微带贴片天线设计实验

微波技术与天线实验报告

姓名张思洋学号411109060103 实验日期2014.04.11 实验名称微带贴片天线设计实验实验类型设计性

实验目的1、熟悉并掌握HFSS设计微带天线的操作步骤及工作流程。

2、掌握ISM频段微带贴片天线的设计方法。

实验内容

使用HFSS进行微带贴片天线的设计实现，创建设计模型，进行求解设置，设置求解频率为 2.45GHz，同时添加 1.5-3.5GHz的扫频设置，分析天线在1.5-3.5GHz频段内的电压驻波比，并运行仿真计算。将谐振频率落在2.45GHz频点上。最后进行相关的数据后处理。

实验原理

微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在2.45GHz，采用同轴线馈电的一种简单的微带天线。微带天线的基本参数：工作频率 2.45GHz，介质板相对介电常数3.38，介质层厚度5mm，矩形贴片宽度41.4mm，辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm，参考地长宽为61.8mm*71.4mm，同轴线馈点坐标（9.5，0）。要求设计的天线最大增益大于7dB。前后比大于5dB。

实验步骤及结果一、新建HFSS工程

1.新建一个名为MSAntenna.hfss的工程文件。

2.将求解类型设置为Driven Model

二、创建微带天线模型

1.将模型的默认长度设置为毫米mm

2.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的矩形面作为参考面，并把它命名为GND,并为其分配理想导体边界条件。

然后将此边界命名为PerfE_GND

3.创建介质板层

创建一个80mm*80mm*5mm的长方体作为介质板层，介质板层位于参考地面上，

顶点坐标为（-40，-40，0），介质的材料为R04003。

4.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31.0mm*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。并将此边界条件命名为Perf_Patch。

5.创建同轴馈线的内芯

创建一个圆柱体作为同轴馈线额内芯，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），材料为理想导体，同轴馈线命名为Feed。

6.创建信号传输端口面

在参考面GND上开一个圆孔以便能量可以从同轴线传输。圆孔的半径为1.5mm，圆心坐标为（9.5mm，0，0），名字为Port。

7.创建辐射边界表面

创建一个长方体，顶点坐标为（-80，-80，-35），大小为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。并设置其四周表面为辐射边界条件。

三、设置激励端口

将同轴线信号端口面的激励方式设置为集总端口激励。

四、添加和使用变量

1.添加设计变量Length，初始值为31.0mm，用来表示微带贴片的长度；添加设计变量Width，初始值为41.4mm，用来表示微带贴片的宽度；添加设计变量Xf,初始值为9.5mm，用来表示同轴线的圆心点的X轴坐标。

2.在模型中使用变量

使用变量Length和Width表示微带贴片Patch的长度和宽度，并设置微带贴片的起点坐标为（-Length/2，-Width，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。

五、求解设置

1.设置HFSS的求解频率为

2.45Ghz

2.扫频设置为1.5-

3.5Ghz，选择Fast扫频类型

六、设置完成后进行设计检查，无误后进行下一步。

七、查看天线的谐振点

从图中可以看出，当频率为2.45Ghz时，S11最小，最小为-16.63dB

八、优化设计

1.参数扫描分析：将sweep1的频率范围设置为

2.2GHZ-2.8GHZ

2.Length的扫描分析：添加扫描变量为length，扫描方式设置为LinearStep，开始，结束和步长设置为28mm，31mm，0.5mm，设置完成后从result查看结果。

从图中可以看出Length=29.5mm时，谐振频点约为2.45GHz。

3.Width的扫描分析，将变量设置为Width，开始，结束，步长分别设置为39mm，42mm，0.5mm。

从图中可以看出当贴片长度不变时，宽度的改变对天线谐振点的影响很小。

4.优化设计：因为从上面的设计可以得出长度对S11的影响比较大，所以优化时只对长度进行优化

（1）添加优化设置

（2）将长度的优化范围设置为29-30mm

（3）设计优化函数

（4）优化分析

（5）查看优化后的结果

从图中可以看出，软件做了22次迭代计算，其中第8次迭代计算的目标函数数值最小，对应的length长度为=29.5mm。

九、查看优化后的天线性能

1.查看S11参数

从图可以看出，当length为29.5，Width为41.4mm时，天线的谐振点在2.45GHz，此时S11=-16.63dB。

2.查看S11参数的史密斯圆图

在2.45GHz时，天线的归一化输入阻抗为（0.83-0.25i）Ω

3.产看电压驻波比

从图中可以看出在2.4-2.5GHz频段，电压驻波比小于1.78

4.查看天线的三维增益方向图

从图中可以看出最大辐射方向为z方向，最大增益为7.42dB。

5.查看平面方向图

此图为E面的切面图，可以看出有三个旁瓣。

6.其他天线参数