输。

圆孔的半径为 1.5mm，圆心坐标为（9.5mm,0,0），并将其命名为port.
2.8 创辐射边界表面
创建一个长方体，其顶点坐标为（-80，-80，-35），长方体的长宽高为160mm ×160mm×75mm,长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名为Air,创建好这样一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。

、
图5 微带贴片天线模型
3.设置激励端口
设置同轴信号端口面的激励方式为集总端口激励。

4.添加和使用变量
添加设计变量Length,初始值为30.0mm,用以表示微带贴片天线的长度，添加设计变量Width，初始值为41.4mm, 用以表示微带贴片天线的宽度，添加设计变量Xf, 用以表示同轴馈线的圆心点的X轴坐标。

4.1 添加设计变量
4.2 在模型中使用变量
使用变量Length和Width表示微带贴片的长度和宽度，并设置微带贴片的起点坐标为（-Length/2,- Width/2,5mm）,使用变量Xf代替同轴馈线Feed的底部圆心和集总端口Port的圆心在x方向的坐标。

5.求解设置
本节设计的微带贴片天线的中心工作频率在2.45GHZ，因此设计HFSS的求解频率为2.45GHZ，同时添加1.5∽3.5 GHZ的扫频设置，选择快速（fast）扫频类型，分析天线在1.5∽3.5 GHZ频段的回波损耗或电压驻波比。

5.1求解设置
5.2 扫频设置
6.设计检查和运行仿真设计
图6 设计检查
7.查看天线谐振点
查看天线端口回波损耗即S11的扫频分析结果，给出天线的谐振点。

图7 S11的扫频曲线
由图可以看出，当频率为3.4GHZ时，S11最小，S11的最小值约为-17DB。

8.优化设计
由图7所示的扫频曲线报告可以看出，根据计算的尺寸设计出的微带天线谐振点在2.35GHZ，与期望的中心频率2.45GHZ相比，存在一定的误差，所以需要优化设计，使天线的谐振频率落在2.45GHZ上。

根据理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率由微带贴片天线的长度和宽度决定，贴片尺寸越小谐振频率越高，接下来我们首先使用参数扫描分析功能进行参数扫描分析，分析谐振频率点分别随着贴片长度Length和宽度Width的变化关系，然后进行优化设计，优化微带贴片长度Length和宽度Width，使天线谐振频率落在2.45ＧＨＺ。

8.1 参数扫描分析
为了节省计算时间，在进行参数扫描分析之前，把扫频设置项Sweep1的频率范围设置为2.2∽2.8GHZ。

8.1.1变量Length的扫描分析
图8 不同的Length对应的S11曲线
从图的曲线报告可以看出，当微带贴片天线的宽度固定时，微带天线的谐振频点随着微带贴片长度Length的减小而变大，当Length=29.5mm时，谐振频点约为2.45GHZ。

8.1.2变量Width扫描分析
图9不同的Width对应的S11曲线
从图所示的S11曲线报告中可以看出，当微带贴片长度Length固定时，微带贴片宽度Width的改变对矩形微带天线谐振频点的影响很小。

8.2 优化设计
通过上一节的参数扫描分析，我们知道微带贴片天线的长度Length的变化对矩形微带贴片天线谐振频点的影响显著，，而微带贴片宽度Width的变化对矩形微带贴片天线谐振频点的影响很小，当Length=29.5mm时， Width=41.4mm时，谐振频率约为2.45GHZ。

因此进行优化设计时，只需要优化变量Length，并可设置变量Length的优化范围为29∽30mm。

优化算法选择SNLP，目标函数取S11的最小值，在HFSS中即取dB(S(P1,P1))的最小值
9.查看优化后的天线性能
9.1 查看S11参数
图10 Length=29.5mm时， Width=41.4mm时S11的扫频曲线
从S11扫频曲线的报告可以看出Length=29.5mm时， Width=41.4mm时，天线谐振点在2.45GHZ，此时S11≈16.6dB。

9.3 查看S11参数的Smith圆图结果
图11 S11参数的史密斯圆图
在报告图中标记出2.45GHZ的位置，标记处显示在2.45GHZ时，天线的归一化输入阻抗为(0.91-j0.27)Ω。

9.4 查看电压驻波比
图12 电压驻波比报告图
在VSWR报告图2.4GHZ和2.5GHZ位置作标记可见在2.4∽2.5GHZ频段，VSWR＜
1.85。

9.4 查看天线的三维增益方向图
图13 三维增益方向图
从三维增益方向图中可以看出，该微带贴片天线最大辐射方向是微带贴片的法向方向，及Z轴方向，最大增益约为7.4dB。

9.5 查看平面方向图
图14 E平面增益方向图
9.6 其他天线参数
HFSS在天线问题的数据后处理中，可以给出工作频率上辐射强度、方向性、前后比等各种天线参数的计算结果。

图15 天线性能参数
实
验
结果分析及总结
在前面的分析设计中，我们只优化了微带贴片天线的长度，使天线的谐振频点（也就是中心工作频率）落在2.45GHZ，但是天线在2.45GHZ时的输入阻抗并没有达到标准的50Ω，由以上分析结果可知，其归一化的输入阻抗值为(0.91-j0.27)Ω，优化后的天线性能并没有达到理想值，可以继续使用参数扫描功能分析变量Xf的变化对输入阻抗的影响，然后优化变量Xf，达到更好的性能。

（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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