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1、电磁工程设计与仿真,第四章 天线设计、仿真与优化 （一）,主要内容,4.3 同轴馈电微带天线的仿真与优化,4.4 微带馈电微带天线的仿真与优化,4.1 天线理论基础,4.2 微带天线分析与设计,4.5 微带天线阵设计与仿真,4.6 微带相控阵设计与仿真,4.1 天线理论基础,封闭结构：不能有效向外部空间辐射,开放结构：有效向外部空间辐射,天线: 能有效地发射或接收电磁波的装置。,一、天线辐射原理,发射机,时变信号,导体,时变电流激励出时变磁场， 时变磁场激励出时变电场， ，以电磁波形式传播。,一、天线辐射原理,电场：在J平面面内，E面 磁场：垂直于J平面，H面,振子天线,振子辐射过程,天线有方
2、向性： 不同方向辐射功率大小不同，用方向图描述。,一、天线辐射原理,二、天线参数,1.辐射参数：方向图 描述天线辐射场幅度在空间的分布情况：,(1)3D方向图：（球坐标系）,3D极坐标图,3D直角坐标图,1.辐射参数：方向图,(2)2D方向图：主平面（E面、H面）,1.辐射参数：波瓣参数,(1)波瓣,主瓣：最强方向 背瓣：主瓣相对 副瓣：其他波瓣,(2)半功率宽度：,场强为最大值,功率密度为最大值1/2,3dB宽度,(3)副瓣电平（SLL）,1.辐射参数：方向性系数D与增益G,(1)定义：,(2)含义：以平均辐射功率为标准来衡量辐射能量在天线 主瓣方向上的集中程度。,(3)定义：,(4)关系：
3、,天线效率：,不同天线要求增益不同： 高增益高效率：雷达 低增益全向性：通信,2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比,(1)辐射阻抗：,辐射功率,(2)输入阻抗：,(4)驻波比：,天线要求：输入阻抗匹配，驻波比小，一般VSWR1.5。,(3)反射系数：,2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比,应用：HFSS S11计算辐射阻抗。,(3)谐振特性： 当Xr=0时，天线谐振。 谐振时，实数，且最大。,(1)去嵌入(De-embedding)：,(2)计算辐射阻抗：,4.2 微带天线分析与设计,一、微带天线结构,微带基板(Substrate)：r, tan, h 接地面(GND)：有限接
4、地面，通常按无限接地面处理 贴片(Patch)：L，W，t, 辐射电磁波 馈线(Feed)：Wp, 加入激励信号,优点： 低剖面；重量轻； 易加工；易集成。 缺点： 损耗大，效率低。,一、微带天线结构,1.贴片形状,一、微带天线结构,2.馈电方式,微带线边馈,插入微带边馈,同轴底馈,缝隙耦合馈电,电磁耦合馈电,二、微带天线的分析,1.理想微带谐振腔,边缘：理想磁壁；长度：L=g/2 ;,电压：两端强，中间零； 电流：两端零，中坚强。,二、微带天线的分析,2.边缘效应：辐射电导Gr,等效辐射：同相双缝,单缝辐射阻抗Zr=Rr+jXr：,二、微带天线的分析,3.谐振长度L：,谐振长度L：,二、微带
5、天线的分析,4.边馈输入阻抗Zin：（谐振时）,由于两个缝隙间等效长度， 具有阻抗搬移功能。,输入阻抗：,二、微带天线的分析,底馈输入阻抗Zin：,此结果对于插入式微带 馈电也适用。,三、微带天线设计,1.设计要求,天线形式：同轴馈电微带天线 工作频率：f=2.45GHz 输入阻抗：50 驻 波 比: VSWR1.5,三、微带天线设计,2.基板选择,选择Rogers 5880微波基板材料，,er=2.2, tan=0.0009,基板厚度h对天线性能有较大影响：,取：h=3.2mm,h大时，有助于提高带宽：,h太大，容易出现高次模：,三、微带天线设计,3.贴片宽度W确定,太宽产生高次模，从而引起
6、畸变：,W大些对频带、效率及阻抗匹配都有利。,W，Rr, 便于与微带匹配,取：,三、微带天线设计,4.贴片长度L确定,三、微带天线设计,5.同轴及馈电位置确定,同轴线特性阻抗：,空气填充：,取：,则：,馈电位置：,三、微带天线设计,6.初步设计结果,基本与后面仿真实例一致。 可见初步设计很重要！,它可知道变化规律： 比如：frL关系 RrW关系 Zin-x0关系 h影响 W影响 ,4.3 同轴馈电微带天线仿真与优化,A Probe Fed Patch Antenna:,Sub1: Ls=10cm, Ws=9cm，h=0.32cm Coax: Outer radius=0.16cm, Inner
7、 radius=0.07cm, air filled,1. Adding a Project and Design,Adding a Project : MicrostripAntenna.hfss,Insert HFSS Design : ProbePatch,Setting Tool Options :,ToolsOptionsHFSS Options : General tab,Check “Use Wizards for data input when creating new boundaries.” Check “Duplicate boundaries/mesh operatio
8、ns with geometry.”,ToolsOptionsModeler Options:,Operation tabCheck “Automatically cover closed polyline.”,Drawing tabCheck “Edit property of new primitives.”,Set Solution Type :,HFSSSolution Type: Driven Terminal,Set Model Units :,ModelerUnits : cm,2. Create Substrate,Set Default Material:,Modeler M
9、aterials toolbar, choose Select.,Select: Rogers RT/ duroid 5880 (tm).,2. Create Substrate,DrawBox,Properties :,Name : Sub1,Box position: X= -5.0, Y= -4.5, Z= 0.0,dX: 10.0, dY: 9.0, dZ: 0.32,ViewFit AllActive View,2. Create Substrate,Create Infinite Ground:,DrawRectangle,Properties:,Name : Inf_GND,Po
10、sition X: -5.0, Y: -4.5, Z: 0.0,dX: 10.0, dY: 9.0, dZ: 0.0,Fit the view:,2. Create Substrate,Assign a Perfect E boundary to the Infinite Ground:,Select the trace:,EditSelectBy Name, Select Inf_GND,Assign the Perfect E boundary:,HFSSBoundariesAssignPerfect E,Specify name : PerfE_Inf_GND,Check “Infini
11、te Ground Plane.”,2. Create Substrate,Create Infinite Ground Cut Out :,DrawCircle,Center position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0,Radius: dX: 0.16 , dY: 0.0, dZ: 0.0,Name : Cut_Out,Complete the Infinite Ground:,Select the objects Inf_GND and Cut_Out:,ModelerBooleanSubtract:,2. Create Substrate,Create Patch
12、:,DrawRectangle,Position X: -2.0, Y: -1.5, Z: 0.32,dX: 4.0, dY: 3.0, dZ: 0.0,Name : Patch,Assign a Perfect E boundary:,EditSelectBy Name: Patch,HFSSBoundaries AssignPerfect E : PerfE_Patch,3. Create Coax,Set the default material: vacuum,DrawCylinder,Cylinder position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0,Radius d
13、X: 0.16, dY: 0.0, dZ: 0.0,Height dX: 0.0, dY: 0.0, dZ: -0.5,Name : Coax,Create the coax outer:,3. Create Coax,Create the Coax Pin :,set the default material: pec,DrawCylinder:,Cylinder position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0,Radius dX: 0.07, dY: 0.0, dZ: 0.0,Height dX: 0.0, dY: 0.0, dZ: -0.5,Name : Coax_Pi
14、n,3. Create Coax,Create the Wave port:,DrawCircle,Center position X: -0.5, Y: 0.0, Z: -0.5,Radius dX: 0.16, dY: 0.0, dZ: 0.0,Name : Port1,EditSelectBy Name: Port1,Assign wave port excitation: HFSSExcitations AssignWave Port,The terminal is created,3. Create Coax,Create the Probe:,DrawCylinder,Cylind
15、er position X: -0.5, Y: 0.0, Z: 0.0,Radius dX: 0.07, dY: 0.0, dZ: 0.0,Height dX: 0.0, dY: 0.0, dZ: 0.32,Name : Probe,4. Create Radiation Boundary,Set Default Material : vacuum,Create Air :,DrawBox,Box position X: -5.0, Y: -4.5, Z: 0.0,dX: 10.0, dY: 9.0, dZ: 3.32,Name : Air,EditSelectFaces: except th
16、e bottom,HFSSBoundariesAssignRadiation : Rad1,5. Create a Radiation Setup,HFSSRadiationInsert Far Field SetupInfinite,Far Field Radiation Sphere Setup dialog:,Name: ff_2d,Phi: Start: 0, Stop: 90, Step: 90,Theta: Start: -180, Stop: 180, Step: 2,Name: ff_3d,6. Analysis Setup,Creating an Analysis Setup,HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup,6. Analysis Setup,Adding a Frequency Sweep,HFSSAnalysis SetupAdd Sweep,Model Validation : HFSSValidation Check,Start the
