微带天线仿真设计
——三角形贴片天线
一、设计目的与要求：
1.理解和掌握微带天线的设计原理
2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置。
3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型。
4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图。
5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响。
二、设计原理：
微带贴片天线简介：
微带贴片天线（MPA）是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。实际上，能计算其辐射特性的贴片图形是有限的。大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带天线或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50 传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可由适当选择馈电的位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h 方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
矩形贴片天线示意图
三、三角形贴片天线仿真步骤：
1、建立新的工程
运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。
2、设置求解类型
（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
（2）在弹出的Solution Type窗口中
（a）选择Driven Modal。
（b）点击OK按钮。
3. 设置模型单位
将创建模型中的单位设置为毫米。
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。
（2）设置模型单位：
（a）在设置单位窗口中选择：mm。
（b）点击OK按钮。
4、创建微带天线模型：
（1）创建地板GroundPlane。坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0。
（2）为GroundPlane设置理想金属边界。在3D模型窗口中将3D 模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。
（3）建立介质基片。在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮，创建长方体模型。起始点位置坐标：X: -22.5，Y：-22.5，Z：0。输入各坐标时，可用Tab键来切换。输入长方体X、Y、Z三个
方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5。将材料设置为Rogers R04003。
（4）建立贴片Patch。此处直接建立三角形的贴片：在菜单中选择draw 再选择line然后分别输入X:0，Y:-16，Z:5，按确定键然后输入X:-16，Y:16，Z:5，按确定键输入X:16,Y:16,Z:5确定后再输入X:0，Y:-16，Z:5确定后便建立了一个等腰三角形贴片。
（5）为Patch设置理想金属边界。
（8）创建探针Pin。在菜单栏中点击Draw>Cylinder。在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度：dX：0，dY：0，dZ：5。将材料设置为pec。
（9）创建端口面Port。在菜单键中点击Draw>Circle。在坐标输入栏中输入圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0按回车键。在坐标输入栏输入半径：dX：0，dY：1.5，dZ：0
（10）用GroundPlane 将Port减去。
5.创建辐射边界
创建Air，在菜单栏中点击Draw>Box,创建长方体模型。在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X：-80，Y：-80，Z：-35；按回车键结束输入。输入长方体的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将长方体的名字修改为Air。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name 。在对话框中选择Air，点击OK确认。在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation。在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK按钮。
6．设置端口激励
在菜单栏中点击Edit>Select>By Name，选中Port，在菜单栏中点击HFSS>Excitation>Assign>Lumped Port。在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1，点击Next。在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0。按回车键，点击Next按钮直至结束。
7．求解设置
为该问题设置求解频率及扫频范围
（a）设置求解频率。在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup。在求解设置窗口中做以下设置：Solution
Frequency ：2.45GHz ；Maximun Number of Passes ：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。
（b ）设置扫频。在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Sweep 。选择Setup1，点击OK 确认。在扫频窗口中做以下设置：Sweep Type ：Fast ；Frequency Setup Type ：Linear Count ；Start :2.0GHz ；Stop ：3.0GHz ；Count ：400；将Save Field 复选框选中。
8.设置无限大球面
在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere 。在Infinite Sphere 标签中做以下设置：Phi ：Start ：0 deg ，Stop ：180deg ，Step ：90 deg ；Theta ：Start ：0 deg ，Stop ：360 deg ，Step ：10 deg 。
9.确认设计
方法一：由主菜单选HFSS/Validation Check 对设计进行确认。 方法二：在菜单栏直接点即可。
10.保存工程
在菜单栏中点击File>Save As,在弹出的窗口中将工程命名为hfss_Patch,并选择保存路径。
11.求解该工程
在菜单栏点击HFSS>Analyze 。
12．后期处理操作
（1）S 参数（反射系数）。
绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是11s 。 点击菜单栏HFSS>Result>Create Report 。选择：Report Type ：Modal S Parameters ；Display Type ：Rectangle 。Trace 窗口：Solution ：Setup1:Sweep1； Domain ：Sweep 点击Y 标签，选择：Category ：S parameter ；Quantity ：S （p1，p1）；Function ：dB ，然后点击Add Trace 按钮。点击Done 按钮完成操作，绘制出反射系数曲线。
（2）2D 辐射远场方向图。
在菜单栏点击HFSS>Result >Create Report 。选择：Report Type ：Far Fields ；Display Type ：Radiation Pattern 。Trace 窗口：Solution ：Setup1：LastAdptive ；Geometry ：ff_2d 。在Sweep 标签中，在Name 这一列中点击第一个变量Phi ，在下拉菜单中选择The 。点击Mag 标签，选择：Category ：Gain ；Quantity ：GainTotal ；
Function：dB,点击Add Trace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。
13.保存并退出HFSS。
四、实验结果及其截图：
1、建模完成：
2、确认设计，通过Validation Check：
3、此时三角形贴片的S参数曲线：
\ 可见工作频率在2.6GHZ附近且S11只有-8db不达标
经过分析知道，工作频率与贴片面积相关，面积越大工作频率越低；而S11与馈电点位置有关，于是分两步调整：
第一步：先调整工作频率使其在 2.45GHz，经过摸索最终发现将三角形三点坐标改为（0,-17.8,5）、（-17.8,17.8，5）、(17.8,17.8,5)时，工作频率接近2.45GHz附近，图形如下：
第二步：接着修改馈电点的位置：将pin和port的坐标均修改为
（X：0，Y：10.15，Z：0）的位置就达到了要求。
此时增益曲线如下：
可见工作频率在2.45GHz，且S11接近-40db，说明参数调整很合适。此时2D远场方向图：
可见微带天线的波瓣较宽，方向系数较低
3d远场图
史密斯圆图
可见天线阻抗圆与纯电阻线有两个交点，能实现阻抗匹配
阻抗曲线图
五、课设总结和感想：
经过此次课程设计，让我进一步了解了微带天线的结构与性能。另外根据指导书上详细的的指导我又熟悉了hfss软件的使用，并在这个过程中总结了几条心得：
1、调整馈电点时pin和port的位置要同步调整
2、需要什么形状的贴片时可以直接用划线的方式直接画出所需的形状，不必要用矩形再去截取，这样会方便很多。
另外，本次设计也存在诸多不足，最主要的还是相关知识有限不能很好的了解天线的工作原理，当然这次课程设计收获也是挺大的。
参考文献：微波技术与天线（第二版）刘学观著
本科课程设计报告
课程名称：微波技术与天线
课设项目：三角形贴片天线设计
实验地点：跨越机房
专业班级：电子信息1001 学号： 2010001207 学生姓名：吴清涛
指导教师：刘建霞
2013年 06月 24日
微波技术与天线课程设计—— 角锥喇叭天线 ：吴爽 学号：1206030201
目录 一．角锥喇叭天线基础知识 (3) 1. 口径场 (3) 2. 辐射场 (4) 3.最佳角锥喇叭 (7) 4. 最佳角锥喇叭远场E 面和H面的主瓣宽度 (7) 二．角锥喇叭设计实例 (7) 1. 工作频率 (8) 2.选用作为激励喇叭的波导 (8) 3.确定喇叭的最佳尺寸 (8) 4.喇叭与波导的尺寸配合 (9) 5.天线的增益 (10) 6.方向图 (10)
一．角锥喇叭天线基础知识 角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定角开而形成的，如下图所示。矩形波导尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为D H×D E，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R ，H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R H。 1. 口径场 角锥喇叭的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭在x和y两个方向随喇叭的长度方向均是渐变而逐渐扩展的，因而要在一个正交坐标系下求得角锥喇叭的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿x和y两个方向均为平方律变化。
按此假设，可写出角锥喇叭的口径场为： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H -==+-)2(022)cos( （1.1） 如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设的口径场分析模型的正确性。 2. 辐射场 由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接给出结果。 ])cos 1([cos 2])cos 1([sin 200H E r j H E r j I I r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （2.1） 其中：
实验七微带贴片天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个微带贴片天线 2..查看并分析该微带贴片天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示： 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 四、实验内容 利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。 五、实验步骤 1.建立新工程 了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。 2.将求解类型设置为激励求解类型： （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。
. . . . . 图1：微带天线的结构 一、 实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz ，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。 ●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、 实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L 、辐射源的 宽度W 、介质层的厚度h 、介质 的相对介电常数r ε和损耗正切 δtan 、 介质层的长度LG 和宽度WG 。图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的心线穿过参考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输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有2/g λ的改变，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的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的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；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
PBG结构的微带贴片天线设计 由于微带贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、易加工、共形等优点，所以在军事和民用方面都有着广泛的应用前景。众所周知，集成电路的基底是一些高介电常数材料，而微带贴片天线在低介电常数基底上才能获得最佳性能。位于高介电常数基底的贴片天线由于表面波的损耗辐射效率很低，并且频率带宽极窄，当应用的频率变高时这种情况更加突出，导致贴片天线的增益和效率下降，并且在阵列情况下还会有高的交叉极化电平和互耦电平。 为了实现微带贴片天线的集成化，同时避免昂贵的基底混合技术，就必须在高介电常数基底上实现高效率的贴片天线。近年来出现的新型光子晶体贴片天线能够较好地改善以高介电常数介质为基底的贴片天线的性能。光子晶体贴片天线是指基于光子晶体的贴片天线。所谓光子晶体，或称PBG材料，是指将高介电常数的介质周期性的放置所产生的一种人工电磁晶体，该电磁晶体的表面波波矢图在某一频率范围内出现一个频率禁带，简称禁带。通过在贴片天线中人为的引入光子晶体结构，并利用光子晶体的禁带效应，抑制沿基底传播的表面波，增加天线辐射到空间的电磁波，从而改善天线的性能。 本文所采用的高阻抗表面型PBG结构具有结构紧凑、带隙性能好、可以集成等优点，在天线的设计中得到了广泛的应用。 1 PBG天线设计 本文设计的矩形贴片天线，是中心频率为10 GHz的矩形微带天线(辐射元为矩形)，馈电方式选为中心侧馈。采用ROGER3010材料做为基板，厚度h=1．28 mm，相对介电常数=10．2。矩形贴片的尺寸为L×W。贴片单元的尺寸由经验公式计算可以得出： 利用ADS自带的计算传输线的软件LineCalc来计算传输线的宽度ω=0．162 mm。PBG材料的设计首先利用等效媒质模型得到初始的参数，更准确的参数则通过全波数值仿真获得。由于高阻抗表面PBG结构的周期大小远小于工作波长，适合用集总电路元件(电容、电感)组成的等效LC并联谐振电路来描述其电磁特性。像电路滤波器一样阻止沿表面传输的电流。如前所述，蘑菇型高阻抗表面相邻贴片间的电容效应(介质基片既起着支撑作用，又达到增强电容的效果)，与金属过孔的等效电感组成集中参数的并联谐振电路。这里有高阻面的设计公式： 式中：εr是介质的介电常数；t是高阻面的高度；g是周期间距；ω是单元边长；a为周期。最后得到的设计结果是，ω=1．73 mm，g=0．22 mm()。 2 建模与仿真 根据设计的PBG天线的结构，在HFSS中建模并仿真。模型图 仿真得到的反射系数图。 可以看到回波损耗小于-10 dB的带宽约为600 MHz，参考天线谐振频率为9．96 GHz，PBG 微带天线谐振频率为10．05 GHz。PBG天线的谐振频率比参考天线略高，这是因为二者之间的耦合造成的。二者在9．99 GHz具有相同的反射系数-21．28 dB，在这个频率上仿真得到其方向图。可以看到PBG结构使方向性有所增强，天线的增益大约提高0．53 dB。PBG贴片
实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< .. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。 （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名 输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。 太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师 专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… …… 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航 08通信 陆静晔0828401034 微带天线设计 一、实验目的： ● 利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线 ? 微带天线的要求：工作频率为2.5GHz ，带宽（S11<-10dB ）大于5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理： 微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1-1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L 、辐射源的宽度W 、介质层的厚度h 、介质的相 对介电常数εr 和损耗正切tan δ、介质层的长度LG 和宽度WG 。图1-1 所示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层 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输线模型来分析其性能。矩形贴片微带天线的工作主模式是TM 10模，意味着电场在长度L 方向上有λg /2的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图1-2（a ）所示，在长度L 方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图1-2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等、方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 图1-1 课程设计 课程名称：微波技术与天线微带天线设计（不同切角）课设题目： 博学馆机房实验地点： 电信1201班专业班级： 2012001422 学号： 学生姓名： 指导教师：李鸿鹰 日月年2015 7 4 课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸 指导教师签名日期：2015-6-10 ： 一、设计题目： 微带天线仿真设计（不同切角贴片设计） 二、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计，基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上设计一个矩形贴片天线，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 三、设计原理： 矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为5.6GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 矩形贴片天线示意图 四、贴片天线仿真步骤 1、建立新的工程 运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 （a）选择Driven Modal。 （b）点击OK按钮。 3. 设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （2）设置模型单位： （a）在设置单位窗口中选择：mm。 （b）点击OK按钮。 4、创建微带天线模型 （1）创建地板GroundPlane。在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。在坐标输入栏中输：dZ，90：dY，90：dX按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：0：Z，-45：Y，-45：X入起始点的坐标： 0按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为GroundPlane。（2）为GroundPlane设置理想金属边界。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。在对话框中 基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示: 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File?save as,输入Antenna,点击保存。 （2）.设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm,点击OK （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options, 勾选” Edit properties of new pri ” ,点击OK 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz: (2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec , 课程设计报告 课设名称：微波技术与天线课设题目：微带天线仿真设计课设地点：跨越机房 专业班级：学号： 学生姓名： 指导教师： 2012年 6 月 23 日 一、设计要求： 矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 矩形贴片天线示意图 二、设计目的： 1.理解和掌握微带天线的设计原理 2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置 3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型 4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图 5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响 三、实验原理： 用传输线模分析法介绍它的辐射原理。。 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈ 烟台大学 毕业论文（设计） 基于HFSS的微带天线设计 Microstrip antenna design based on HFSS 申请学位：工学学士学位 院系：光电科学技术与信息学院 烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：光电信息科学技术学院 [摘要]天线作为无线收发系统的一部分，其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。近年来内置天线在移动终端数量日益庞大的同时功能也日益强大，对天线的网络覆盖及小型化也有了更高的要求。由于不同的通信网络间的频段差异较大，所以怎样使天线能够覆盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计内置天线的主要问题。微带天线具有体积小，重量轻，剖面薄，易于加工等诸多优点，得到广泛的研究与应用。微带天线的带宽通常小于3％，在无线通信技术中，对天线的带宽有了更高的要求；而电路集成度提高，系统对天线的体积有了更高的要求。 随着技术的进步，在不同领域对于天线的各个要求越来越高，所以对微带天线的尺寸与性能的分析有着重要的作用。对此，本文使用HFSS 软件研究了微带天线的设计方法，论文介绍及分析了天线的基本概念和相关性能参数，重点对微带天线进行了研究。 本文介绍了微带天线的分析方法，并使用HFSS 软件的天线仿真功能，对简单的微带天线进行了仿真和分析。 [关键词] 微带天线设计分析HFSS [Abstract]Antenna as part of the wireless transceiver system, its performance important impact on the overall performance of a system. Internal antenna in recent years an increasingly large number of mobile terminals while also increasingly powerful, and also network coverage and miniaturization of the antenna Band differences between the different communication networks, cover band and also problem of the design built-in antenna. Microstrip antenna with small size, light weight, thin profile, easy to process many advantages, extensive research and application. Microstrip antenna bandwidth is typically less than 3% the bandwidth of the antenna in wireless communication technology; improve the integration of the circuit the size of the antenna. As technology advances in different areas for various requirements of the antenna important role. Article uses HFSS microstrip antenna design, the paper introduces and analyzes the basic concepts and performance parameters of the antenna, with emphasis on the microstrip antenna. This article describes the analysis of the microstrip antenna and antenna simulation in HFSS simulation and analysis functions, simple microstrip antenna. [Key Words]Microstrip antenna design analysis HFSS J I A N G S U U N I V E R S I T Y 通信系统天线综合课程设计 学院名称： 专业班级： 学生： 学生学号： 一、课程设计目的 通过综合课程设计，在学习EDA仿真软 件HFSS使用方法的基础上，掌握常见通信系 统天线的仿真设计方法。 二、课程设计容： 以“通信系统天线”课程课件“Ch4.1 偶 极和单极天线”、“Ch4.2 常用振子天线和馈 电技术”、“Ch5 宽带天线_c”、“Ch6 移动系 统常用天线_c”为参考资料，分别仿真偶极 子天线、UHF probe 振子天线、共面波导馈 电领结天线和同轴馈电贴片天线，并对天线 进行分析。 三、设计步骤及仿真结果 天线设计实例1：偶极子天线 1）设计步骤 打开HFSS并保存一个新项目 打开File选项(alt+F),单击Save as。输入 项目名hfss_dipole。 一.Step1 创建模型 1、创建振子1 （1）选择cylinder图标 （2）输入参数： 切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置圆柱体的基坐标为(x=0 mm,y=0 mm,z=1.25mm); 按下Enter 键后输入半径和长度：dx =2.5mm, dy=0 mm, dz=73.75mm 。 （3）设置振子1的名称和材料 在对象列表中双击cylinder1， 弹出如下属性窗口。 设置名称：将Name改为“pole1”。 设置材料：单击Material的Value，在如下对话框中输入“pec”并确定。 2、创建振子2 （1）选择cylinder图标 （2）输入参数： 切换到参数设置区，设置圆柱体的基坐标为(x=0 mm,y=0 mm,z=-1.25mm); 按下Enter 键后输入半径和长度：dx =2.5mm, dy=0 mm, dz=-73.75mm 。注意此时坐标的选取。 （3）设置名称和材料 设置名称为“pole2”，材料同为“pec”。设置完毕，如下图所示。 一、实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为，带宽( 回波损耗 S11<-10dB)大于 5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由 Deschamps于 1953 年提出来的，经过 20 年左右的发展， Munson和 Howell 于 20 世纪 70 年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L、辐射源的 宽度 W、介质层的厚度 h、介质 的相对介电常数r和损耗正切 tan、介质层的长度LG和宽度 WG。图 1 所示的微带贴片天线是图 1：微带天线的结构 采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈 电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考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输线模型来分析其性能， 形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有 g / 2 矩 的 改变，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 成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图 2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成 垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小 相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分 量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。 燕山大学 课程设计说明书 题目: 基于ADS的矩形微带贴片天线的设计 学院（系）：理学院 年级专业：电子信息科学与技术13 学号： 学生姓名：张凤麒任春宇 指导教师：徐天赋 教师职称：副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：理学院基层教学单位：电子信息科学与技术13 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年月日燕山大学课程设计评审意见表 基于ADS的矩形微带贴片天线设计 The Design of Rectangular microstrip patch antenna with ADS 摘要：本文研究了通信系统中的矩形微带贴片天线。首先介绍了矩形微带贴片的背景及微带馈电的设计考虑。使用了安捷伦辅助仿真工具ADS对2GHz矩形微带贴片天线结构及相应的参数进行了设置仿真及优化，尽可能达到其相应的技术指标。 Abstract：This paper studies the rectangular microstrip patch antenna in communication system. Firstly, the background of rectangular microstrip patch and the design considerations of microstrip feed are introduced. The microstrip patch antenna structure and corresponding parameters of 2GHz rectangular microstrip patch antenna are simulated and optimized by ADS, and the corresponding technical index is reached as far as possible. 关键词：矩形微带贴片天线 ADS 设计 Keyword：Rectangular microstrip patch antenna ADS design 一.矩形微带贴片天线的背景 微带贴片天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究。本文选用矩形贴片来研究微带天线。 天线CAD大作业 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程 微带天线设计 一、设计要求： （1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。微波基板介电常数为r ε = 6，厚度H ≤5mm ，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。 （2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。 二、设计步骤 计算天线几何尺寸 微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为 h=5mm,中心频率为 f=1.15GHz,s m /103c 8?=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则 （1）辐射切片的宽度2 1 )2 1(2-+=r f c w ε=69.72mm （2）有效介电常数2 1)12 1(2 1 2 1 r e - +-+ += w h r εεε=5.33 （3）辐射缝隙的长度) 8.0/)(258.0() 264.0/)(3.0(h 412.0+-++=?h w e h w e L εε=2.20 （4）辐射切片的长度L e f c L ?-=22ε=52.10mm （5）同轴线馈电的位置L1 21 )121(21 2 1)(re - +-++= L h r r L εεξ=5.20 )1 1(21re L L ξ-= =14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述 为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下： 微带天线的HFSS设计模型如下： 立体图俯视图 模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。 （2） HFSS设计环境概述 ＊求解类型：模式驱动求解。 ＊建模操作 ①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。 ②模型操作：相减操作 ＊边界条件和激励 ①边界条件：理想导体边界、辐射边界。 ②端口激励：集总端口激励。 ＊求解设置： 课程设计 课程名称：微波技术与天线 课设题目：微带天线设计（不同切角） 实验地点：博学馆机房 专业班级：电信1201班 学号：2012001422 学生姓名： 指导教师：李鸿鹰 2015 年7 月 4 日 课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸的顺序进 行装订上交（大张图纸不必装订） 指导教师签名： 日期：2015-6-10 专业班级 电信1201 学生姓名 课程名称 微波技术与天线 课程设计 设计名称 微带天线设计 设计周数 1.5周 指导教师 李鸿鹰 设计 任务 主要 设计 参数 1 熟悉HFSS 仿真平台的使用 2 熟悉微带天线的工作原理与设计方法 3 在HFSS 平台上完成如下微带天线的仿真设计 设计要求如下： 频率：5.6GHz 介质：FR4 4 结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨 5 在1.5周内完成设计任务 设计内容 设计要求 6.11：分组、任务分配、任务理解 6.12：查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案设计。 6.15~6.18：熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。 6.19：同组同学结果汇总及讨论 6. 22：设计说明书的撰写 在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。 主要参考 资 料 刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2012 顾继慧，微波技术，科学出版社，2007 李明洋，HFSS 应用设计详解，人民邮电出版社，2010 学生提交 归档文件 1.设计报告 2.工程文件 用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真 单位（院、系）：信息工程学院 学科专业: 电子与通信工程 学号：416114410159 姓名：曾永安 时间：2011.4.25 矩形微带天线的设计与仿真 学科专业：电子与通信工程学号：416114410159 姓名：曾永安指导老师：吴毅强 摘要：本文介绍了一种谢振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。通过HFSS V10软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：HFSS，微带线，天线 Design and Simulation of Rectangular Microstrip Antenna Abstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50Ω and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up a nd simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well. Key words:HFSS,Microstrip,Antenna 1.引言 微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20多年的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。微带天线结构简单,体积小,能与载体共形, 能和有源器件、电路等集成为统一的整体,已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm；天线使用同轴线馈电。 2.微带贴片天线理论分析 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W、介质层的厚度h、介质的相对介电常数 r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。 图1 微带天线的结构基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
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