基于HFSS的微带天线仿真设计 1 概述
目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高增益微带阵列天线。
在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。它在导体贴片和接地板之间激励起电磁场，并通过贴片与接地板的缝隙向外辐射。
天线分析的基础问题是求解天线周围空间建立的电磁场，进而得出方向图增益和输入阻抗等特性指标。如下图1，图2所示。
图1 矩形微带天线开路段电场结构
图2 场分布侧面图
2 天线基础
天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。
2.1 天线的极化方式
所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。根据极化方向可分为垂直极化波和水平极化波。
(1) 水平极化波：当电场强度方向平行于地面形成的波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减。
(2) 垂直极化波：当电场强度方向垂直于地面形成的波。垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。
2.2 天线的增益
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。
一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水
1平面上保持全向的辐射性能。表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。
2.3 天线的阻抗
天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。
天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗。
驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。
回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。
2.4 天线的波瓣宽度
波瓣宽度是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。
(1) 垂直波瓣宽度：一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此， 一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质 量的目的。
(2) 水平波瓣宽度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。
3矩形贴片的设计
矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个矩形贴片，其工作频率在2.45GHz，并分析其远区场辐射特性以及S曲线，
3.1 设计目的
(1) 学习设计微带天线的设计方法；
(2) 掌握矩形贴片的设计方法及其远区辐射场的特性以及S曲线； (3) 掌握HFSS10仿真软件的使用。
3.2 矩形微带贴片天线的辐射原理
如图3所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。。
设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基
2 片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h
简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。
在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。
图3 矩形贴片天线示意图
3.3 矩形贴片天线的仿真设计
1．建立新的工程 2．设置求解类型 3.设置模型单位
4．创建微带天线模型
(1) 创建地板GroundPlane。尺寸为90mm*90mm，并设置理想金属边界。
(2) 建立介质基片。尺寸为45mm*45mm*5mm。将材料设置为Rogers R04003。 (3) 建立贴片Patch。尺寸为：32mm*32mm，并设置理想金属边界。
(4) 创建切角。首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通过旋转180度创建另一个切角。 (5) 用Patch将切角减去。
3 (6) 创建探针Pin。圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料设置为pec。
(7) 创建端口面Port。圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0，半径为：dX：0，dY：1.5，dZ：0。
(8) 用GroundPlane 将Port减去。
5.创建辐射边界
创建Air，尺寸为：160mm*160mm*70mm。辐射边界命名为Rad1。
6．设置端口激励
端口命名为p1。在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回车键，点击Next按钮直至结束。
7．求解设置
为该问题设置求解频率及扫频范围
(1) 设置求解频率。设置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Paes：15；Maximun Delta S per Pa ：0.02。
(2) 设置扫频。扫频窗口中做以下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将Save Field复选框选中。 8.设置无限大球面
在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。 在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。
9.确认设计 10.保存并求解工程 11 后处理操作
(1) S参数（反射系数）。
绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是s11。 点击菜单栏HFSS>Result>Create Report。选择：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后点击Add Trace按钮。点击Done按钮完成
4 操作，绘制出反射系数曲线。
(2) 2D辐射远场方向图。
在菜单栏点击HFSS>Result >Create Report。选择：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。点击Mag标签，选择：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,点击Add Trace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。
4 结果分析
4.1 对探针位置的探讨
地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。
介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。 贴片Patch长、宽、高： dX：32，dY：32，dZ：0。
4.1.1探针在Y轴
探针中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图4所示：
图4 矩形贴片天线3D模型(探针在Y轴)
(1) 反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图5所示。
图5 反射系数图（Y轴）
(2) 2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图6所示。
图6 2D辐射远场方向图（Y轴） 分析： 当探针在Y轴上时，回波损耗在13.8dB左右，工作频带在2.35GHz-2.47 GHz。
由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要进行优化。
4.1.2 探针位置在X轴上
探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图7所示：
图7 矩形贴片天线3D模型(探针在X轴)
(1) 反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图8所示。
图8 反射系数图（X轴）
(2) 2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图9所示。
图9 2D辐射远场方向图（X轴）
分析：当探针在X轴上时，回波损耗也在13.8dB左右，工作频带在2.37GHz-2.48 GHz。
由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.说明此位置仍不是最佳位置。
4.1.3 探针在对角线位置上
1 探针中心点的坐标：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图10所示：
图10 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)
8 (1) 反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图11所示。
图11 反射系数图（对角线）
(2) 2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图12所示。
图12 2D辐射远场方向图（对角线上）
分析：当探针在对角线上时，回波损耗为-29dB，频点恰好在2.45GHz，工作频带在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作频带很窄。 由远场图可知，此位置仍有一个小的背瓣。
因此，探针在这个工作特性很好，但工作带宽有点窄。
2 探针中心点的坐标：X：8，Y：8，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；
9 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图13所示：
图13 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)
(1) 反射系数曲线
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图14所示。
图14 反射系数图（对角线）
(2) 2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图15所示。
图15 2D辐射远场方向图（对角线上）
分析： 当将探针设置在此位置时，回波损耗在-14.3dB左右，频带宽度在2.40 GHz -2.49GHz,频点正好在2.45GHz。
由远场方向图可知，在此位置有一个小的背瓣。
探针在这个位置工作特性很好，工作频带也较宽。此外还可知在对角线上越靠近中心，天线性能越好。
4.2 改变贴片尺寸
地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。
介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。 贴片Patch长、宽、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。
探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图16所示。
图16 矩形贴片天线3D模型(贴片尺寸改变)
11 (1) 反射系数曲线
仍在上述所设求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图17所示。
图17 反射系数曲线（贴片尺寸改变）
(2) 2D辐射远场方向图
在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图18所示。
图18 2D辐射远场方向图（贴片尺寸改变）
分析： 当其他条件不变，改变贴片尺寸（由32mm*32mm改为31.7mm*31.7mm）时，回波损耗在-12.5dB左右，频带宽度在2.39 GHz -2.50GHz,频点正好在2.45GHz。
由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。
12 探针在这个位置（X轴）工作特性不错，工作频带也较宽。
4.3 改变探针半径
在4.2的基础上，将探针半径改为0.4mm，其他条件不变，则所形成的反射系数图和2D辐射远场方向图如图19，图20所示。
图 19 反射系数图曲线（探针半径0.4mm）
图20 2D辐射远场方向图(探针半径0.4mm) 分析：① 在上一步的基础上，改变探针半径（由0.5mm改为0.4mm）时，回波损耗在-14.1dB左右，频带宽度在2.40 GHz -2.52GHz,频点正好在2.46GHz。
② 由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。
③ 此时，探针不在工作频点，可知探针半径太小，但由上研究可知，半
13 径在稍微改大一点应该可以使探针工作在2.45 GHz（这个问题由于时间问题没研究）。
总结：
① 当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点（如2.45GHz）。
② 对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。
③ 当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通过调整可以使贴片工作在频点。
5 设计体会
微波课设在短短的几天时间里完成了。首先非常感谢老师以及各位学长的帮助和指导。
由于老师已经在指导书上列出了很详细的操作步骤，设计思路都体现在里面，因此这次课设上手还是很快的。这使我们能够很快的把握住设计思路，进一步学会如何利用HFSS10这款软件设计微带天，并通过所形成的远区辐射场图和S曲线分析矩形微带天线的特性。学习将基础的理论知识应用到微带天线的实际设计中。做完之后再回头想一下，按照公式计算出来的矩形天线的参数运用到实际时，并不能使天线达到理想的辐射状态。这可能是由于一些共识的近似表示以及实际天线所处环境等因素造成。由此可知，在具体设计微带天线时要根据实际的情况对天线进行优化处理，使其达到理想辐射特点。当然在做实验时并不是特别顺利，所幸的是，在老师和几位学长的帮助指导下解决了，并从中学到很多东西。
此外，在这次课设中同学间的配合也是相当重要的。每个学生对老师课堂所讲的内容的接收程度不同。只有同学间的相互配合，提出问题，然后讨论最后解决，才能使课设结果达到更好的效果。
6 参考文献
《微波天线与技术》 西安电子科技大学出版社 刘学观 郭辉萍 编著。
