天線(xiàn)CAD大作業(yè)微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)(共13頁(yè))

1、 天線(xiàn)(tinxin)CAD大作業(yè) 學(xué) 院：電子(dinz)工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：電子(dinz)信息工程 微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)(shj)一、設(shè)計(jì)(shj)要求(yoqi)： （1）工作頻帶1.1-1.2GHz，帶內(nèi)增益4.0dBi，VSWR2:1。微波基板介電常數(shù)為= 6，厚度H5mm，線(xiàn)極化?？偨Y(jié)設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，給出具體的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果，如VSWR、方向圖等。 （2）拓展要求：檢索文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)并理解微帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化的方法，嘗試將上述天線(xiàn)設(shè)計(jì)成左旋圓極化天線(xiàn)，并給出軸比計(jì)算結(jié)果。 二、設(shè)計(jì)步驟計(jì)算天線(xiàn)幾何尺寸 微帶天線(xiàn)的基板介電常數(shù)為= 6，厚度為h=5mm,中心頻率為f=1.15GHz,天線(xiàn)使

2、用50同軸線(xiàn)饋電，線(xiàn)極化，則輻射切片的寬度=69.72mm有效介電常數(shù)=5.33輻射縫隙的長(zhǎng)度=2.20輻射切片的長(zhǎng)度=52.10mm同軸線(xiàn)饋電的位置L1 =5.20 =14.63mm 三、HFSS設(shè)計(jì)（1）微帶天線(xiàn)建模概述(i sh) 為了方便(fngbin)建模和后續(xù)的性能分析，在設(shè)計(jì)中定義一系列變量來(lái)表示微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸，變量的定義及天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸總結(jié)如下：微帶天線(xiàn)的HFSS設(shè)計(jì)(shj)模型如下： 立體圖 俯視圖 模型的中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，輻射切片的長(zhǎng)度方向沿著x軸，寬度方向沿著y軸。介質(zhì)基片的大小是輻射切片的2倍，參考地和輻射切片使用理想導(dǎo)體來(lái)代替。對(duì)于饋電所用的50同軸線(xiàn)，這用圓柱

3、體模型來(lái)模擬。使用半徑為0.6mm、坐標(biāo)為（L1，0,0）；圓柱體頂部與輻射切片相接，底部與參考地相接，及其高度使用變量H表示；在與圓柱體相接的參考地面上需要挖一個(gè)半徑為1.5mm的圓孔，作為信號(hào)輸入輸出端口，該端口的激勵(lì)方式設(shè)置為集總端口激勵(lì)，端口歸一化阻抗為50。模型建立好后，設(shè)置輻射邊界條件。輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4波長(zhǎng)，1.15GHz時(shí)自由空間中1/4個(gè)波長(zhǎng)約為65.22mm，用變量length表示。 （2） HFSS設(shè)計(jì)環(huán)境概述求解類(lèi)型：模式驅(qū)動(dòng)求解。建模操作 模型原型：長(zhǎng)方體、圓柱體、矩形面、圓面。 模型(mxng)操作：相減操作邊界條件和激勵(lì)(jl) 邊界(bin

4、ji)條件：理想導(dǎo)體邊界、輻射邊界。 端口激勵(lì)：集總端口激勵(lì)。求解設(shè)置： 求解頻率：1.15GHz。 掃頻設(shè)置:快速掃描，頻率范圍：11.3GHz。Optimetrics 參數(shù)掃描分析。 優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)后處理：S參數(shù)掃頻曲線(xiàn)、VSWR、天線(xiàn)方向圖、天線(xiàn)參數(shù)。仿真結(jié)果 由圖得天線(xiàn)的諧振頻率為1.11GHz，不是1.15GHz。需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。先進(jìn)行參數(shù)掃描分析分析中心頻率與輻射切片長(zhǎng)度L0的變化關(guān)系，掃描分析范圍為：49mm54mm,掃描步進(jìn)為0.2mm仿真結(jié)果： 發(fā)現(xiàn)當(dāng)L0=50mm時(shí)，諧振(xizhn)頻率為1.15GHz。b、分析1.15GHz諧振頻點(diǎn)處回波損耗與同軸線(xiàn)饋電點(diǎn)位置L1的變

5、化關(guān)系，掃描(somio)分析范圍為：0mm19mm,掃描步進(jìn)為1mm仿真(fn zhn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)L1=10mm時(shí)，回波損耗值最小，阻抗匹配最好。優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果得到：當(dāng)L0=49.8mm時(shí)，L1=10mm時(shí)，符合要求。查看優(yōu)化后的天線(xiàn)性能VSWR分析(fnx)結(jié)果在1.15GHz處，VSWR值為1.38322,符合要求。xz和yz截面(jimin)上的增益方向圖從圖得出(d ch)：最大輻射方向?yàn)?，即輻射切片的正上方，最大增益約為5.7dB。c、三維增益方向圖拓展要求：圓極化微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)一、微帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化的方法 采用特殊的饋電方式，可以獲得圓極化的矩形切片微帶天線(xiàn)。圓極化的關(guān)鍵是激勵(lì)起

6、兩個(gè)極化方式正交的線(xiàn)極化波，當(dāng)這兩個(gè)模式的線(xiàn)極化波幅度相等，相位相差90度，就能得到圓極化波的輻射。矩形微帶天線(xiàn)獲得圓極化特性的饋電方式有兩種，一種是單點(diǎn)饋電，另一種是正交雙饋。當(dāng)同軸線(xiàn)的饋電點(diǎn)位于輻射切片(qi pin)的對(duì)角線(xiàn)位置時(shí)，可以激發(fā)TM01和TM10兩個(gè)模式，這兩個(gè)模式的電場(chǎng)方向互相垂直。在設(shè)計(jì)中，讓輻射切片的長(zhǎng)度L和寬帶W相等(xingdng)，這樣激發(fā)的TM01和TM10兩個(gè)模式的頻率相同，強(qiáng)度相等，而且兩個(gè)模式電場(chǎng)的相位差為0，若輻射切片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)c，我們微調(diào)諧振長(zhǎng)度略偏離諧振，即一邊長(zhǎng)度為L(zhǎng)c+a，另一邊長(zhǎng)度為L(zhǎng)c-a，前者對(duì)應(yīng)一個(gè)容抗Y1=G-jB,后者對(duì)應(yīng)一個(gè)感抗Y1

7、=G+jB，只要調(diào)整a的值，使得每一組的電抗分量等于阻抗的實(shí)數(shù)部分，即B=G，則兩阻抗大小相等，相位分別為-45度和45度，這就滿(mǎn)足了圓極化條件，從而構(gòu)成(guchng)了圓極化微帶天線(xiàn)。其極化旋向取決于饋電點(diǎn)的接入位置。當(dāng)饋電點(diǎn)在如下圖中的所示的A點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生右旋圓極化波，在B點(diǎn)位置時(shí)，產(chǎn)生左旋圓極化波。 Kalio和Coffey研究證明，理論上當(dāng)L/W=1.029，即a=0.0143Lc，TM01和TM10兩個(gè)模式的相位差為90度。另外，由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可得到，此結(jié)果的50歐姆饋電點(diǎn)位于輻射切片對(duì)角線(xiàn)上，且饋電點(diǎn)和輻射切片頂點(diǎn)的距離dp在（0.350.39）d之間。假設(shè)饋電點(diǎn)到輻射切片的中心距離為

8、L1，則L1在（0.110.15）Lc之間。 二、設(shè)計(jì)要求工作頻帶1.1-1.2GHz，帶內(nèi)增益4.0dBi，VSWR2:1。微波基板介電常數(shù)為= 6，厚度H5mm，左旋圓極化。總結(jié)設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，給出具體的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果，如VSWR、方向圖等，并給出軸比計(jì)算結(jié)果。三、設(shè)計(jì)(shj)步驟（1）計(jì)算天線(xiàn)輻射切片(qi pin)的初始尺寸 微帶天線(xiàn)的基板介電常數(shù)(ji din chn sh)為= 6，厚度為h=5mm,中心頻率為f=1.15GHz,輻射切片的寬度=69.72mm有效介電常數(shù)=5.33輻射縫隙的長(zhǎng)度=2.20輻射切片的長(zhǎng)度=52.10mm則：輻射切片初始尺寸為：L=W=Lc=

9、52.10mm，并設(shè)置微調(diào)長(zhǎng)度值a=0.0143Lc，以產(chǎn)生圓極化波。估算輸入阻抗為50的同軸線(xiàn)饋電位置 取0.15倍的Lc,計(jì)算得出饋電點(diǎn)在x、y方向離輻射切片的中心距離都為7.82mm。HFSS設(shè)計(jì)微帶天線(xiàn)建模概述 為了方便建模和后續(xù)的性能分析，在設(shè)計(jì)中定義一系列變量來(lái)表示微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸，變量的定義及天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)尺寸總結(jié)如下： 變量(binling)H表示基板的厚度，變量(binling)L0和W0分別表示(biosh)輻射切片的長(zhǎng)度和寬度，變量L1和L2分別表示同軸線(xiàn)饋電點(diǎn)在x、y方向離輻射切片中心的距離。變量Lc表示諧振頻率為1.15GHz時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射切片長(zhǎng)度值，其初始值為52.1

10、0mm，Delta表示輻射切片的微調(diào)長(zhǎng)度值，其初始值為0.0143*Lc。要想實(shí)現(xiàn)圓極化，L0=Lc+Delta,W0=Lc-Delta，饋電位置L1=L2，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4波長(zhǎng)，1.15GHz時(shí)自由空間中1/4個(gè)波長(zhǎng)約為65.22mm，用變量length表示。圓極化微帶天線(xiàn)的HFSS設(shè)計(jì)模型如下： 立體圖 俯視圖設(shè)計(jì)左旋圓極化微帶天線(xiàn)，設(shè)置同軸線(xiàn)內(nèi)芯模型Feed的底面圓心坐標(biāo)和端口面模型Port的圓心坐標(biāo)為（-L1，-L2，0)。（2）仿真結(jié)果S11掃頻分析(fnx)結(jié)果由圖得天線(xiàn)(tinxin)的諧振頻率為1.11GHz，不是1.15GHz。需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。先進(jìn)行

11、參數(shù)掃描(somio)分析a、分析中心頻率與輻射切片長(zhǎng)度Lc的變化關(guān)系，掃描分析范圍為：48mm51mm,掃描步進(jìn)為0.2mm仿真結(jié)果：由圖得到，當(dāng)Lc=50.4mm時(shí)，中心頻率在1.15GHz，回波損耗最小。查看當(dāng)Lc=50.4時(shí)，天線(xiàn)的輸入阻抗從圖得到：工作頻率為1.15GHz，輸入阻抗為（75.59，j3.58），需要輸入阻抗為50，添加L1為參數(shù)掃描變量b、分析1.15GHz諧振頻點(diǎn)處輸入阻抗與同軸線(xiàn)饋電點(diǎn)位置L1的變化關(guān)系，掃描分析范圍為：57mm,掃描步進(jìn)為0.2mm仿真(fn zhn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)(fxin)L1=6mm6.2mm時(shí)，輸入阻抗接近50。優(yōu)化設(shè)計(jì)(shj)優(yōu)化結(jié)果得到

12、：當(dāng)L0=50.38mm時(shí)，L1=6.12mm時(shí)，符合要求。查看優(yōu)化后的天線(xiàn)性能S11分析結(jié)果天線(xiàn)的中心(zhngxn)頻率上S11值為-16.45dB，S11-10dB的帶寬(di kun)為（1.1735-1.1279）/1.15=3.9%.b、VSWR分析(fnx)結(jié)果在1.15GHz處，VSWR值為1.35422,符合要求。軸比掃頻結(jié)果在最大輻射方向天線(xiàn)中心頻率1.15GHz處的軸比為0.727。xz和yz面上的左旋圓極化波（LHCP）增益和天線(xiàn)總增益方向圖從圖得出(d ch)：在-12001200范圍(fnwi)內(nèi)，天線(xiàn)(tinxin)的總增益與左旋圓極化波增益近似相等，這也表明了天線(xiàn)輻射的是左旋圓極化波。d、左旋圓極化三維增益方向圖實(shí)驗(yàn)總結(jié)在本次實(shí)驗(yàn)中，更加掌握和理解了微帶天線(xiàn)的相關(guān)基本理論，學(xué)習(xí)到了微帶天線(xiàn)圓極化工作實(shí)現(xiàn)原理，同時(shí)學(xué)習(xí)了如何用HFSS設(shè)計(jì)和分析線(xiàn)極化和圓極化微帶天線(xiàn)，感受到了HFSS強(qiáng)大的電磁仿真功能，在以后的日子要認(rèn)真學(xué)習(xí)使用HFSS，