基于HFSS 的微帶天線建模仿真研究

宋慶武

摘要：微帶天線由于具有很多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域?？墒怯捎谖炀€產(chǎn)生的表面波會(huì)向周圍空間輻射電磁波，首先降低了天線的輻射效率，而且還會(huì)使天線方向圖惡化，在應(yīng)用中容易受到干擾。該文對(duì)于普通微帶天線的性能進(jìn)行了分析，并研究了HFSS仿真軟件在微帶天線建模研究中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微帶天線；增益；方向性；HFSS

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）26-0199-03

Research of Microstrip Antenn Modeling Based HFSS

SONG Qing-wu

（Hulunbeier Meterological Administration， Hulunbeier 021008， China）

Abstract： Microstrip antenn as have many advantages and is widely applied to many areas. However， microstrip antenna surface wave electromagnetic radiation to the surrounding space， first of all to reduce the radiation efficiency of the antenna， but also to make the antenna pattern deterioration， susceptible to interference in the application.This article analysis ordinary microstrip antenna's performance and discusses the application of the HFSS simulation software in microstrip antenn modeling.

Key words： microstrip antenna； antenna gain； directional； HFSS

1 微帶天線簡(jiǎn)介

1.1 微帶天線的優(yōu)點(diǎn)

伴隨著日益迅速的社會(huì)信息化發(fā)展，對(duì)于在無線通信中發(fā)射和接受信號(hào)的關(guān)鍵設(shè)備天線的研究也越來越顯得重要。而與普通天線相比，微帶天線正是因?yàn)橛辛巳缦聝?yōu)點(diǎn)才被應(yīng)用的日益廣泛。

重量輕、體積小、貼片薄，方便和天線載體共形，而且除了需要在饋電點(diǎn)位置引出線孔之外，并不會(huì)破壞天線的形狀和結(jié)構(gòu)，在這些方面對(duì)于對(duì)體積、形態(tài)有嚴(yán)格要求以及精度要求極高的領(lǐng)域特別有利。

電性能多樣化。對(duì)微帶天線的設(shè)計(jì)不同，可以靈活的調(diào)整其最大輻射方向和變化范圍，可以實(shí)現(xiàn)不同形式的極化。

易于實(shí)現(xiàn)模塊化，可以與電路以及有源器件集成到一塊電路中，方便整體電路的制作和具體調(diào)試。因此方便大規(guī)模生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本。

微帶天線可以與其他如開關(guān)、放大器等其他器件共同直接設(shè)計(jì)在天線基片上，方便天線的組合設(shè)計(jì)和制作。

1.2 微帶天線的缺點(diǎn)

微帶天線在受到廣泛應(yīng)用的同時(shí)期本身具有的缺陷卻制約了天線的進(jìn)一步應(yīng)用。其缺點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1）天線的功率損耗比較大，特別是在行波形式傳輸?shù)奈炀€中，在負(fù)載上將產(chǎn)生大量損耗，導(dǎo)致天線效率降低。

2）由于天線本身尺寸較小，所以單個(gè)微帶天線一般功率容量較小，通常只使用于功率需求較小的場(chǎng)合。

3）頻譜范圍較窄，需要尋找改進(jìn)辦法。

4）天線性能受基片材料介電系數(shù)影響大。

5）微帶天線存在表面波，影響天線性能。

6）多數(shù)微帶天線輻射方向不能自由控制，天線增益會(huì)受到限制。

2 微帶天線的輻射機(jī)理

微帶天線的輻射可以是由微帶天線導(dǎo)體貼片邊沿與接地板邊沿之間的場(chǎng)分布作用所產(chǎn)生，也就是說天線的輻射可以由天線貼片上的表面分布電流來進(jìn)行描述。由于這種描述是建立在微帶貼片和接地板形成電磁場(chǎng)基礎(chǔ)上，在這種情況下的天線輻射對(duì)天線品質(zhì)因數(shù)的影響能看成是工作頻率、介電系數(shù)以及基片厚度等函數(shù)變化。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電磁波頻率很高時(shí)，電磁輻射的所占損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)體和介質(zhì)產(chǎn)生的損耗，而且在基片較厚介電常數(shù)較低時(shí)，開路微帶線的輻射較強(qiáng)。

由于對(duì)于天線貼片場(chǎng)分布的計(jì)算比較復(fù)雜，下面以矩形微帶天線為例可以簡(jiǎn)單理解其輻射原理。假設(shè)天線貼片輻射元長(zhǎng)為L(zhǎng)一般取貼片長(zhǎng)度Lλ/2，寬為W，介質(zhì)基片厚度為h。假使接地板與天線貼片之間基板的電場(chǎng)沿其厚度h和寬度W方向沒有變化，只是在L長(zhǎng)度方向變化。此時(shí)微帶貼片天線可以看成長(zhǎng)L寬W的有限微帶傳輸線，因?yàn)槠湟籛端處于開路狀態(tài)，所以存在電壓波腹點(diǎn)，又由于Lλ/2所以貼片另一端W處也是電壓波腹點(diǎn)。且兩開路端垂直電場(chǎng)分量相互抵消而在水平方向的值相同，能夠等效成在無限大的平面上相同激勵(lì)的兩縫隙，縫隙電場(chǎng)方向與長(zhǎng)L向垂直，沿寬W分布，縫隙寬為lh，長(zhǎng)為W，兩縫隙之間相隔lλ/2，也就是微帶天線的電磁波能量輻射可以看成由兩個(gè)同相縫隙所形成的陣列。

3 微帶天線饋電方式

微帶天線的饋電方式有很多，不同的饋電方式和饋電位置對(duì)輻射特性的影響的是不同的。由于大多數(shù)微帶天線在介質(zhì)基片上的一面是接地的，只有在基片另一面存在天線輻射單元，所以基于本文使用和所學(xué)知識(shí)有限，下面只介紹兩種天線饋電方式：微帶饋電和同軸線饋電。

用微帶線饋電時(shí)由于饋線與微帶貼片在一個(gè)平面，方便整體光刻，制作簡(jiǎn)單，成本較低。但是饋電線自身也產(chǎn)生輻射會(huì)干擾微帶天線的方向性，降低天線增益，所以常需要微帶天線寬度較小要求W，為電磁波傳輸波長(zhǎng)。

對(duì)于阻抗匹配可以通過適當(dāng)?shù)母淖凁侂婞c(diǎn)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)場(chǎng)只沿貼片寬度方向變化時(shí)，只需要沿寬度方向變化饋電點(diǎn)的位置就可以改變輸入阻抗從而容易的實(shí)現(xiàn)匹配。

作為微帶天線最常用的饋電方式之一，同軸饋電方式的優(yōu)點(diǎn)是：為了避免對(duì)天線輻射的影響，可以在天線貼片內(nèi)任意位置取為饋電點(diǎn)，方便天線匹配。而其缺點(diǎn)則是其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不方便集成到電路中，另外對(duì)于同軸饋電位置的尋找并不容易。

4 Ansoft HFSS功能簡(jiǎn)介

Ansoft HFSS軟件是美國(guó)Ansoft公司研發(fā)的全波三維電磁仿真軟件；是世界上第一款同類功能軟件，該軟件的分析方法采用有限元法，計(jì)算結(jié)果精確，是公認(rèn)的電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)與分析電子設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS采用了圖形用戶界面，簡(jiǎn)潔直觀，擁有自動(dòng)化的設(shè)計(jì)流程，精確穩(wěn)定的自適應(yīng)場(chǎng)解器計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。對(duì)于微帶天線，它能夠計(jì)算出天線參量很多，包括增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖以及3dB帶寬等等很多。

Ansoft HFSS軟件是一個(gè)分析電磁結(jié)構(gòu)的工具。在分析計(jì)算電磁結(jié)構(gòu)性能時(shí)還具有強(qiáng)大的后處理功能。應(yīng)用Ansoft HFSS軟件可以分析并顯示：

1）基本電磁場(chǎng)得解和其邊界問題，還有場(chǎng)的輻射問題。

2）天線輻射能量的增益方向圖和各種天線參數(shù)。

3）S參數(shù)曲線。

4）端口特征阻抗和傳輸常數(shù)。

當(dāng)在軟件仿真時(shí)設(shè)計(jì)出特定結(jié)構(gòu)，確定各個(gè)物體的介質(zhì)參數(shù)，設(shè)定其表面參數(shù)，系統(tǒng)就會(huì)計(jì)算出特定的場(chǎng)解。Ansoft HFSS軟件允許在用戶建立一個(gè)問題時(shí)可以指定在一個(gè)頻率范圍內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)頻率點(diǎn)。

5 微帶天線的建模仿真

Ansoft HFSS軟件提供的三維模型設(shè)計(jì)界面方便使用，視角直觀。建立一個(gè)工程集體有下面幾個(gè)步驟：

運(yùn)行并建立工程

啟動(dòng)HFSS軟件，運(yùn)行后會(huì)自動(dòng)新建一個(gè)工程文件。可以通過文件管理將其

重新命名。

設(shè)置求解類型

從主菜單【HFSS】→【Solution Type】，其中有三種解算類型，選擇第一種Driven Modal（模式驅(qū)動(dòng)）根據(jù)波導(dǎo)模式入射與反射功率表示S參數(shù)。

創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型

在創(chuàng)建模型之前設(shè)置好相關(guān)選項(xiàng)。由【Modeler】→【Units】將Select units

項(xiàng)選擇毫米（mm）。之后首先創(chuàng)建參考地平面9mm90mm命名為，對(duì)其分配理想導(dǎo)體邊界條件，即在HFSS→Boundaries Assign中選擇理想電邊界Perfect E表示電場(chǎng)垂直于表面。其次，創(chuàng)建介質(zhì)板基片，創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)寬高為80mm80mm5mm的長(zhǎng)方體作為介質(zhì)板，確定其材料為Rogers R04003，命名為Substrate。然后創(chuàng)建微帶貼片，在介質(zhì)板上表面創(chuàng)建平面為微帶貼片，其尺寸為長(zhǎng)寬為34mm24mm，將其命名為Patch，同對(duì)參考地面一樣對(duì)其分配理想導(dǎo)體邊界條件。進(jìn)一步是建立同軸饋電內(nèi)芯，在介質(zhì)板內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)圓柱體，材質(zhì)為理想導(dǎo)體PEC，這里被賦值為PEC的物體表面將被自動(dòng)設(shè)置為Perfect E邊界，其底面圓心距離貼片中心為沿X軸9.5mm即（9.5mm，0，0），半徑為0.5mm，高5mm如下圖所示。

然后需要建立信號(hào)傳輸端口面。需要在參考地GND面開一個(gè)允許能量傳輸?shù)膱A孔，圓心同樣為（9.5mm，0，0）半徑為1.5mm，并將其命名為Port。將GND與其相減并保留圓面本身。最后是創(chuàng)建輻射邊界表面，首先建立長(zhǎng)方體其長(zhǎng)×寬×高為160mm×160mm×75mm，其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（-80，-80，-35），并確認(rèn)其為真空（vacuum）將其命名為Air，對(duì)Air四周設(shè)置為輻射邊界也稱為吸收邊界用其來模擬開放的表面，即在右鍵彈出菜單中選擇【Assign Boundary】→【Radiation】直接對(duì)彈出窗口點(diǎn)擊OK按鈕。至此微帶貼片天線的模型就創(chuàng)建完成了。具體如圖所示：

天線整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后將對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)端口設(shè)置，將同軸線信號(hào)端口面即圓面Port的激勵(lì)方式設(shè)置為集總端口激勵(lì)。主要步驟就是選中面Port右鍵菜單中選【Assign Excitation】→【Lumped Port】設(shè)置集總端口積分校準(zhǔn)線，并且將端口阻抗設(shè)置成50歐姆。

最后是仿真運(yùn)行結(jié)果之前的分析求解設(shè)置。本次設(shè)計(jì)的微帶貼片天線的中心工作頻率在4GHz，掃描范圍為1.5 GHz到5 GHz，選擇Lineaar Count模式。

通過前面的操作已經(jīng)完成了模型創(chuàng)建和求解設(shè)置等有關(guān)步驟，接下來就可以運(yùn)行仿真計(jì)算，先對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查，顯示無誤后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。HFSS具有功能強(qiáng)大且十分靈活的數(shù)據(jù)管理和繪圖能力，可以輸出參考天線的諧振特性圖以及天線的方向圖等多種圖形。在仿真計(jì)算完成后我們就可以對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，首先我們需要其輸出S參數(shù)，通過簡(jiǎn)單設(shè)置系統(tǒng)會(huì)將其S參數(shù)曲線結(jié)果輸出，其特性圖如圖6。

為了更近一步認(rèn)識(shí)微帶天線的具體特性，我們對(duì)于一種常見的微帶天線進(jìn)行仿真建立模型分析。應(yīng)用HFSS仿真軟件建立如圖所示的天線：

上圖所建立天線模型具體尺寸為：90×90的接地板上的介質(zhì)板尺寸為80×80×5，其相對(duì)介電系數(shù)為3.55，微帶貼片大小為31×41.4，用同軸饋電方式建立內(nèi)芯，并設(shè)置好激勵(lì)端口。最后對(duì)其數(shù)據(jù)分析。得其S參數(shù)曲線及方向圖如下：

x可以看出以上建立的天線其S參數(shù)最小時(shí)的頻率為2.35G，S最小值為-14.8dB。

6 結(jié)束語

微帶天線在當(dāng)今諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。HFSS軟件具有強(qiáng)大的天線設(shè)計(jì)功能，只需要用戶創(chuàng)建或者導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型，確定模型材料的各個(gè)具體屬性，正確確定模型的邊界條件及激勵(lì)，軟件就可以計(jì)算出用戶需要的各種設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)于科學(xué)研究和實(shí)際工作都是十分重要的幫助。

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