HFSS的天线课程设计.doc

实验目
●运用电磁软件Ansoft HFSS设计一款微带天线。
◆微带天线规定：，带宽 (回波损耗S11<-10dB)不不大于5%。
●在仿真实验协助下对各种微波元件有个详细形象理解。
实验原理
1、微带天线简介
微带天线概念一方面是由Deschamps于1953年提出来，通过左右发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造出了实际微带天线。微带天线由于具备质量轻、体积小、易于制造等长处，现今已经广泛应用于个人无线通信中。
图1：微带天线构造
图1是一种简朴微带贴片天线构造，由辐射源、介质层和参照地三某些构成。与天线性能有关参数涉及辐射源长度L、辐射源宽度W、介质层厚度h、介质相对介电常数和损耗正切、介质层长度LG和宽度WG。图1所示微带贴片天线是采用微带天线来馈电，本次将要设计矩形微带贴片天线采用是同轴线馈电，也就是将同轴线街头内心线穿过参照地和介质层与辐射源相连接。
对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传播线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有变化，而在宽度W方向上保持不变，如图2（a）所示，在长度L方向上可以看做成有两个终端开路缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向边沿处由于终端开路，因此电压值最大电流值最小。从图2（b）可以看出，微带线边沿电场可以分解成垂直于参照地分量和平行于参照地分量两某些，两个边沿垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因而，远区辐射电场垂直分量互相抵消，辐射电场平行于天线表面。
（a）俯视图 （b）侧视图
图2 矩形微带贴片天线俯视图和侧视图
2、天线几何构造参数推导计算公式
假设矩形贴片有效长度设为，则有
（1-1）
式中，表达波导波长，有
（1-2）
式中，表达自由空间波长，表达有效介电常数，且
（1-3）
式中，表达介质相对介电常数，h表达介质层厚度，W表达微带贴片宽度。由此，可计算出矩形贴片实际长度L，有
（1-4）
式中，表达真空中光速，表达天线工作频率，表达图2（a）中所示等效辐射缝隙长度，且有
（1-5）
矩形贴片宽度W可以由下式计算：
（1-6）
对于同轴线馈电微带贴片天线，在拟定了贴片长度L和宽度W之后，还需要拟定同轴线馈点位置，馈点位置会影响天线输入阻抗，在微波应用中普通是使用50原则阻抗，因而炫耀拟定馈点位置是天线输入阻抗等于50。对于图3所示同轴线馈电微带贴片天线，坐标原点位于贴片中心，以（）表达馈点位置坐标。
图3 同轴线馈电微带天线
对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因而理论上W方向上任一点都可以作为馈点，为了避免激发TM1n模式，在W方向上馈点位置普通取在中心点，即
（1-7）
在L方向上电场有变化，因而在长度L方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50馈点位置可由下式计算：
（1-8）
式中，
（1-9）
上述分析都是基于参照地平面是无限大基本上，然而实际设计中，参照地都是有限面积，理论分析证明了当参照地平面比微带贴片大出距离时。计算成果就可以达到足够精确，因而设计中参照地长度和宽度只需满足如下两式即可，即
（1-10）
（1-11）
实验环节
1、设计指标和天线几何构造参数计算
，选用介质板材为Rogers RO4003，其相对介电常数，厚度=5mm，天线使用同轴线馈电。依照上面推导公式来计算微带天线几何尺寸，涉及贴片长度L和宽度W、同轴线馈点位置坐标（），以及参照地长度和宽度。
(1)、矩形贴片宽度W
把代入式（1-6），可以计算出微带天线矩形贴片宽度，即
(2)、有效介电常数
把代入式（1-3），可以计算出有效介电常数，即
(3)、辐射缝隙长度
把代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射缝隙长度，即
(4)、矩形贴片长度L
把代入式（1-4），可以计算出微带天线矩形贴片长度，即
(5)、参照地长度和宽度
把分别代入式（1-10）和（1-11），可以计算出微带天线参照地长度和宽度，即

(6)、同轴线馈点位置坐标（）
把分别代入式（1-7）、式（1-8）和式（1-9），可以计算出微带天线同轴线馈点位置坐标（），即

2、HFSS设计和建模概述
(1)、建模概述
本设计天线是使用同轴线馈电微带构造，HFSS工程可以选取模式驱动求解类型。在HFSS中如果需要计算远区辐射场，必要设立辐射边界表面或者PML边界表面，这里使用辐射边界条件，为了保证