基于HFSS的天線設(shè)計(jì)流程

1、天線設(shè)計(jì)流程：1. 確定設(shè)計(jì)目標(biāo)2. 查閱資料，確定形狀，給出結(jié)構(gòu)圖（變量形式）3. 仿真建模、求解4. 優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定變量值5. 版圖，加工，測(cè)試設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款超寬帶天線，天線饋電方式采用50Ohm微帶線進(jìn)行饋電，天線在3.1-10.6GHz頻段范圍內(nèi)滿足S11<-10dB，天線輻射方向圖為全向。天線介質(zhì)基板采用選用介質(zhì)板FR-4，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為h=0.8mm?；贖FSS13.0的超寬帶天線設(shè)計(jì)實(shí)例：一、 建立工程菜單Project->Insert HFSS Design 二、 設(shè)置求解模式菜單HFSS->Solution Type->天線

2、為Driven Modal三、 天線模型建立1、 設(shè)置模型尺寸長(zhǎng)度單位菜單Modeler->Units->mm->OK 單位一般設(shè)置為毫米mm。2、 天線模型結(jié)構(gòu)本例天線采用的模型如圖1所示，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1.圖1 超寬帶平面天線結(jié)構(gòu)圖表1 初步設(shè)計(jì)的超寬帶平面天線尺寸w=16mml=32mmh=0.8mmwd=1.5mml1=12mmh1=11mmw1=3mmh2=20mmh3=4mm微帶線阻抗驗(yàn)證：1)、采用Agilent AppCAD計(jì)算2、采用LineCalc計(jì)算工具（ADS中的工具）3、輸入設(shè)計(jì)參量菜單Project->Project Variables或

3、者HFSS->Design Properties點(diǎn)擊Add，輸入w=16mm變量，詳見(jiàn)下圖依次輸入表1中全部變量，最終如下圖4、建立模型（1） 創(chuàng)建介質(zhì)板FR4（a） 在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box，在模型窗口任意創(chuàng)建Box1（b） 雙擊模型窗口左側(cè)的Box1，改名為Substrate，在點(diǎn)擊Material后面的按鈕，選擇Edit，搜索FR4，選擇FR4_epoxy點(diǎn)擊確定。（c） 雙擊模型窗口左側(cè)Substrate的子目錄Createbox，修改介質(zhì)板大小及厚度。介質(zhì)板長(zhǎng)l=32mm，寬w=16mm，厚h=0.8mm，如下圖所示，點(diǎn)擊確定。（2） 創(chuàng)建微帶饋線（a） 在菜單欄中

4、點(diǎn)擊Draw>Rectangle，在模型窗口任意創(chuàng)建Rectangle1 （b） 雙擊模型窗口左側(cè)的Rectangle1，改名為microstrip，點(diǎn)擊確定。（c） 雙擊模型窗口左側(cè)microstrip的子目錄Createrectangle，修改微帶傳輸線大小。微帶線寬wd=1.5mm，長(zhǎng)l1=12mm，微帶線位于介質(zhì)板頂層正中處。（3） 創(chuàng)建接地板（a） 在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Rectangle，在模型窗口任意位置創(chuàng)建Rectangle1。（b） 雙擊模型窗口左側(cè)的Rectangle1，改名為groundplane，點(diǎn)擊確定。（c） 雙擊模型窗口左側(cè)groundplane的子

5、目錄Createrectangle，修改接地板大小。接地板寬w=16mm，長(zhǎng)h1=11mm，微帶線位于介質(zhì)板底層。（4） 創(chuàng)建階梯形輻射貼片（a） 在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Rectangle，在模型窗口任意創(chuàng)建Rectangle1。（b） 雙擊模型窗口左側(cè)的Rectangle1，改名為patch，點(diǎn)擊確定。（c） 雙擊模型窗口左側(cè)patch的子目錄Createrectangle，修改輻射貼片大小。貼片寬w=16mm，長(zhǎng)h2=20mm，輻射貼片為與介質(zhì)頂層與微帶線相連。（d） 在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Rectangle，在模型窗口任意創(chuàng)建Rectangle1和Rectangle2，分

6、別改名為stair1和stair2.（e） 修改stair1及stair2的大小w1=3mm，h3=4mm，分別為與輻射貼片左、右下角。（f） 同時(shí)選中patch、stair1、stair2，并在菜單欄中點(diǎn)擊Modeler>Boolean>Substract，從patch中剪切掉stair1 和stair2，點(diǎn)擊OK。（5） 創(chuàng)建空氣盒設(shè)置Air空氣盒（空氣盒上下左右離天線大于四分之一波長(zhǎng)，以3GHz為例，25mm為四分之一波長(zhǎng)）（a） 在菜單欄中點(diǎn)擊Draw>Box，在模型窗口任意創(chuàng)建Box1。（b） 雙擊模型窗口左側(cè)的Box1，改名為air，Transparent值設(shè)為0

7、.8，點(diǎn)擊確定。（c） 雙擊模型窗口左側(cè)air的子目錄Createbox，修改空氣盒大小?？諝夂谐叽绱笮≡O(shè)置如下圖。天線在空氣盒正中，點(diǎn)擊確定。5、 設(shè)置邊界條件（1） 設(shè)置理想金屬邊界條件選中g(shù)randplane，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E，點(diǎn)擊OK，同理設(shè)置microstrip和patch為Perfect E。 （2） 設(shè)置輻射邊界條件選中air，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Boundaries>Assign>Radiation，點(diǎn)擊OK。 6、 設(shè)置激勵(lì)方式（a） 創(chuàng)建XOZ面上的平面，在菜單欄中點(diǎn)擊Mo

8、deler>Grid Plane>XZ，再點(diǎn)擊菜單欄中Draw>Rectangle，在模型窗口任意創(chuàng)建Rectangle1。（b） 雙擊模型窗口左側(cè)的Rectangle1，改名為port，點(diǎn)擊確定。（c） 雙擊模型窗口左側(cè)port的子目錄Createrectangle，修改饋電口大小。饋電口寬wd=1.5mm，長(zhǎng)h=0.8mm，饋電口連接微帶線和接地板。 （d） 選中port，在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Excitation>Assign>Lumped Port，點(diǎn)擊下一步，點(diǎn)擊Integration Line中的None，選擇New Line，建立積分線，從p

9、ort的下邊線指向上邊線，點(diǎn)擊下一步，完成。 （e） 選中回XOY面，Modeler>Grid Plane>XY四、 設(shè)置網(wǎng)格（可不設(shè)置，默認(rèn)為自適應(yīng)網(wǎng)格）五、 加入天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)HFSS->Radiation->Insert far field setup->Infinite Sphere1設(shè)置角度如下圖所示：同理，然后依次創(chuàng)建XOZ_Plane，YOZ_Plane，XOY_Plane平面輻射場(chǎng)，如下圖： 最終如下圖：六、 設(shè)置求解頻率、掃頻等菜單->HFSS->Analysis setup->Add solution setup（此頻率點(diǎn)為G

10、ain，eff（效率），方向圖等參數(shù)），求解頻率設(shè)為3GHz，點(diǎn)擊確定。菜單->HFSS->Analysis setup->Add frequency setup（此頻率為掃參，如S11、VSWR等參數(shù)），選擇sweep type 為fast，掃頻從2GHz到12GHz，點(diǎn)擊OK。 七、 檢驗(yàn)參數(shù)菜單HFSS->validation check八、 保存保存（注意：工程保存的目錄不能含有中文）九、 求解HFSS->Analyze all十、 數(shù)據(jù)后處理（看仿真結(jié)果）1. S參數(shù)和駐波系數(shù)S11 (return loss):HFSS->Results->

11、Create Modal Solution->Rectangular plot（可視）/Data table(可導(dǎo)出)->選擇solution中的“setup1：sweep”選項(xiàng)，Domain中的“Sweep”選項(xiàng)。->選擇S parameter ->S11->dB 點(diǎn)擊new trace。2. Gain/Directivity/efficiency （均涉及最大方向的問(wèn)題，需要每個(gè)solution單個(gè)頻點(diǎn)計(jì)算，最后拼接在一起）HFSS->Radiation->Compute Antenna/Max params->然后如下圖操作3. 輻射場(chǎng)（1

12、）3D輻射方向圖HFSS->Results->Create Far Fields Report->3D polar plot做如下配置，然后點(diǎn)擊new report,得到3D輻射方向圖（2）Radiation PatternHFSS->Results->Create Far Fields Report->Radiation Pattern在彈出的對(duì)話框中，作如下配置，然后點(diǎn)擊new report,得到Y(jié)OZ面的E面方向圖。 同理可以得到XOZ平面的輻射方向圖，XOZ面為全向輻射。4. 總結(jié)：由1中S參數(shù)結(jié)果表明，此天線距離S11 -10dB的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)仍有一些

13、差距，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。十一、 參數(shù)優(yōu)化如變量中某一尺寸等掃參：（以w1為例）（a） 在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS->Optimetrics Analysis->Add parametric/optimization，點(diǎn)擊Add，選擇變量w1,從3mm掃參到5mm，步進(jìn)為0.5mm，點(diǎn)擊Add，OK，確定。（b） HFSS->Analyze all。（c） 點(diǎn)擊工程管理窗口中的Results->dB（S（1，1），選擇Families，查看掃參結(jié)果。 （d） 選擇最優(yōu)w1=4mm，繼續(xù)參掃其他參數(shù)，獲取最優(yōu)結(jié)果。表2 優(yōu)化后的最終定型尺寸w=17mml=30mmh=0.8m

14、mwd=1.5mml1=12mmh1=11mmw1=4.2mmh2=18mmh3=4mm一些有用的參數(shù)與指標(biāo)：1）電流分布首選選中同時(shí)groundplane，microstrip和patch，然后選擇菜單欄中HFSS->Fields->plot fields->J->Mag_Jsurf選擇Jsurf scale，更改坐標(biāo)范圍(1100A/m, log) 2）電場(chǎng)分布首選選中同時(shí)groundplane，microstrip和patch，然后選擇菜單欄中HFSS->Fields->plot fields->E->Vertor_E3）三維方向圖3D plot 【前邊已經(jīng)演示過(guò)】4）電流/電場(chǎng)動(dòng)畫(huà)菜單欄 View->Animate-> Mag_Jsurf1/Vector_E1->OK->OK十二、 CAD制圖（a） 在菜單欄中點(diǎn)擊Modeler>Export，保存為dxf文件，此次導(dǎo)出的是底層。（b） 導(dǎo)出上層，首先把上層的結(jié)構(gòu)移動(dòng)到底層，同時(shí)選中g(shù)roundplane，microstrip和patch，做如下圖移動(dòng)右下角輸