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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。
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