天线CAD大作业
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微带天线
一 设计基本要求
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6.0，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。
二 设计思路
本设计方法采用微带线馈电，微带线馈电方式又称侧馈，它用与微带辐射贴片集成在一起的微带传输线进行馈电。它可以中心馈电，也可以偏心馈电，如下图，馈电点的位置取决于激励哪种模式。对于微带传输线的馈电方式，当微带天线的尺寸确定以后，可以用以下方法进行阻抗匹配：先将中心馈电天线辐射贴片同50欧姆一起光刻，测量输入阻抗并设计出阻抗匹配变换器，然后在天线辐射贴片与馈线之间接入该阻抗匹配器，重新做成天线。
如果矩形贴片的场沿着某边有变化，那么输入阻抗也会随之变化。因此，改变馈电点的位置是活得阻抗匹配的简单方法。
三 设计步骤
1 参数计算
由公式计算辐射贴片的宽度W，计算结果为69.72mm，再由公式
可以计算出L0为107.64mm 初始的仿真数据如下：
2 建立模型
主视图
俯视图
3 初步仿真结果
S11曲线：
0.00XY Plot 1HFSSDesign1Curve InfoANSOFTdB(S(P1,P1))Setup1 : Sweep-0.50-1.00dB(S(P1,P1))-1.50-2.00-2.50-3.00-3.500.50 由图可见，很明显谐振频率不在1.1到1.2GHZ。故上述指
0.751.00Freq [GHz]1.251.50标需要进一步优化。
4 参数优化
a 对贴片长度变量L0的优化
由理论分析可知，矩形微带天线谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，谐振频率随着贴片长度的缩短而变大。故设置优化扫描项，对L0进行扫描优化，如图所示：
0.50XY Plot 5HFSSDesign1Curve InfodB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'69.72mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'90mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'92mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'94mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'96mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'98mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepANSOFT0.00-0.50-1.00dB(S(P1,P1))-1.50-2.00-2.50-3.00-3.500.500.751.00Freq [GHz]1.251.50 可见，当L0=105.5mm时，天线谐振在了1.15GHz。 b 对四分之一波长阻抗转换器的宽度变量W1优化
使用参数扫描分析功能分析四分之一波长阻抗传器的阻抗阻抗变化对天线性能的影响，以获得天线的最佳匹配性能。如图所示： 1.00XY Plot 22HFSSDesign1Curve InfodB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'105.5mm\' W1=\'3.5mm\'ANSOFT0.00dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'105.5mm\' W1=\'3.6mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'105.5mm\' W1=\'3.7mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'105.5mm\' W1=\'3.8mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'105.5mm\' W1=\'3.9mm\'dB(S(P1,P1))Setup1 : SweepL0=\'105.5mm\' W1=\'4mm\'-1.00dB(S(P1,P1))-2.00-3.00-4.00-5.000.500.751.00Freq [GHz]1.251.50 可见，当W1=3.9mm时，天线谐振在了1.15GHz。
5 最终仿真的结果
（1）谐振频率：1.15GHz
（2）VSWR:1.16
（3）3D增益方向图
综合以上仿真结果，可以看出各项指标完全符合设计要求。
四 左旋圆极化的微带天线
1 实现思路
微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可以同时维持TM01和TM10模，两种主模同相且极化正交，结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。本次打算采用方形切角微带天线来实现圆极化波的。
2 参数设计
方形切角微带天线结构示意图如下：
WQieLL1馈电点W/2
由公式(式中c为光速)，带入工作频率1.15GHz，得到W=69.72mm。取L=W，取馈电点位置(馈电点中心到原点距离)L1=0.15*W=14.823mm。切角边长Qie=10mm。介质基板边长为2W，地板设为正方形边长为2W。
3 建立模型
主视图
俯视图
4 仿真结果
(1)谐振频率：1.2GHz
(2)轴比：1.81dB
(3)VSWR:1.05
（4）3D方向图：
综合以上仿真结果，可以看出各项指标完全符合设计要求。
五 学习心得
本学期学习了天线CAD这门课程，感觉受益匪浅。首先这次大作业我选的课题是微带天线，我选择了HFSS这个软件来仿真这个微带天线。首先刚接触HFSS这种软件，感觉很陌生，所以很长时间都花在了捧着本参考书在仿真书本例题。所幸皇天不负有心人，经过了几天的努力，我大体学会了脱离课本操作HFSS这个软件。可是后来在参考书上的选择又耽误了很长时间，我一共有2本HFSS的参考书目，分别是《HFSS原理与工程》和《HFSS天线与设计》。一开始选择用《HFSS原理与工程》进行仿真，可是后来发现这本书对介绍设置变量进行天线性能的优化内容介绍的不多。后来果断选择李明洋的《HFSS天线与设计》，这本书把设置变量进行优化仿真的思想讲解得淋漓尽致。所以后来就选择这本书的采用微带线馈电来完成这个课题。当然后来的仿真优化过程也出现了很多难题，但是经过了我的努力都一一解决了。对于本次大作业仿真结果，本人还算满意。
这次完成大作业的过程要求理论联系实践，把自己的知识和经验牢牢的结合起来，而且一定要有耐心。这点非常重要，中间好几次调试过程出不来都快放弃了，最后还是坚持了下来。这学期的天线CAD课虽然上完了，但是他已经给了我一个新的方向，让我找到了新的途径去研究天线。我感觉这种类型的课对学生更有帮助，希望学校多多开办天线CAD这种类型的课程。
最后衷心地感谢这学期给我们上课的几位老师，祝愿本课程越办越好！由于初学兼初次设计，有很多地方不足，希望老师给予一定的指导和帮助。
