微帶天線的課程設(shè)計

1、<p><b>　　微帶天線的仿真設(shè)計</b></p><p>　　一、設(shè)計目的及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　學(xué)習(xí)和掌握HFSS軟件，加強對相關(guān)知識的理解和掌握。本設(shè)計就是基于微帶貼片天線基礎(chǔ)理論以及熟練掌握HFSS10仿真軟件基礎(chǔ)上，設(shè)計一個右手圓極化矩形貼片天線，其工作頻率為2.45GHZ。創(chuàng)建切角，并設(shè)饋電位置在（-8,0,0），探針半徑dx:0,d

2、y:0,dz:5；端口面位置（-8，0,0），半徑dx:1.5,dy:0,dz:0。</p><p><b>　　二、設(shè)計原理</b></p><p><b>　　1、微帶天線的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　微帶天線是由一塊厚度遠(yuǎn)小于波長的介質(zhì)板（成為介質(zhì)基片）和（用印刷電路或微波集成技術(shù)）覆蓋在他的兩面上的金屬片構(gòu)成

3、的，其中完全覆蓋介質(zhì)板一片稱為接觸板，而尺寸可以和波長想比擬的另一片稱為輻射元。</p><p>　　微帶天線的饋電方式分為兩種，如圖所示。一種是側(cè)面饋電，也就是饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射元刻制在同一表面；另一種是底饋，就是以同軸線的外導(dǎo)體直接與接地板相連，內(nèi)導(dǎo)體穿過接地板和介質(zhì)基片與輻射元相接。</p><p>　　微帶天線的饋電 （a）側(cè)饋 （b）底饋</p><p>

4、　　2、微帶天線的輻射原理</p><p>　　用傳輸線模分析法介紹矩形微帶天線的輻射原理。矩形貼片天線如圖：</p><p><b>　　矩形貼片天線示意圖</b></p><p>　　設(shè)輻射元的長為L，寬為ω，介質(zhì)基片的厚度為h?，F(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基片和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路，根據(jù)微帶傳輸線的理論，由于基

5、片厚度h<<λ，場沿h方向均勻分布。在最簡單的情況下，場沿寬度ω方向也沒有變化，而僅在長度方向（L≈λ/2)有變化。</p><p>　　在開路兩端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同向疊加，而兩垂直分量所產(chǎn)生的場反相相消。因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫的

6、電場方向與長邊垂直，并沿長邊ω均勻分布?？p的寬度△L≈h，長度為ω，兩縫間距為L≈λ/2。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為有兩個縫隙所組成的二元陣列。</p><p>　　經(jīng)過查閱資料，可以知道微帶天線的波瓣較寬，方向系數(shù)較低，這正是微帶天線的缺點，除此之外，微帶天線的缺點還有頻帶窄、損耗大、交叉極化大、單個微帶天線的功率容量小等。</p><p>　　在這個課設(shè)中，借助EDA仿真軟件A

7、nsoft HFSS進(jìn)行設(shè)計和仿真。Ansoft公司推出的基于電磁場有限元方法（FEM）的分析微波工程問題的三維電磁仿真軟件，Ansoft HFSS以其無與倫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，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機(jī)、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師們高效的設(shè)計了各種高頻結(jié)構(gòu)。</p><p><

8、b>　　三、設(shè)計步驟及內(nèi)容</b></p><p>　　1、運行HFSS，建立新的工程，并設(shè)置求解類型Driven Modal，設(shè)置模型單位mm。</p><p>　　2、設(shè)置天線微帶模型</p><p>　　首先創(chuàng)建地板GroundPlane。然后建立介質(zhì)基片Substrate,貼片Patch。創(chuàng)建切角、探針、端口面等。</p>&

9、lt;p>　　3、創(chuàng)建輻射邊界，設(shè)置端口激勵。并該問題設(shè)置求解頻率及掃描頻率范圍。</p><p>　　4、設(shè)置無限大球面，確認(rèn)設(shè)計后保存工程。</p><p>　　5、求解該工程，繪制該問題的反射系數(shù)曲線和2D輻射遠(yuǎn)場方向圖。</p><p><b>　　四、設(shè)計仿真結(jié)果</b></p><p>　　下圖是我在A

10、nsoft HFSS界面下設(shè)計的一個右手圓極化矩形貼片天線。 </p><p>　　1.接地板GroundPlane：90mm*90mm</p><p>　　2.介質(zhì)基片Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料Rogers R04003。</p><p>　　3.貼片天線Patch:32mm*32mm</p><

11、;p>　　4.探針Pin半徑0.5mm*高5mm,材料Pec。</p><p>　　5.端口面Port半徑1.5，最后用GroundPlane將Port減去。</p><p>　　6.空氣框Air160mm*160mm*70mm,將輻射邊界命名為Rad1。</p><p>　　7.饋電點距Patch中心8mm處。</p><p><

12、;b>　　如圖：</b></p><p>　　繪制該問題的反射系數(shù)曲線</p><p><b>　　2D輻射遠(yuǎn)場方向圖</b></p><p>　　其工作頻率并不在2.45GHZ處，而是有點偏左。</p><p>　　從圖中可以看出，設(shè)定的參數(shù)為2.45GHz，但工作位置卻在2.42GHz，說明還需要對

13、參數(shù)進(jìn)行一定的改進(jìn)。</p><p>　?、俑淖冑N片Patch的大小，經(jīng)過多次測試，當(dāng)大小為31.7mm*31.7mm時，正好符合要求：</p><p><b>　　反射系數(shù)曲線為</b></p><p>　　此時的2D輻射遠(yuǎn)場方向圖為：</p><p><b>　　2D輻射遠(yuǎn)場方向圖</b><

14、;/p><p>　　此時的輻射圖改變不大。發(fā)現(xiàn)改變貼片大小后，在工作頻率處的回?fù)軗p耗幾乎無變化。</p><p>　?、诟淖兲结榩in半徑，當(dāng)半徑為0.24時，符合要求：</p><p><b>　　反射系數(shù)曲線為</b></p><p>　　此時的2D輻射遠(yuǎn)場方向圖為：</p><p>　　發(fā)現(xiàn)改變

15、探針半徑后在工作頻率處的回?fù)軗p耗為23db，有所改善。</p><p><b>　?、鄹淖兲结樜恢?lt;/b></p><p>　?。?）當(dāng)探針位置在（-8.5,0,0）時</p><p><b>　　設(shè)計的圖形如下：</b></p><p><b>　　反射系數(shù)曲線為</b>&l

16、t;/p><p>　　此時的2D輻射遠(yuǎn)場方向圖為：</p><p>　　探針位置改變后，在工作頻率處的回?fù)軗p耗減小剛過10DB不多，性能變差。</p><p>　　（2）再次改變探針位置，使其在非切角的對角線上，如圖：</p><p>　　改變探針位置（-4.33，-4.33,0）</p><p><b>　　反

17、射系數(shù)曲線為</b></p><p>　　此時的2D輻射遠(yuǎn)場方向圖為</p><p>　　改變后，在工作頻率處衰減超過20db，性能有所改善。輻射圖的背瓣變寬。</p><p>　　改變探針位置（-4.1，-4.1,0）</p><p><b>　　反射系數(shù)曲線為</b></p><p&

18、gt;　　此時的2D輻射遠(yuǎn)場方向圖為</p><p>　　在這個位置處，曲線變得尖銳，且在工作頻率處衰減變大，而且背瓣也變窄，所以在這個位置處比較理想。</p><p>　　再改變到其他位置處，如（-3.5，-3.5,0）處;</p><p><b>　　反射系數(shù)曲線為</b></p><p>　　此時的2D輻射遠(yuǎn)場方向

19、圖為</p><p>　　它的反射系數(shù)曲線和2D輻射遠(yuǎn)場方向圖均不如（-4.1,-4.1,0）處的曲線。</p><p>　　講過反復(fù)的嘗試，改變多個參數(shù)，可以歸納出如下結(jié)論：</p><p>　　①當(dāng)工作頻率偏低時，可以減小貼片的尺寸。尺寸越小，它的工作頻率越大。</p><p>　?、诟淖兲结樀陌霃綍r，適當(dāng)減小時，會使工作頻率變大，找到適

20、當(dāng)頻率后再減小頻率后，工作頻率減小。</p><p>　?、鄹淖兲结樜恢茫谠瓉矸较蛏?，工作頻率達(dá)到了要求，但是衰減變小，性能變差。將探針放在對角線上時，工作頻率不只在一個頻率處，但是他們的衰減不同，得到的輻射圖也不相同；在此設(shè)計中，在（-4.33，-4.33,0）處工作頻率符合要求，將探針位置沿此對角線想中心移動時，工作頻率左右不定偏移，在（-4.1，-4.1,0）處工作頻率又符合要求，且衰減和輻射圖都比較理想

21、。</p><p><b>　　五、設(shè)計感想</b></p><p>　　通過這次設(shè)計，獲益匪淺。首先學(xué)會了HFSS的基本操作，對這個軟件有了基礎(chǔ)的了解，覺得這個軟件的功能真的很強大，很不可思議。HFSS的使用很簡單，只是功能較多，界面中各個功能命令的位置讓人感覺凌亂，但用過多次后，很快就熟悉了各個菜單的大致功能，還有某些快捷鍵的使用，使操作快捷方便。</p&g

22、t;<p>　　熟悉了HFSS的使用之后，設(shè)計微帶天線，由于工作頻率并沒有達(dá)到設(shè)計的要求，所以對設(shè)計中的一些參數(shù)進(jìn)行修正，只改變其中的某一參數(shù)，其他的參數(shù)保持不變，即保持單一變量，這樣更容易觀察到參數(shù)對天線性能的影響。修改參數(shù)時，要經(jīng)過多次反復(fù)的測試，才能使頻率達(dá)到設(shè)計的要求，測試的過程真的很容易讓人失去耐心，總是差一點點，但是當(dāng)達(dá)到設(shè)計要求時，那份喜悅卻又是很難形容的。

23、 </p><p>　　總之，通過這次課設(shè)我學(xué)會了什么是探索，在沒有理論支撐的時候，只能靠著一點點的變動，去自己觀察，慢慢得到自己的結(jié)論，過程有些枯燥，但是得到結(jié)論后覺得一切都是值得的。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、《微波技術(shù)與天線》