射频课设设计指导材料

课程设计专业班级：学号：学生姓名：指导教师：2015年设计题目：圆极化微带天线仿真设计(样稿仅供参考)一、设计目的：设计一种谐振频率为2.45GHz 的圆极化贴片天线，利用Ansoft 公司的HFSS13.0对其进行建模并对其进行仿真分析天线的远区辐射场特性并进行一系列优化。

进一步理解微带天线的特性与应用，掌握基本的天线设计与仿真操作。

二、 设计原理：1. 微带天线的定义微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而行成的天线。

它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。

因此它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。

它最早是由德尚（G.A.Dcschamps ）教授在1953年提出的。

2. 微带贴片天线的工作原理微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面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。

其中矩形微带贴片天线的分析方法比较成熟，适合初学者学习。

天线要解决的两个重要问题是阻抗特性和方向特性。

前者要解决天线与馈线的匹配问题；后者要解决定向辐射或定向接收问题，也就是要解决提高发射功率或接收机灵敏度的问题。

而不论是阻抗特性还是方向特性都必须首先求出天线在远区的电磁场分布，为此要求解满足天线边界条件的麦克斯韦方程组。

对于这样一个电磁场的边值问题，严格的数学求解是很困难的。

因此，经常采用工程近似的方法进行研究，即用某种初始场的近似分布代替真实的准确分布来计算辐射场。

下面介绍微带天线的辐射机理。

微带天线的辐射可以用图2.1（a ）所示的简单情况来说明。

假定介质基片厚度0h λ<<，可以认为电场沿微带结构的宽度W 与厚度h 方向没有变化，则贴片天线的电场结构可由图2.1（b ）表示，电场仅沿约为半波长的贴片长度L 方向变化。

辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的。

在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长近似为/2e λ，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上相互抵消。

平行于地板的切向分量同相，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向上辐射场最强。

所以，贴片可以表示为相距/2e λ、同相激励的两个缝隙，如图2.1(c)所示。

图2.2给出了矩形微带天线H 面和E 面辐射方向图，由于接地板的存在天线主要向上半空间辐射。

图2.1 矩形微带天线图2.2 矩形微带天线方向图选择天线的工作频率c f 和介质基板后，根据施奈德经验公式（2.1），（2.2），（2.3），（2.4）可以计算出天线的长和宽。

实验范例选择中心频率为 2.45GHz 设计天线。

具体过程如下：选择适当厚度的介质基片。

本实验选择介电常数为3.55厚度h 为1.5mm 的介质片。

介质基片参数r ε、tan δ和h 选定之后，由式（2.1）计算贴片矩形贴片天线的宽度W 。

121w 22r c c f -ε+⎛⎫= ⎪⎝⎭ (2.1) 对于工作于TM 01模的矩形微带贴片天线长度近似为λg /2，而介质内波长λg =λ0c ε为介质基片的有效介电常数，考虑到边缘效应，c ε 用施奈德等效介电常数e ε代替，用式（2.2）得到e ε。

()()121110122r r e h w εεε-+-⎛⎫=++ ⎪⎝⎭ （2.2） 矩形微带贴片天线的长度L 在理论上近似为λg /2，但实际上由于边缘场的影响，在确定L 的尺寸时应从λg /2中减去2ΔL 。

ΔL 的值由式（2.3）计算()()()()0.3/0.2640.4120.258/0.8ee w h L h w h εε++∆=-+ （2.3） 于是2L L =∆ （2.4）3. 圆极化微带天线的基本知识圆极化微带天线包括两种形式：谐振微带贴片与行波微带线型天线。

谐振贴片辐射圆极化波的基本原理是：产生两个相互垂直的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。

实现方法分为三类：单馈法，多馈法和多元法。

本次采用单馈法进行设计。

单馈法的产生机理是基于空腔模型理论，利用兼并分离单元产生的两个简并分析模工作。

设计关键为确定几何微扰，即选择简并模分离单元的位置和大小，以及恰当的馈点。

单馈法的优点是无需外加的相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，适合小型化。

缺点是带宽窄，极化性能较差。

4. 设计过程（1）设计目标：工作频率2.45GHz 的圆极化微带贴片天线。

（2）采用单馈法（同轴馈电），矩形采用的是正方形。

（3）将h=1.5mm ，r ε=3.55，中心频率为2.45GHz ，经过公式2.1计算得到W 约等于40.5mm ，公式2.2计算得到e ε=3.364，公式2.3和2.4的计算可得L 约等于30.5mm 。

在实际的贴片天线中常采用正方形的形式，且实际仿真与理论计算之间的误差，所以初始的贴片尺寸设计为长宽均为32mm 的贴片。

（4）采用右旋圆极化，切角选用三角形。

切角的大小在设计过程中采用仿真的方法确定。

三、贴片天线仿真步骤：1. 双击桌面的HFSS 程序，打开后可以看到如图1所示的界面。

图1 程序界面2.点击图1中红色方框标注project点击Insert HFSS Design或者直接点击快捷键创建一个新的工程，如图2所示。

图中标注了各窗口的名称，如果某一个窗口没有出现可以从VIEW中来将其显示。

将工程保存为antenna design。

保存路径中不能出现中文目录。

如：D:\antenna design。

图2 所创建的新工程3.设定求解类型：点击菜单栏中的[HFSS] \ [Solution Type] \ [Driven Modal]，可以看到如图3所示。

关于几种求解方式的差异感兴趣的同学可以使用如下方法来了解：HFSS提供一种on-line help方法，先按"Shift+F1"让滑鼠游标出现问号，然后点击菜单栏中的HFSS \ Solution Type 。

图3 设置求解模式4.设置模型单位：点击菜单栏中的[Modeler] \ [Unites]，设置模型单位为mm，如图4所示。

图4 设置模型单位5.创建模型此例总共要画两个长方体（box），两个长方形（rectangle），一个圆柱体（cylinder），一个圆形（circle），两个多边形——三角形。

5.1 立体模型（立方体）的建立（1）点击菜单栏draw\box或直接点击工具栏快捷键，如图5.1.1所示。

图5.1.1 draw box（2）点击后在程序界面下方出现如图5..1.2所示的坐标输入项，在其中输入基准坐标x:-22.5，y:-22.5，z:0，输入后按下回车键确认。

输入表示的是将点（-22.5，-22.5,0）设置为该Box的一个顶点。

图5.1.2 坐标输入项（3）按下回车之后坐标输入条变成如图5.1.3所示的界面，在其中输入相对坐标值，dX：45，dY:45,dZ：5。

这一操作表示的是设置该box的长为45mm，宽45mm，高5mm。

输入后在菜单栏中点击View\Fit all\All views或者在工具栏中点击，得到界面如图5.1.4所示。

图标表示的操作是将所有模型以适当比例在三维模型中显示。

图5.1.3 相对坐标输入项图5.1.4 Draw Box（4）可以在操作历史树中对模型box1的属性进行修改，选中box1点击右键，选中Properties，出现如图5.1.5所示的窗口。

"Attribute"标签页里，可以设定名称、材料、颜色、透明度等参数。

把此box命名为”substrate”，透明度设定为0.8，此时材料为默认值”vacuum”，即真空。

点击确认完成设置。

在操作历史树中我们可以看到box1变成了substrate，同时可以看到在操作历史树中是以模型材料来进行分类的。

图5.1.5 box的properties（5）双击CreateBox对模型的尺寸进行设置，出现如图5.1.6所示。

"Command"标签页里有我们刚刚设定的坐标，可以确认与修改。

图5.1.6 立方体的尺寸设置5.2长方形的建立（Draw Rectangle）（1）点击点击菜单栏中的Draw \ Rectangle或者工具栏中的，在如图5.2.1所示的坐标输入条种出现。

输入基准坐标x:-45，y:-45，z:0，相对坐标值，dX：90，dY：90,dZ：0，得到如图5.2.2所示的界面。

图5.2.1 长方形的尺寸设置图5.2.2 长方形的构建（2）在操作历史树中将"rectangle1"命名为"ground_plane"，透明度为0.8。

注意name项中不能出现空格，一般用下划线代替。

（3）重复步骤（1）、（2），另外画一个名为”patch”的长方形。

基准坐标x:-16，y:-16，z:5，相对坐标值，dX：32，dY：32,dZ：0。

（4）整个完整的模型图如图5.2.3所示。

图5.2.3 完整图形5.3圆柱体的构建（1）在菜单栏中点击Draw\cylinder或者在工具栏中点击，先输入圆心坐标，再输入相对坐标如图5.3.1所示。

图5.3.1 圆柱体的坐标设置（2）在properties中将圆柱体改名为”feed”，透明度设置为0.8，材料选为”copper”。

设置材料的方法为：点击Material后面的Value项，出现下拉菜单，点击Edit。

出现如图5.3.2所示的窗口。

在search by Name中输入copper，选中copper，确认。

图5.3.2 材料选择窗口(3)得到如图5.3.3所示的界面。

图5.3.35.4（1）画一个背景空间。

在菜单栏中点击Draw\Region或者在工具栏中点击，出现如图5.4.1所示的窗口。

先开始设置背景空间的尺寸为待测物体的所有方向上放大100%。

图5.4.1（2）双击操作历史树中的CreateRegion，将Z方向设置为2000%，如图5.4.2所示。

图5.4.25.5在ground_plane上切一个圆形的洞，为了让馈电同轴线内导体通过。

（1）在菜单栏上点击Draw\circle或者点击工具栏上的，设置基准坐标和相对坐标如图5.5.1所示。

图5.5.1（2）将所画的圆命名为”port”，透明度0.8。

（3）在操作历史树中按住Ctrl复选上port和ground_plane，在菜单栏中选择Modeler\Boolean\Subtract或者点击右键Edit\Boolean\Subtract，出现如图5.5.2所示的窗口。

图5.5.2表示的是在ground_plane上减去port。