天線CAD大作業(yè)微帶天線設(shè)計(共13頁)

1、 天線(tinxin)CAD大作業(yè) 學 院：電子(dinz)工程學院 專 業(yè)：電子(dinz)信息工程 微帶天線設(shè)計(shj)一、設(shè)計(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，線極化?？偨Y(jié)設(shè)計思路和過程，給出具體的天線結(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，學習并理解微帶天線實現(xiàn)圓極化的方法，嘗試將上述天線設(shè)計成左旋圓極化天線，并給出軸比計算結(jié)果。 二、設(shè)計步驟計算天線幾何尺寸 微帶天線的基板介電常數(shù)為= 6，厚度為h=5mm,中心頻率為f=1.15GHz,天線使

2、用50同軸線饋電，線極化，則輻射切片的寬度=69.72mm有效介電常數(shù)=5.33輻射縫隙的長度=2.20輻射切片的長度=52.10mm同軸線饋電的位置L1 =5.20 =14.63mm 三、HFSS設(shè)計（1）微帶天線建模概述(i sh) 為了方便(fngbin)建模和后續(xù)的性能分析，在設(shè)計中定義一系列變量來表示微帶天線的結(jié)構(gòu)尺寸，變量的定義及天線的結(jié)構(gòu)尺寸總結(jié)如下：微帶天線的HFSS設(shè)計(shj)模型如下： 立體圖 俯視圖 模型的中心位于坐標原點，輻射切片的長度方向沿著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)體來代替。對于饋電所用的50同軸線，這用圓柱

3、體模型來模擬。使用半徑為0.6mm、坐標為（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半徑為1.5mm的圓孔，作為信號輸入輸出端口，該端口的激勵方式設(shè)置為集總端口激勵，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，1.15GHz時自由空間中1/4個波長約為65.22mm，用變量length表示。 （2） HFSS設(shè)計環(huán)境概述求解類型：模式驅(qū)動求解。建模操作 模型原型：長方體、圓柱體、矩形面、圓面。 模型(mxng)操作：相減操作邊界條件和激勵(jl) 邊界(bin

4、ji)條件：理想導(dǎo)體邊界、輻射邊界。 端口激勵：集總端口激勵。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。數(shù)據(jù)后處理：S參數(shù)掃頻曲線、VSWR、天線方向圖、天線參數(shù)。仿真結(jié)果 由圖得天線的諧振頻率為1.11GHz，不是1.15GHz。需要進行優(yōu)化設(shè)計。先進行參數(shù)掃描分析分析中心頻率與輻射切片長度L0的變化關(guān)系，掃描分析范圍為：49mm54mm,掃描步進為0.2mm仿真結(jié)果： 發(fā)現(xiàn)當L0=50mm時，諧振(xizhn)頻率為1.15GHz。b、分析1.15GHz諧振頻點處回波損耗與同軸線饋電點位置L1的變

5、化關(guān)系，掃描(somio)分析范圍為：0mm19mm,掃描步進為1mm仿真(fn zhn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)L1=10mm時，回波損耗值最小，阻抗匹配最好。優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化結(jié)果得到：當L0=49.8mm時，L1=10mm時，符合要求。查看優(yōu)化后的天線性能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)：最大輻射方向為，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：圓極化微帶天線設(shè)計一、微帶天線實現(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。圓極化的關(guān)鍵是激勵起

6、兩個極化方式正交的線極化波，當這兩個模式的線極化波幅度相等，相位相差90度，就能得到圓極化波的輻射。矩形微帶天線獲得圓極化特性的饋電方式有兩種，一種是單點饋電，另一種是正交雙饋。當同軸線的饋電點位于輻射切片(qi pin)的對角線位置時，可以激發(fā)TM01和TM10兩個模式，這兩個模式的電場方向互相垂直。在設(shè)計中，讓輻射切片的長度L和寬帶W相等(xingdng)，這樣激發(fā)的TM01和TM10兩個模式的頻率相同，強度相等，而且兩個模式電場的相位差為0，若輻射切片的長度為Lc，我們微調(diào)諧振長度略偏離諧振，即一邊長度為Lc+a，另一邊長度為Lc-a，前者對應(yīng)一個容抗Y1=G-jB,后者對應(yīng)一個感抗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，這就滿足了圓極化條件，從而構(gòu)成(guchng)了圓極化微帶天線。其極化旋向取決于饋電點的接入位置。當饋電點在如下圖中的所示的A點時，產(chǎn)生右旋圓極化波，在B點位置時，產(chǎn)生左旋圓極化波。 Kalio和Coffey研究證明，理論上當L/W=1.029，即a=0.0143Lc，TM01和TM10兩個模式的相位差為90度。另外，由實際經(jīng)驗可得到，此結(jié)果的50歐姆饋電點位于輻射切片對角線上，且饋電點和輻射切片頂點的距離dp在（0.350.39）d之間。假設(shè)饋電點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?？偨Y(jié)設(shè)計思路和過程，給出具體的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真結(jié)果，如VSWR、方向圖等，并給出軸比計算結(jié)果。三、設(shè)計(shj)步驟（1）計算天線輻射切片(qi pin)的初始尺寸 微帶天線的基板介電常數(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輻射縫隙的長度=2.20輻射切片的長度=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的同軸線饋電位置 取0.15倍的Lc,計算得出饋電點在x、y方向離輻射切片的中心距離都為7.82mm。HFSS設(shè)計微帶天線建模概述 為了方便建模和后續(xù)的性能分析，在設(shè)計中定義一系列變量來表示微帶天線的結(jié)構(gòu)尺寸，變量的定義及天線的結(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)輻射切片的長度和寬度，變量L1和L2分別表示同軸線饋電點在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時所對應(yīng)的輻射切片長度值，其初始值為52.1

10、0mm，Delta表示輻射切片的微調(diào)長度值，其初始值為0.0143*Lc。要想實現(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，1.15GHz時自由空間中1/4個波長約為65.22mm，用變量length表示。圓極化微帶天線的HFSS設(shè)計模型如下： 立體圖 俯視圖設(shè)計左旋圓極化微帶天線，設(shè)置同軸線內(nèi)芯模型Feed的底面圓心坐標和端口面模型Port的圓心坐標為（-L1，-L2，0)。（2）仿真結(jié)果S11掃頻分析(fnx)結(jié)果由圖得天線(tinxin)的諧振頻率為1.11GHz，不是1.15GHz。需要進行優(yōu)化設(shè)計。先進行

11、參數(shù)掃描(somio)分析a、分析中心頻率與輻射切片長度Lc的變化關(guān)系，掃描分析范圍為：48mm51mm,掃描步進為0.2mm仿真結(jié)果：由圖得到，當Lc=50.4mm時，中心頻率在1.15GHz，回波損耗最小。查看當Lc=50.4時，天線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諧振頻點處輸入阻抗與同軸線饋電點位置L1的變化關(guān)系，掃描分析范圍為：57mm,掃描步進為0.2mm仿真(fn zhn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)(fxin)L1=6mm6.2mm時，輸入阻抗接近50。優(yōu)化設(shè)計(shj)優(yōu)化結(jié)果得到

12、：當L0=50.38mm時，L1=6.12mm時，符合要求。查看優(yōu)化后的天線性能S11分析結(jié)果天線的中心(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）增益和天線總增益方向圖從圖得出(d ch)：在-12001200范圍(fnwi)內(nèi)，天線(tinxin)的總增益與左旋圓極化波增益近似相等，這也表明了天線輻射的是左旋圓極化波。d、左旋圓極化三維增益方向圖實驗總結(jié)在本次實驗中，更加掌握和理解了微帶天線的相關(guān)基本理論，學習到了微帶天線圓極化工作實現(xiàn)原理，同時學習了如何用HFSS設(shè)計和分析線極化和圓極化微帶天線，感受到了HFSS強大的電磁仿真功能，在以后的日子要認真學習使用HFSS，