基于HFSS的天线设计流程.docx
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基于HFSS的天线设计流程.docx
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基于HFSS的天线设计流程
天线设计流程:
1. 确定设计目标
2. 查阅资料,确定形状,给出结构图(变量形式)
3. 仿真建模、求解
4. 优化设计,确定变量值
5. 版图,加工,测试
设计目标:
设计并实现一款超宽带天线,天线馈电方式采用 50Ohm 微带线进行馈电,
天线在 3.1-10.6GHz 频段范围内满足 S11<-10dB,天线辐射方向图为全向。
天线
介质基板采用选用介质板 FR-4,其相对介电常数为 4.4,厚度为 h=0.8mm。
基于 HFSS13.0 的超宽带天线设计实例:
一、建立工程
菜单 Project->Insert HFSS Design
二、设置求解模式
菜单 HFSS->Solution Type->天线为 Driven Modal
三、天线模型建立
1、设置模型尺寸长度单位
菜单 Modeler->Units->mm->OK单位一般设置为毫米 mm。
2、天线模型结构
本例天线采用的模型如图 1 所示,其详细结构尺寸见表 1.
图 1 超宽带平面天线结构图
w=16mm
l=32mm
h=0.8mm
wd=1.5mm
l1=12mm
h1=11mm
w1=3mm
h2=20mm
h3=4mm
表 1 初步设计的超宽带平面天线尺寸
微带线阻抗验证:
1)、采用 Agilent AppCAD 计算
2、采用 LineCalc 计算工具(ADS 中的工具)
3、输入设计参量
菜单 Project->Project Variables 或者 HFSS->Design Properties
点击 Add,输入 w=16mm 变量,详见下图
依次输入表 1 中全部变量,最终如下图
4、建立模型
(1)创建介质板 FR4
(a) 在菜单栏中点击 Draw>Box,在模型窗口任意创建 Box1
(b)双击模型窗口左侧的 Box1,改名为 Substrate,在点击 Material 后面的
按钮,选择 Edit,搜索 FR4,选择 FR4_epoxy 点击确定。
(c) 双击模型窗口左侧 Substrate 的子目录 Createbox,修改介质板大小及厚
度。
介质板长 l=32mm,宽 w=16mm,厚 h=0.8mm,如下图所示,点
击确定。
(2)创建微带馈线
(a) 在菜单栏中点击 Draw>Rectangle,在模型窗口任意创建 Rectangle1
(b)双击模型窗口左侧的 Rectangle1,改名为 microstrip,点击确定。
(c) 双击模型窗口左侧 microstrip 的子目录 Createrectangle,修改微带传输
线大小。
微带线宽 wd=1.5mm,长 l1=12mm,微带线位于介质板顶层
正中处。
(3)创建接地板
(a) 在菜单栏中点击 Draw>Rectangle,在模型窗口任意位置创建 Rectangle1。
(b)双击模型窗口左侧的 Rectangle1,改名为 groundplane,点击确定。
(c) 双击模型窗口左侧 groundplane 的子目录 Createrectangle,修改接地板
大小。
接地板宽 w=16mm,长 h1=11mm,微带线位于介质板底层。
(4)创建阶梯形辐射贴片
(a) 在菜单栏中点击 Draw>Rectangle,在模型窗口任意创建 Rectangle1。
(b)双击模型窗口左侧的 Rectangle1,改名为 patch,点击确定。
(c) 双击模型窗口左侧 patch 的子目录 Createrectangle,修改辐射贴片大小。
贴片宽 w=16mm,长 h2=20mm,辐射贴片为与介质顶层与微带线相连。
(d)在菜单栏中点击 Draw>Rectangle,在模型窗口任意创建 Rectangle1 和
Rectangle2,分别改名为 stair1 和 stair2.
(e) 修改 stair1 及 stair2 的大小 w1=3mm,h3=4mm,分别为与辐射贴片左、
右下角。
(f) 同 时 选 中 patch 、 stair1 、 stair2 , 并 在 菜 单 栏 中 点 击
Modeler>Boolean>Substract,从 patch 中剪切掉 stair1 和 stair2,点击
OK。
(5)创建空气盒
设置 Air 空气盒(空气盒上下左右离天线大于四分之一波长,以 3GHz 为例,
25mm 为四分之一波长)
(a) 在菜单栏中点击 Draw>Box,在模型窗口任意创建 Box1。
(b)双击模型窗口左侧的 Box1,改名为 air,Transparent 值设为 0.8,点击确定。
(c) 双击模型窗口左侧 air 的子目录 Createbox,修改空气盒大小。
空气盒尺寸
大小设置如下图。
天线在空气盒正中,点击确定。
5、设置边界条件
(1)设置理想金属边界条件
选中 grandplane,在菜单栏中点击 HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E,
点击 OK,同理设置 microstrip 和 patch 为 Perfect E。
(2)设置辐射边界条件
选中 air,在菜单栏中点击 HFSS>Boundaries>Assign>Radiation,点击 OK。
6、设置激励方式
(a) 创建 XOZ 面上的平面,在菜单栏中点击 Modeler>Grid Plane>XZ,再点
击菜单栏中 Draw>Rectangle,在模型窗口任意创建 Rectangle1。
(b)双击模型窗口左侧的 Rectangle1,改名为 port,点击确定。
(c) 双击模型窗口左侧 port 的子目录 Createrectangle,修改馈电口大小。
馈
电口宽 wd=1.5mm,长 h=0.8mm,馈电口连接微带线和接地板。
(d)选中 port,在菜单栏中点击 HFSS>Excitation>Assign>Lumped Port,点
击下一步,点击 Integration Line 中的 None,选择 New Line,建立积分
线,从 port 的下边线指向上边线,点击下一步,完成。
(e) 选中回 XOY 面,Modeler>Grid Plane>XY
四、设置网格(可不设置,默认为自适应网格)
五、加入天线远场辐射场
HFSS->Radiation->Insert far field setup->Infinite Sphere1
设置角度如下图所示:
同理,然后依次创建 XOZ_Plane,YOZ_Plane,XOY_Plane 平面辐射场,如下图:
最终如下图:
六、设置求解频率、扫频等
,
菜单->HFSS->Analysis setup->Add solution setup(此频率点为 Gain,eff(效率)
方向图等参数),求解频率设为 3GHz,点击确定。
菜 单 ->HFSS->Analysis setup->Add frequency setup ( 此 频 率 为 扫 参 , 如 S11 、
VSWR 等参数),选择 sweep type 为 fast,扫频从 2GHz 到 12GHz,点击 OK。
七、检验参数
菜单 HFSS->validation check
八、保存保存(注意:
工程保存的目录不能含有中文)
九、求解
HFSS->Analyze all
十、数据后处理(看仿真结果)
1. S 参数和驻波系数
S11 (return loss):
HFSS->Results->Create Modal Solution->Rectangular plot(可视)/Data table(可导
出)
->选择 solution 中的“setup1:
sweep”选项,Domain 中的“Sweep”选项。
->选择 S parameter ->S11->dB点击 new trace。
2. Gain/Directivity/efficiency (均涉及最大方向的问题,需要每个 solution 单个
频点计算,最后拼接在一起)
HFSS->Radiation->Compute Antenna/Max params->然后如下图操作
3. 辐射场
(1)3D 辐射方向图
HFSS->Results->Create Far Fields Report->3D polar plot
做如下配置,然后点击 new report,得到 3D 辐射方向图
(2)Radiation Pattern
HFSS->Results->Create Far Fields Report->Radiation Pattern
在弹出的对话框中,作如下配置,然后点击 new report,得到 YOZ 面的 E 面方向
图。
同理可以得到 XOZ 平面的辐射方向图,XOZ 面为全向辐射。
4. 总结:
由 1 中 S 参数结果表明,此天线距离 S11 -10dB 的业界标准仍有一些
差距,需要进一步优化设计。
十一、参数优化
如变量中某一尺寸等扫参:
(以 w1 为例)
(a) 在菜单栏中点击 HFSS->Optimetrics Analysis->Add parametric/optimization,
点击 Add,选择变量 w1,从 3mm 扫参到 5mm,步进为 0.5mm,点击 Add,
OK,确定。
(b)HFSS->Analyze all。
(c) 点击工程管理窗口中的 Results->dB(S(1,1)),选择 Families,查看扫
参结果。
0.00
XY Plot 1
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
-5.00
-10.00
-15.00
-20.00
-25.00
-30.00
dB(S(1,1))
Setup1 :
Sweep
w1='3mm'
dB(S(1,1))
Setup1 :
Sweep
w1='3.5mm'
dB(S(1,1))
Setup1 :
Sweep
w1='4mm'
dB(S(1,1))
Setup1 :
Sweep
w1='4.5mm'
dB(S(1,1))
Setup1 :
Sweep
w1='5mm'
2.004.006.008.0010.0012.00
Freq [GHz]
(d)选择最优 w1=4mm,继续参扫其他参数,获取最优结果。
w=17mm
l=30mm
h=0.8mm
wd=1.5mm
l1=12mm
h1=11mm
w1=4.2mm
h2=18mm
h3=4mm
dB(S(1,1))
0.00
XY Plot 1
HFSSDesign1
Curve Info
ANSOFT
dB(S(1,1))
Setup1 :
Sweep
-5.00
-10.00
-15.00
-20.00
-25.00
-30.00
-35.00
2.004.006.008.0010.0012.00
Freq [GHz]
表 2 优化后的最终定型尺寸
一些有用的参数与指标:
1)电流分布
首 选 选 中 同 时 groundplane , microstrip 和 patch , 然 后 选 择 菜 单 栏 中
HFSS->Fields->plot fields->J->Mag_Jsurf
选择 Jsurf scale,更改坐标范围(1~100A/m, log)
2)电场分布
首 选 选 中 同 时 groundplane , microstrip 和 patch , 然 后 选 择 菜 单 栏 中
HFSS->Fields->plot fields->E->Vertor_E
3)三维方向图 3D plot 【前边已经演示过】
4)电流/电场动画
菜单栏 View->Animate-> Mag_Jsurf1/Vector_E1->OK->OK
十二、CAD 制图
(a) 在菜单栏中点击 Modeler>Export,保存为 dxf 文件,此次导出的是底层。
(b) 导出上层,首先把上层的结构移动到底层,同时选中 groundplane,microstrip
和 patch,做如下图移动
右下角输入 0,0,0,如下图
然后按回车键,再次在右下角输入 0,0,-0.8
此 时 , 上 层 结 构 已 经 移 动 到 XOY 面 上 , 再 次 导 出 , 并 命 名 为
antenna_top.dxf
(c) 用 AutoCAD 打开 dxf 文件,完成制图如下所示
(d)分层说明,格式>图层>新建图层(top 和 bottom 层)>确定,分别选中上
层和下次金属贴片的边框,定义为 top 层和 bottom 层。
(e) 绘图>图案填充>添加:
拾取对象,点击贴片边框>Enter>确定。
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