微帶貼片天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

微波技術(shù)與天線實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名張思洋學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)日期4.11實(shí)驗(yàn)名稱微帶貼片天線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉并掌握HFSS設(shè)計(jì)微帶天線的操作步驟及工作流程。2、掌握ISM頻段微帶貼片天線的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用HFSS進(jìn)行微帶貼片天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)立設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行求解設(shè)置，設(shè)置求解頻率為2.45GHz，同時(shí)添加1.5-3.5GHz的掃頻設(shè)置，分析天線在1.5-3.5GHz頻段內(nèi)的電壓駐波比，并運(yùn)行仿真計(jì)算。將諧振頻率落在2.45GHz頻點(diǎn)上。最后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)后處理。實(shí)驗(yàn)原理微帶天線是當(dāng)今無線通信領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種天線，具有質(zhì)量輕、體積小、易于制造等特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)的ISM頻段微帶貼片天線是工作在2.45GHz，采用同軸線饋電的一種簡單的微帶天線。微帶天線的根本參數(shù)：工作頻率2.45GHz，介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)3.38，介質(zhì)層厚度5mm，矩形貼片寬度41.4mm，輻射縫隙長度2.34mm,矩形貼片長度31mm，參考地長寬為61.8mm*71.4mm，同軸線饋點(diǎn)坐標(biāo)〔9.5，0〕。要求設(shè)計(jì)的天線最大增益大于7dB。前后比大于5dB。實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果新建HFSS工程新建一個(gè)名為MSAntenna.hfss的工程文件。將求解類型設(shè)置為DrivenModel創(chuàng)立微帶天線模型將模型的默認(rèn)長度設(shè)置為毫米mm創(chuàng)立參考地在Z=0的XOY面上創(chuàng)立一個(gè)頂點(diǎn)位于〔-45mm,-45mm〕,大小為90mm*90mm的矩形面作為參考面，并把它命名為GND,并為其分配理想導(dǎo)體邊界條件。然后將此邊界命名為PerfE_GND創(chuàng)立介質(zhì)板層創(chuàng)立一個(gè)80mm*80mm*5mm的長方體作為介質(zhì)板層，介質(zhì)板層位于參考地面上，頂點(diǎn)坐標(biāo)為〔-40，-40，0〕，介質(zhì)的材料為R04003。創(chuàng)立微帶貼片在z=5的XOY面上創(chuàng)立一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為〔-15.5mm，-20.7mm，5mm〕，大小為31.0mm*41.4mm的矩形面作為微帶貼片，命名為Patch，并為其分配理想導(dǎo)體邊界條件。并將此邊界條件命名為Perf_Patch。創(chuàng)立同軸饋線的內(nèi)芯創(chuàng)立一個(gè)圓柱體作為同軸饋線額內(nèi)芯，圓柱體的半徑為0.5mm，長度為5mm，圓柱體底部圓心坐標(biāo)為〔9.5mm，0，0〕，材料為理想導(dǎo)體，同軸饋線命名為Feed。創(chuàng)立信號(hào)傳輸端口面在參考面GND上開一個(gè)圓孔以便能量可以從同軸線傳輸。圓孔的半徑為1.5mm，圓心坐標(biāo)為〔9.5mm，0，0〕，名字為Port。創(chuàng)立一個(gè)長方體，頂點(diǎn)坐標(biāo)為〔-80，-80，-35〕，大小為160mm*160mm*75mm，長方體模擬自由空間，因此材質(zhì)為真空，長方體命名為Air。并設(shè)置其四周外表為輻射邊界條件。設(shè)置鼓勵(lì)端口將同軸線信號(hào)端口面的鼓勵(lì)方式設(shè)置為集總端口鼓勵(lì)。四、添加和使用變量添加設(shè)計(jì)變量Length，初始值為31.0mm，用來表示微帶貼片的長度；添加設(shè)計(jì)變量Width，初始值為41.4mm，用來表示微帶貼片的寬度；添加設(shè)計(jì)變量Xf,初始值為9.5mm，用來表示同軸線的圓心點(diǎn)的X軸坐標(biāo)。在模型中使用變量使用變量Length和Width表示微帶貼片Patch的長度和寬度，并設(shè)置微帶貼片的起點(diǎn)坐標(biāo)為〔-Length/2，-Width，5mm〕。使用變量Xf代替同軸饋線Feed的底部圓心和集總端口Port的圓心在x方向的坐標(biāo)。五、求解設(shè)置掃頻設(shè)置為1.5-3.5Ghz，選擇Fast掃頻類型六、設(shè)置完成后進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，無誤后進(jìn)行下一步。七、查看天線的諧振點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)Length的掃描分析：添加掃描變量為length，掃描方式設(shè)置為LinearStep，開始，結(jié)束和步長設(shè)置為28mm，31mm，0.5mm，設(shè)置完成后從result查看結(jié)果。從圖中可以看出Length=29.5mm時(shí)，諧振頻點(diǎn)約為2.45GHz。3.Width的掃描分析，將變量設(shè)置為Width，開始，結(jié)束，步長分別設(shè)置為39mm，42mm，0.5mm。從圖中可以看出當(dāng)貼片長度不變時(shí)，寬度的改變對(duì)天線諧振點(diǎn)的影響很小。優(yōu)化設(shè)計(jì)：因?yàn)閺纳厦娴脑O(shè)計(jì)可以得出長度對(duì)S11的影響比擬大，所以優(yōu)化時(shí)只對(duì)長度進(jìn)行優(yōu)化添加優(yōu)化設(shè)置將長度的優(yōu)化范圍設(shè)置為29-30mm設(shè)計(jì)優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化分析查看優(yōu)化后的結(jié)果從圖中可以看出，軟件做了22次迭代計(jì)算，其中第8次迭代計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)數(shù)值最小，對(duì)應(yīng)的length長度為=29.5mm。查看優(yōu)化后的天線性能從圖可以看出，當(dāng)length為29.5，Width為41.4mm時(shí)，天線的諧振點(diǎn)在2.45GHz，此時(shí)S11=-16.63dB。查看S11參數(shù)的史密斯圓圖在2.45GHz時(shí)，天線的歸一化輸入阻抗為〔0.83-0.25i〕Ω產(chǎn)看電壓駐波比查看天線的三維增益方向圖從圖中可以看出最大輻射方向?yàn)閦方向，最大增益為7.42dB。查看平面方向圖此圖為E面的切面圖，可以看出有三個(gè)旁瓣。其他天線參數(shù)從圖中可以看出最大電壓值為0.43，前后比為84.134和一些其他參數(shù)的值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及總結(jié)從本次實(shí)驗(yàn)中，我們得知微帶貼片的長度對(duì)于天線的諧振點(diǎn)有很大的影響，而微帶貼片的寬度對(duì)天線的諧振點(diǎn)沒什么太大的影響。優(yōu)化后的天線可以使諧振點(diǎn)落在2.45GHz，但是輸入阻抗并沒有到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的50Ω，可以通過使用參數(shù)掃描分析功能分析變量Xf的變化對(duì)輸入