10.3 HFSS 微帶天線設(shè)計和建模概述

    本章所設(shè)計的天線實例是使用同軸線饋電的微帶結(jié)構(gòu)，HFSS 工程可以選擇模式驅(qū)動求解類型。在 HFSS 中如果需要計算遠區(qū)輻射場，必須設(shè)置輻射邊界表面或者 PML 邊界表面，這里使用輻射邊界條件。為了保證計算的準(zhǔn)確性，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4 個波長。因為使用了輻射邊界表面，所以同軸饋線的信號輸入/輸出端口位于模型內(nèi)部，因此端口激勵方式需要定義為集總端口激勵。

    天線的中心頻率為 2.45GHz，因此設(shè)置 HFSS 的求解頻率（即自適應(yīng)網(wǎng)格剖分頻率）為2.45GHz， 同時添加 1.5～3.5GHz 的掃頻設(shè)置，分析天線在 1.5～3.5GHz 頻段內(nèi)的回波損耗或者電壓駐波比。 如果天線的回波損耗或者電壓駐波比掃頻結(jié)果顯示諧振頻率沒有落在 2.45GHz 上，還需要添加參數(shù)掃描分析，并進行優(yōu)化設(shè)計，改變微帶貼片的尺寸和同軸線饋點的位置，以達到良好的天線性能。

    10.3.1 微帶天線建模概述

    使用 HFSS 設(shè)計的微帶貼片天線模型如圖 10.4 所示，模型的中心位于坐標(biāo)原點。

圖 10.4 微帶貼片天線的 HFSS 模型

    參考地和微帶貼片使用理想薄導(dǎo)體來代替，在HFSS 中可以通過給一個二維平面模型分配理想導(dǎo)體邊界條件的方式來模擬理想薄導(dǎo)體。參考地放置于坐標(biāo)系中 z=0 的 xOy 平面上，由10.2 節(jié)計算出的參考地長度和寬度分別為長度 LGND≥62.3mm，寬度 WGND≥71.4mm，這里參考地長度和寬度都取90mm。介質(zhì)層位于參考地的正上方，其高度為 5mm，長度和寬度都取 80mm。微帶貼片放置于 z=5 的 xOy 平面上，由 10.2 節(jié)計算出其長度和寬度的初始值分別為長度 L=31.0mm，寬度 W=41.4mm；設(shè)置其長度沿著 x 軸方向，寬度沿著 y 軸方向。使用半徑為 0.5mm 的圓柱體模擬同軸饋線的內(nèi)芯，圓柱體與 z 軸平行放置，由10.2 節(jié)的計算可知圓柱體的底面圓心坐標(biāo)為（9.5mm，0，0）；設(shè)置圓柱體材質(zhì)為理想導(dǎo)體（pec）；圓柱體頂部與微帶貼片相接， 底部與參考地相接；在與圓柱體相接的參考地面上需要挖出一個半徑 1.5mm 的圓孔，作為信號輸入輸出端口，該端口的激勵方式設(shè)置為集總端口激勵。使用 HFSS 分析設(shè)計天線一類的輻射問題，在模型建好之后，用戶還必須設(shè)置輻射邊界條件。輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4 個波長，2.45GHz 時自由空間中1/4 個波長約為 35mm，所以在這里設(shè)置輻射邊界表面距離微帶天線模型 35mm，整個微帶天線模型（包括參考地、介質(zhì)層和微帶貼片）的長、寬、高為 90mm、90mm、5mm，所以輻射邊界表面的長、寬、高可以設(shè)置為 160mm、160mm、75mm。

    為了方便后續(xù)參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計，在建模時分別定義設(shè)計變量 Length、Width 和 Xf 來表示微帶貼片的長度、寬度和同軸饋線的饋點位置。

    10.3.2 HFSS 設(shè)計環(huán)境概述

    >> 求解類型：模式驅(qū)動求解

    >> 建模操作，模型原型：長方體、圓柱體、矩形面、圓面； 模型操作：相減操作

    >> 邊界條件：理想導(dǎo)體邊界、輻射邊界

    >> 端口激勵：集總端口激勵

    >> 求解頻率：2.45GHz 

    >> 掃頻設(shè)置：快速掃頻，頻率范圍為 1.5～3.5GHz

    >> Optimetrics：參數(shù)掃描分析，優(yōu)化設(shè)計

    >> 數(shù)據(jù)后處理：S 參數(shù)掃頻曲線、VSWR、Smith 圓圖、天線方向圖、天線參數(shù)

    下面就來詳細介紹具體的設(shè)計操作和完整的設(shè)計過程。