HFSS仿真2×2矩形贴片天线阵
HFSS 仿真2×2线极化矩形微带贴片天线阵
微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点，在通信、卫星电视接收、雷达、遥感等领域得到广泛应用，它一般工作在100MHz-100GHz 宽广频域的无线电设备中，而矩形微带天线是微带天线最常用的辐射单元，它是一种谐振型天线，通常在谐振频率附近工作。C 波段，是频率在4—8GHz 的无线电波，通常的上行频率范围为5.925—6.425GHz ，下行频率范围为3.7—4.2GHz 。雷达天线具有将电磁波聚成波束的功能，定向地发射和接收电磁波。本实验采用HFSS13.0设计了一款工作于C 波段中心频率在5.75GHz 的矩形贴片线极化微带雷达天线阵列，根据理论经验公式初步计算出矩形微带贴片天线的尺寸，然后在HFSS13.0里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，对天线的结构进行优化，直到天线的中心频率为5.75GHz 为止。
1 单个侧馈贴片天线的仿真
1.1 矩形贴片天线的设计
导波波长g λ，矩形贴片天线的的有效长度e L 2/g e L λ= ， e g ελλ/0=
有效介电常数为e ε，r ε为介质的介电常数
2
11212
12
1-
?
??
?
?+-+
+=
w h r r e εεε
矩形贴片的实际长度为L ， L=e L －2L ?=e ελ2/0－2L ?=
e
f c ε02－2L ?
0f 天线的实际频率，L ?微带天线等效辐射缝隙的长度
()()()()
8.0/258.0264
.0/3.0412
.0+-++=?h W h W h
L e
e
εε
矩形贴片的宽度为W
2
10212-??
? ??+=r f c W ε
基片尺寸取：
g L LG λ2.0+≥ ，g W WG λ2.0+≥
介质板材为Rogers RT /duroid 5880，其相对介电常数r ε=2.2，厚度h=2mm ，损耗角正切为0.0009。
在设计过程中，我们假设贴片、微带线的厚度t 与基片厚度相比可以忽略不计，即
005.0/≤h t ，在设计过程中，我们令t=0。
1.2 计算矩形贴片天线的尺寸
（1）矩形贴片的宽度
由C=3.0×108m/s, 0f =5.75GHz ，r ε=2.2，可以计算出矩形微带天线贴片的宽度。 W=0.02062m=20.62mm （2）有效介电常数e ε
把h=2mm ，W=20.62mm ，r ε=2.2代入，计算出有效介电常数。 e ε=2.17 （3）辐射缝隙的长度
把h=2mm ，W=20.62mm ，e ε=2.17代入，可以计算出天线的辐射缝隙的长度L ?。 L ?=1.01mm （4）矩形贴片的长度
把C=3.0×108m/s, 0f =5.75GHz ，e ε=2.17，L ?=1.01mm 代入，可计算出天线矩形贴片的长度。 L=15.69mm
（5）参考地的长度LG 和宽度WG
把C=3.0×108
m/s, 0f =5.75GHz ，e ε=2.17代入，可算出导波波长g λ。
g λ=35.42mm LG=22.77mm WG=27.70mm
（6）估算天线的输入阻抗
由于介质板材Rogers RT /duroid 5880有一定的损耗，所以在计算微带天线的输入阻抗时，必须考虑介质损耗d G ，微带线造成的铜损忽略不计。 B
in G R 21=
， d m r a d B G G G 2
1+
=
??????+??????-=
)85.4cos(68.032.1)(1691)(9010202
0λλλL W W
G m
rad
)/1(tan 20ηδεπ?=
e d h
W
G ，其中Ω=πη1200
代入数值计算，可求得：0λ=52.17mm ，m
rad G =3.17×10-3，d G =6.33×10-4，可得天线的输
入阻抗约为92Ω。 （7） 微带线的宽度w 计算 又由)48
ln(20h
w w
h Z Z e
f
+
=
επ
，其中f Z =120Ωπ，微带线与天线匹配时0Z =92Ω。
计算可得宽度1.7mm ，仿真时初始设置馈线距边的长度为3mm ，最终确定为3.85mm 。
（8） 微带馈线的设计
馈电端的阻抗为50Ω，欲使阻抗匹配，应使用4/λ阻抗变换器。 50920?=
Z =68Ω，计算可得微带线宽度为1.2mm ，4/0λ=13mm 。50Ω时对应的微带
线宽度为0.68mm 。
故取贴片长度L=15.70mm ，宽度W=20.62mm ；介质层长度50mm ，宽度60mm ，厚度2mm ；接地板长度50mm ，宽度60mm ；真空腔长度90mm ，宽度100mm ，高度60mm 。
1.3 单个贴片天线的仿真结果
（1）单个贴片天线的设计模型
（2）反射系数S11仿真结果
可以看到，反射系数S11在5.75GHz时最小，为-22.5dB。（3）三维增益方向图
（4）E平面方向图
（5）驻波比VSWR
结合方向图和驻波比曲线，可以看出，对于单帖片天线，天线的增益较小，约为7dB；带宽较大，以5.75GHz为中心频率，在约260MHz的范围内满足VSWR 2。
2 2×1侧馈贴片天线阵的仿真
λ阻抗变换器使之与50Ω的微带传输线匹2个50Ω的贴片天线并联，即为25Ω，用4/
配，而单个贴片天线微带馈线宽度由上述单个贴片天线的设计可知为0.68mm，此处仍与50Ω匹配，故末端馈线宽度仍为0.68mm。此时的重点是设计T形头，结果优化仿真得T λ即12mm，宽为1.8mm；较窄微带线部分的宽仍为0.68mm。此时优化后的贴形头长为4/
片天线长度为15.70mm，宽度为17.12mm。匹配网络端口设计如下。
2.1 2×1贴片天线阵的设计模型
2.2 S11仿真结果
可以看到，天线的谐振频率为5.75GHz，反射系数为-14.5dB。
2.3三维增益方向图
由2×1矩形天线阵的三维方向图可以看出，其方向性相对于单个贴片天线增强，在o0
θ
=的方向辐射增强。
2.4 E平面方向图
2.4 驻波比VSWR
2?帖片天线阵列相对于单个贴片天线，天线的增
益增加，约为12.2dB；带宽有所减小，以5.75GHz为中心频率，在约140MHz的范围内满
足VSWR≤2。
3 2×2侧馈贴片天线阵的仿真
设计2组完全相同的2×1侧馈贴片天线阵连接，一般阵列之间的距离为0.75λ-0.8λ。经过多次仿真，两阵元间的距离为44mm。
3.12×2贴片天线阵的设计模型
3.2S11仿真结果
可以看到，天线的谐振频率为5.75GHz，反射系数为-17dB。结果表明，反射系数S11具有与单个天线单元、2×1矩形天线阵相同的谐振频率5.75GHz。且有反射系数曲线可以看出，在中心频率5.75GHz两侧，S11变化迅速，方向性好。
3.3三维增益方向图
3.4 E平面方向图
由方向图可以看出，2×2天线阵的主瓣增益相对于单个天线单元、2×1矩形天线阵有明显的增强。且主瓣宽度较小，存在旁瓣，但旁瓣较小。
3.5 驻波比
驻波比在谐振频率5.75GHz两侧约100MHz的频段内满足VSWR 2，符合要求。
4 设计总结
本实验利用HFSS13.0设计了一款工作于C波段中心频率在5.75GHz的矩形贴片线极化微带雷达天线阵列。其设计的重难点是矩形贴片天线尺寸的确定，贴片天线T形头、天线阵列的匹配网络的设计。通过由单个天线，到2×1天线阵，再到2×2天线阵的连续设计，先较粗略地计算出尺寸，再经过多次的优化仿真，得到了比较理想的结果。最终得到的天线阵较单个天线方向性增强，辐射增益加大，但反射也有一定的加大，带宽有一定程度的降低，
总体而言，其性能得到了大幅的提高。
实验七 微带贴片天线的设计与仿真
实验七微带贴片天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个微带贴片天线 2..查看并分析该微带贴片天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示： 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 四、实验内容 利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。 五、实验步骤 1.建立新工程 了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。 2.将求解类型设置为激励求解类型： （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
.. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名
输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
PBG结构的微带贴片天线设计
PBG结构的微带贴片天线设计 由于微带贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、易加工、共形等优点，所以在军事和民用方面都有着广泛的应用前景。众所周知，集成电路的基底是一些高介电常数材料，而微带贴片天线在低介电常数基底上才能获得最佳性能。位于高介电常数基底的贴片天线由于表面波的损耗辐射效率很低，并且频率带宽极窄，当应用的频率变高时这种情况更加突出，导致贴片天线的增益和效率下降，并且在阵列情况下还会有高的交叉极化电平和互耦电平。 为了实现微带贴片天线的集成化，同时避免昂贵的基底混合技术，就必须在高介电常数基底上实现高效率的贴片天线。近年来出现的新型光子晶体贴片天线能够较好地改善以高介电常数介质为基底的贴片天线的性能。光子晶体贴片天线是指基于光子晶体的贴片天线。所谓光子晶体，或称PBG材料，是指将高介电常数的介质周期性的放置所产生的一种人工电磁晶体，该电磁晶体的表面波波矢图在某一频率范围内出现一个频率禁带，简称禁带。通过在贴片天线中人为的引入光子晶体结构，并利用光子晶体的禁带效应，抑制沿基底传播的表面波，增加天线辐射到空间的电磁波，从而改善天线的性能。 本文所采用的高阻抗表面型PBG结构具有结构紧凑、带隙性能好、可以集成等优点，在天线的设计中得到了广泛的应用。 1 PBG天线设计 本文设计的矩形贴片天线，是中心频率为10 GHz的矩形微带天线(辐射元为矩形)，馈电方式选为中心侧馈。采用ROGER3010材料做为基板，厚度h=1．28 mm，相对介电常数=10．2。矩形贴片的尺寸为L×W。贴片单元的尺寸由经验公式计算可以得出： 利用ADS自带的计算传输线的软件LineCalc来计算传输线的宽度ω=0．162 mm。PBG材料的设计首先利用等效媒质模型得到初始的参数，更准确的参数则通过全波数值仿真获得。由于高阻抗表面PBG结构的周期大小远小于工作波长，适合用集总电路元件(电容、电感)组成的等效LC并联谐振电路来描述其电磁特性。像电路滤波器一样阻止沿表面传输的电流。如前所述，蘑菇型高阻抗表面相邻贴片间的电容效应(介质基片既起着支撑作用，又达到增强电容的效果)，与金属过孔的等效电感组成集中参数的并联谐振电路。这里有高阻面的设计公式： 式中：εr是介质的介电常数；t是高阻面的高度；g是周期间距；ω是单元边长；a为周期。最后得到的设计结果是，ω=1．73 mm，g=0．22 mm()。 2 建模与仿真 根据设计的PBG天线的结构，在HFSS中建模并仿真。模型图 仿真得到的反射系数图。 可以看到回波损耗小于-10 dB的带宽约为600 MHz，参考天线谐振频率为9．96 GHz，PBG 微带天线谐振频率为10．05 GHz。PBG天线的谐振频率比参考天线略高，这是因为二者之间的耦合造成的。二者在9．99 GHz具有相同的反射系数-21．28 dB，在这个频率上仿真得到其方向图。可以看到PBG结构使方向性有所增强，天线的增益大约提高0．53 dB。PBG贴片
实验一：微带天线的设计与仿真
实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示: 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File?save as,输入Antenna,点击保存。 （2）.设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm,点击OK （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options, 勾选” Edit properties of new pri ” ,点击OK 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz: (2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec , 太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师 专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… …… 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航 燕山大学 课程设计说明书 题目: 基于ADS的矩形微带贴片天线的设计 学院（系）：理学院 年级专业：电子信息科学与技术13 学号： 学生姓名：张凤麒任春宇 指导教师：徐天赋 教师职称：副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：理学院基层教学单位：电子信息科学与技术13 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年月日燕山大学课程设计评审意见表 基于ADS的矩形微带贴片天线设计 The Design of Rectangular microstrip patch antenna with ADS 摘要：本文研究了通信系统中的矩形微带贴片天线。首先介绍了矩形微带贴片的背景及微带馈电的设计考虑。使用了安捷伦辅助仿真工具ADS对2GHz矩形微带贴片天线结构及相应的参数进行了设置仿真及优化，尽可能达到其相应的技术指标。 Abstract：This paper studies the rectangular microstrip patch antenna in communication system. Firstly, the background of rectangular microstrip patch and the design considerations of microstrip feed are introduced. The microstrip patch antenna structure and corresponding parameters of 2GHz rectangular microstrip patch antenna are simulated and optimized by ADS, and the corresponding technical index is reached as far as possible. 关键词：矩形微带贴片天线 ADS 设计 Keyword：Rectangular microstrip patch antenna ADS design 一.矩形微带贴片天线的背景 微带贴片天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究。本文选用矩形贴片来研究微带天线。 用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真 单位（院、系）：信息工程学院 学科专业: 电子与通信工程 学号：416114410159 姓名：曾永安 时间：2011.4.25 矩形微带天线的设计与仿真 学科专业：电子与通信工程学号：416114410159 姓名：曾永安指导老师：吴毅强 摘要：本文介绍了一种谢振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。通过HFSS V10软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：HFSS，微带线，天线 Design and Simulation of Rectangular Microstrip Antenna Abstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50Ω and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up a nd simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well. Key words:HFSS,Microstrip,Antenna 1.引言 微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20多年的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。微带天线结构简单,体积小,能与载体共形, 能和有源器件、电路等集成为统一的整体,已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm；天线使用同轴线馈电。 2.微带贴片天线理论分析 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数 r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。 图1 微带天线的结构 课程设计说明书 题目：基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 摘要：通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，具有广阔的前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文就设计一个中心频率工作为880MHz，相对带宽为B=5％，介质板厚度h=1.6mm，损耗角正切tanδ=0.0018，介电常数为Er=2.3的微带缝隙天线展开研究以及仿真和优化。 关键词：ADS；微带缝隙天线；仿真设计； Design of microstrip slot antenna based on ADS simulation Abstract: Communication system development has brought the antenna the vitality of the industry, in many types of antenna microstrip antenna has become one of the forefront of current research, has broad prospects and practical significance. Microstrip slot antenna, in particular, with its light weight, thin section, flat structure and easy with conformal carrier, feeding the advantages of network can be made with the antenna structure has caused extensive concern of antenna workers. In this paper, the design of a work center frequency is 880 MHZ, relative bandwidth is B = 5%, medium plate thickness h = 1.6 mm, loss tangent tan delta = 0.0018, the dielectric constant of Er = 2.3 microstrip slot antenna study and simulation and optimization. Key words: ADS; Microstrip slot antenna. The simulation design; 学习目的 1. 学习射频电路的理论知识； … 设计一、微带天线仿真设计 三角形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个三角形贴片天线，其工作频率为，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 一．设计目的与要求 1.理解和掌握微带天线的设计原理 2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置 3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型 4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图 5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响— 二．实验原理 如下图所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。。 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 矩形贴片天线示意图 三．贴片天线仿真步骤 1、建立新的工程 】 运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 （a）选择Driven Modal。 （b）点击OK按钮。 3. 设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 《 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （2）设置模型单位： （a）在设置单位窗口中选择：mm。 （b）点击OK按钮。 4、创建微带天线模型 （1）创建地板GroundPlane。坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0。 （2）为GroundPlane设置理想金属边界。在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。 基于H F S S矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub 0，0，0 ，32，Box Rogers 5880 （tm） GND 0，0，，32，Box pec Patch , 8 , 0 , 16, Box pec MSLine ,0, , 8 , Box pec Port ,0, ,0, Rectangle Air -5,-5, , 42, Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入Antenna，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。 （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)点击创建GND,起始点：x:0，y:0，z:，dx:,dy:32,dz: 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (2)介质基片：点击，：x:0，y:0，z:0。dx: ，dy: 32，dz: - ， 修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度。点击OK (3) 建立天线模型patch， 点击，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16，dz: 命名为patch，点击OK。 (4) 建立天线模型微带线MSLine 点击，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx:，dy: 8，dz: ， 命名为MSLine，材料pec, 透明度 选中Patch和MSLine，点击Modeler>Boolean>Unite （5）、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地。Modeler>Grid Plane>XZ，或者设置 点击，创建Port。命名为port 双击Port下方CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:- ，尺寸： dx:，dy: 0，dz: （6）、创建Air。 点击，x:-5，y:-5，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air，透明度. , 三、设置边界条件和端口激励。 （1）设置理想金属边界：选择GND，右击Assign Boundaries>>Perfect E 将理想边界命名为：PerfE_GND，，点击OK。 （2）、设置边界条件：选择Port，点击Assign Boundaries>>Perfect E 太原理工大学 微波技术与天线课程设计设计题目：微带天线仿真设计 学生姓名 学号 专业班级 指导教师 太原理工大学现代科技学院 课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸的顺序进 行装订上交（大张图纸不必装订） 指导教师签名： 日期： 专业班级 学生姓名 课程名称 微波技术与天线课程设计 设计名称 微波器件或天线设计 设计周数 1.5周 指导教师 设计 任务 主要 设计 参数 1 熟悉HFSS 仿真平台的使用 2 熟悉微带天线的工作原理与设计方法 3 在HFSS 平台上完成如下仿真设计 题目一：三角形微带天线设计（同轴馈），900MHz ，1800MHz /2.4GHz ， 4GHz /2.4GHz ，5.8GHz 学号为1、6完成此题 题目二：三角形微带天线设计（侧馈），900MHz ，1800MHz /2.4GHz ， 4GHz /2.4GHz ，5.8GHz 学号为2、7完成此题 题目三：圆形微带天线设计（同轴馈），900MHz ，1800MHz /2.6GHz ， 4GHz /2.4GHz ，5.8GHz 学号为3、8完成此题 题目四：圆形微带天线设计（侧馈），900MHz ，1800MHz /2.6GHz ， 4GHz /2.4GHz ，5.8GHz 学号为4、9完成此题 题目五：半波偶极子天线设计，900MHz ，1800MHz /2.6GHz ， 4GHz /2.4GHz ，5.8GHz 学号为5、0完成此题 4 结合同组其他同学的设计结果完成对于结构参数与性能之间关系的探讨 5 在1.5周内完成设计任务 设计内容 设计要求 1、 6. 5：分组、任务分配、任务理解 2、 6. 6：查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案的设计 3、 6. 7~6.9：熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以 及验收。 4、 6. 12：同组同学结果汇总及讨论 5、 6.13~6.14：设计说明书的撰写 在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。 主要参考 资 料 刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2008 李明洋，HFSS 应用设计详解，人民邮电出版社，2010 学生提交 归档文件 1、相关知识及基本原理 2、参数归纳：材质、尺寸 3、软件仿真过程及结果分析 4、设计总结 微带天线练习 微带天线 ?微带天线尺寸描述 金属贴片–贴片尺寸 长度: len_x=31.1807 mm 宽度: len_y=46.7480 mm –介质基板尺寸 长度: gnd_x=50 mm 宽度: gnd_y=80 mm 厚度:#h=2.87mm 厚度: #h 2.87mm 介电常数:#epsr=2.2 –地板尺寸 长度: gnd x=50 mm 介质基板g _宽度: gnd_y=80 mm –馈源部分 长度: feed_x=8.9 mm, 直径: diam=1.3 mm 地板 ?工作频率 –freq=3.0e+09 Hz ?目标 –分析该天线的远场方向图等 建立模型 ?运行CADFeko创建新的项目文件Microstrip_Antenna ?定义单位为mm ?点击Geometry \Add Variable定义以下变量–贴片部分 len_x=31.1807 l467480 len_y=46.7480 –地板和介质基板部分 gnd_x=50 g_ gnd_y=80 h=2.87 epsr=2.2 –馈源天线部分 feed_x=8.9 feed=89 diam=1.3 –公用变量部分 freq=3.0e+09 lambda=1000*c0/freq/sqrt(epsr) –剖分部分变量 tri_len=lambda/12 fine_tri=lambda/16 fine tri=lambda/16 segl=lambda/15 segr=diam/2 建立模型 ?点击图标创建矩形贴片–输入以下坐标 (-len_x/2,-len_y/2,0) (_/,_y/,) (-len x/2,len y/2,0) (len_x/2,len_y/2,0) (len_x/2,-len_y/2,0) 微带天线设计 天线大体可分为线天线和口径天线两类。 移动通信用的VHF 、UHF 天线，大多是以对称振 子为基础而发展的各种型式的线天线，卫星地面站接收卫星信号大多用抛物面天线（口径 天线）。 天线的特征与天线的形状、大小及构成材料有关。天线的大小一般以天线发射或接收电磁波的波长l 来计量。因为工作于波长l = 2m 的长为1m 的偶极子天线的辐射特性与工作于波长l = 2cm 的长为1cm 的偶极子天线是相同的。 与天线方向性有关参数：方向性函数或方向图 离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数； 把方向性函数用图形表示出来，就是方向图。 最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。 为了方便对各种天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数，这些参数有： 1．天线增益G （或方向性GD ）、波束宽度（或主瓣宽度）、旁瓣电平等。 2．天线效率 3．极化特性 4．频带宽度 5．输入阻抗 天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。 天线方向性GD与天线增益G类似但与天线增益定义略有不同。 因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。 理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角ΩB内辐射出去，且在ΩB立体角内均匀分布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。 理想的天线辐射波束立体角ΩB及波束宽度θB 实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时的立体角即定义为ΩB。波束宽度θB与立体角ΩB关系为 旁瓣电平 - - - 基于HFSS 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub 0，0，0 28.1，32，-0.79 Box Rogers 5880 （tm）GND 0，0，-0.79 28.1，32，-0.05 Box pec Patch 7.03 , 8 , 0 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine 10.13,0,-0.79 2.49 , 8 , 0.05 Box pec Port 10.13,0,-0.79 2.49 ,0, 0.89 Rectangle Air -5,-5,-5.79 38.1 , 42, 10.79 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入Antenna，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。 （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)点击创建GND,起始点：x:0，y:0，z:-0.79，dx:28.1,dy:32,dz:-0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为pec， (2) 介质基片：点击，：x:0，y:0，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: - 0.794， 修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。 （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 (1)、插入模型设计 （2）、重命名 输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。 点击OK 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。（1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。 （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名 输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为pec， (4) 介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。 点击OK (5) 建立天线模型patch， 点击，x:-6.225,y: -8, z:0 .794，dx: 12.45，dy: 16，dz: 0.05 命名为patch，点击OK。 (6) 建立天线模型微带线MSLine 点击，x:-3.1125,y: -8, ,z: 0.794 ，dx:2.46，dy:- 8，dz: 0.05， 命名为MSLine，材料pec, 透明度0.4 选中Patch和MSLine，点击Modeler>Boolean>Unite （7）、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地。 Modeler>Grid Plane>XZ，或者设置 点击，创建Port。命名为port 设计一、微带天线仿真设计 三角形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个三角形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 一．设计目的与要求 1.理解和掌握微带天线的设计原理 2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置 3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型 4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图 5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响二．实验原理 如下图所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。。 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L ≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 矩形贴片天线示意图 三．贴片天线仿真步骤 1、建立新的工程 运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 （a）选择Driven Modal。 （b）点击OK按钮。 3. 设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （2）设置模型单位： （a）在设置单位窗口中选择：mm。 （b）点击OK按钮。 4、创建微带天线模型 （1）创建地板GroundPlane。坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0。 （2）为GroundPlane设置理想金属边界。在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。 （3）建立介质基片。在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮，创建长方体模型。起始点位置坐标：X: -22.5，Y：-22.5，Z：0。输入各坐标时，可用Tab键来切换。输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5。将材料设置为Rogers R04003。 （4）建立贴片Patch。起始点的坐标：X：-16，Y：-16，Z：5按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：32，dY：32，dZ：0。 （5）为Patch设置理想金属边界。 （6）创建切角。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5；X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。在对话窗口中选择Cut。在菜单栏中点击Edit>Arrange>Move。在坐标输入栏中输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：0；dX：-16，dY：-16，dZ：0。两个切角呈中心对称，可以通过旋转复制创建另一个切角。在菜单栏中点击Edit>Duplicate>Around Axis。将轴设置为Z轴，旋转角度为180 deg，Total为2。 （7）用Patch将切角减去。HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
微带天线仿真设计(5)讲解
GHz矩形微带贴片天线设计
用ADS设计微带天线
矩形微带贴片天线设计及仿真
基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计
微带天线仿真设计
HFSS 矩形微带贴片天线的仿真设计报告
微带天线仿真设计(圆形侧馈)
微带天线仿真
微带天线设计
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
根据HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
微带天线仿真设计