实验三：微带天线仿真场分析实验目的:掌握微带线的设置，了解天线远区辐射场结构及天线电参数 实验内容：使用 HFSS 进行微带贴片天线的设计实现，创建设计模型，进行求解设置，设置求解频率为2.45GHz,同时添加1.5-3.5GHZ的扫频设置， 分析天线在 1.5-3.5GHz 频段内的电压驻波比，并运行仿真计算将 谐振频率落在2.45GHz频点上最后进行相关的数据后处理实验原理： 微带天线是当今无线通信领域中广泛应用的一种天线，具有质量轻、 体积小、易于制造等特点，本实验的ISM频段微带贴片天线是工作在2.45GHz，采用同轴线馈电的一种简单的微带天线微带天线的基本 参数：工作频率2.45GHz，介质板相对介电常数3.38，介质层厚度 5mm，矩形贴片宽度41.4mm,辐射缝隙长度2.34mm,矩形贴片长度31mm, 参考地长宽为61.8mm*71.4mm，同轴线馈点坐标(9.5， 0)要求设 计的天线最大增益大于7dB前后比大于5dB实验步骤及结果：一、 新建HFSS工程1. 新建一个名为 MSAntenna.hfss 的工程文件2. 将求解类型设置为 Driven Model二、 创建微带天线模型1. 将模型的默认长度设置为毫米mm2. 创建参考地在 Z=0 的 XOY 面上创建一个顶点位于( -45mm,-45mm) ,大小为 90mm*90mm的矩形面作为参考面，并把它命名为GND,并为其分配理想 导体边界条件。
然后将此边界命名为 PerfE_GND3. 创建介质板层创建一个 80mm*80mm*5mm 的长方体作为介质板层，介质板层位于参考 地面上，顶点坐标为（-40，-40，0），介质的材料为 R040034. 创建微带贴片在z=5的XOY面上创建一个顶点坐标为（-15.5mm, -20.7mm, 5mm）,大小为31.0mm*41.4mm的矩形面作为微带贴片，命名为Pat ch，并为其分配理想导体边界条件并将此边界条件命名为 Perf_Patch5. 创建同轴馈线的内芯创建一个圆柱体作为同轴馈线额内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度 为5mm，圆柱体底部圆心坐标为（9.5mm, 0， 0），材料为理想导体, 同轴馈线命名为 Feed6. 创建信号传输端口面在参考面GND上开一个圆孔以便能量可以从同轴线传输圆孔的半径 为1.5mm，圆心坐标为（9.5mm， 0， 0），名字为Port7. 创建辐射边界表面创 建 一 个 长 方 体 ， 顶 点 坐 标 为 ( -80 ， -80 ， -35 )， 大 小 为160mm*160mm*75mm，长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名为Air。
并设置其四周表面为辐射边界条件三、 设置激励端口 将同轴线信号端口面的激励方式设置为集总端口激励四、 添加和使用变量1. 添加设计变量Leng th,初始值为31.0mm，用来表示微带贴片的长 度；添加设计变量Width,初始值为41.4mm，用来表示微带贴片的宽 度；添加设计变量Xf,初始值为9.5mm，用来表示同轴线的圆心点的 X 轴坐标2. 在模型中使用变量NameValueUnit :CommandCreateRectangleCoordinate...GlobalFosi ti on-Length/2 ?-Wi dth/2-? 5mmZXSizeLength使用量Leng th和^idth表示微带贴片Pat ch的长度和宽度歹，并~设置微女带贴片的起点坐标为(-Length/2, -Width， 5mm)使用变量Xf代替同轴馈线Feed的底部圆心和集总端口 Port的圆心在x方向的坐NameValueUni tCommandCreateCircleCoordinate...GlobalCenter Poe...Xf Omm 0mmAxisZRadius1.5mmNumber o£ ...0Value五1Uni tCommand Cr e at eCyli nderCenter Foe. . . X£ ? Omm , 0mmRadius 0.55Tlo、. . . 0设置HFSS的求解频率为2.45GHzmmmmC o or di naGlobalP Ihtblad 广 P-sr^S ft-J.Fr HqujiarjU■- Rial■«-J1 9tli.iiV u-LnniP Bhr'b4r「Vlf Hite C曲!S£3UEHM1 Wrtup5 pwepl~mL WEin [址 klYiyi.ir^pcMngDC囱晔曲ehOpIkmU^-OdadkHD 曲 dk| D^tiam. idviertd liip'txsLen CixzLk UtE-iTAlmi | Btfujllx |Mi™EmTML^xrc.]FFreoLwcf ^e-Lp|tart]FBQaw| I际 |Lretd[iufl5mi |is [eT-2対 |临创闪商-131 plI 1Ee_«-sr Fits氐 |AI FKcusncKs]Ivxxp lypg： |Fjj*2•扫频设置为1.5-3.5Ghz，选择Fast扫频类型六、设置完成后进行设计检查，无误后进行下一步。
h母 Desugni Settings# 3D Model该 Boundaries and ExcitalionsM Mesh Operations 落 Analysts Setup# Dptimelric^W RadiationValidation Check completedl.Vjlidatton Check: MSA - MSA七、 查看天线的谐振点从图中可以看出，当频率为2.45Ghz时，S11 最小，最小为T6.63dB八、 优化设计1. 参数扫描分析：将 sweep1 的频率范围设置为 2.2GHZ-2.8GHZ2. Length的扫描分析：添加扫描变量为length,扫描方式设置为 LinearStep，开始，结束和步长设置为28mm, 31mm， 0.5mm，设置完OurvtHnfci dB(S(P1,P1))Setupl : Sweep 1Len gth=*29.5m m' Wi dth=MOm m' dB(S(P1,P1))Setupl : Sweep 1Len gth=29.5m m' Wi dth=M0.5m m'■ ■ 1 1 1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■2匕0 2.^0 2.43 2 50 3L60 3L70 2J 0((Ld-E5ofp£別--6.D0 4-7 50 W10 口口 ~| 35,0 二Q 和帝沁 心 _ 3 二穴3. Width的扫描分析，将变量设置为Width,开始，结束，步长分别 设置为 39mm， 42mm， 0.5mm。
Ansoft LLC XY Plot 7 Patch dB(S(P1,P1))Setupl : Sweep 1Len gth=*29.5m m' Wi dth=*39m m'—— dB(S(P1,P1))Setupl : Sweep 1Len gth=*29.5m m' Wi dth=*39.5m m' dB(S(P1,P1))Setupl : Sweep 1Length=*29.5mnr Width='41 mm' dBfSfPl.PI))Setupl : Sweep 1Length=-29.5mm, Width='41.4mm" dB(S(P1,P1))Setupl : Sweep 1Length=*29.5mnr Width='41,5m m' dB(S(P1,P1))Setupl : Sweep 1Len gth=79.5m m' Wi dth=~42mm'从图中可以看出当贴片长度不变时，宽度的改变对天线谐振点的影响 很小4•优化设计：因为从上面的设计可以得出长度对S11的影响比较大所 以优化时只对长度进行优化：(1)添加优化设置(2)将长度的优化范围设置为29-30mm (2)设 计优化函数(3)优化分析(4)查看优化后的结果从图中可以看出，软件做了22次迭代计算，其中第8次迭代计算的目标函数数值最小，对应的length长度为=29.5mm。
查看优化后的天线 性能1. 查看 S11 参数肋I dl从图可以看出，当length为29.5， Width为41.4mm时，天线的谐振 点在2.45GHz，此时S11=T6.63dB查看S11参数的史密斯圆图在 2.45GHz时，天线的归一化输入阻抗为(0.83-0.25i)Q3. 产看电压驻波比从图中可以看出在2.4-2.5GHZ频段，电压驻波比小于1.784. 查看天线的三维增益方向图从图中可以看出最大辐射方向为z方向，最大增益为7.42dB5. 查看平面方向图此图为E面的切面图，可以看出有三个旁瓣6. 其他天线参数二 mr-lm nd 2」口 iZ d」口〔 D从图中可以看出最大电压值为0.43，前后比为84.134和一些其他参数 的值实验结果分析及总结：1.从本次实验中，我们得知微带贴片的长度对于天线的谐振点有很大 的影响，而微带贴片的宽度对天线的谐振点没什么太大的影响2.优化后的天线可以使谐振点落在2.45GHz，但是输入阻抗并没有达 到标准的50 Q，可以通过使用参数扫描分析功能分析变量Xf的变化 对输入阻抗的影响，然后优化Xf,达到更好的性能实验感想：通过本次实验，我们对 HFSS 以及它的一些应用已经有了进一步的认 识。
通过实验我们知道微带贴片对于天线谐振的影响，加深了理论学 习的内容在以后的学习中，会更加熟练HFSS的操作及应用通过 实验课的学习，我们增强了团队意识以及动手操作能力，让专业知识 掌握得更加牢固。