综合课程设计 - 图文

综合课程设计

课程名称： 2.4GWIFI微带天线设计

姓 名： 学 号： 专业班级： 指导教师：

2014 ——2015 学年第 2 学期

南昌工程学院

一、 设计目的：

通过仿真了解微带天线的设计

二、 微带天线的基本概念

微带天线是在微带板上加上有一定形状金属导体片和另一面全部镀金属相当于由两部分变形的导线，其两端的变化造成电波的辐射。

其中全部镀金属的一面叫做接地板，另一面称为辐射元。微带板的厚度远小于波长，辐射元的长度约等于二分之一波长，微带线的馈电方式有微带线馈电的侧馈和同轴探针对贴片的背馈。这几部分构成了微带天线。

三、 微带天线的分析方法

天线的计算求解主要是计算出周围空间的电磁场性质，进而计算出电磁场的方向图，增益等参数，一直以来的分析方法可以分为以下三种：传输线模型理论、空腔模型理论、积分方程法也称为全波理论。传输线模型理论的分析比较简便，从一维的角度，把天线看作特殊的导线适用于矩形微带贴片天线。空腔模型理论相对传输线模型理论比较准确也实用，从二维的角度把天线和周围空间看做一个腔体来分析。积分方程法是最严格的，相对来讲属于三维的分析方法，从该方法可以衍生出很多种微带分析方法。

现在也产生了很多新的分析方法，格林函数法(Green’S Function Approach，GFA)是基于积分方程法的简化；多端网络法(Multiport Network Approach，MNA)是来源于空腔模型理论的延伸；在工程上比较实用的是有限元法，又分为解析法、近似解析法和数值法。在工程上比较实用的软件Ansoft HFSS便是建立在有限元法的基础上的。

四、 微带天线的基本电参数

1） 2） 3） 4） 5） 6）

中心频率：f0=2.45GHz 工作频段：2.4～2.4835GHz

驻波比系数：VSRW<2.0，f0处VSWR<1.1

频带宽度：绝对带宽大于84MHz，且相对带宽在3%以上 增益：G>3dB 输入阻抗：50W

五、 2.4G微带天线设计

仿真步骤：

1、建立新的工程 运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。 2、设置求解类型

（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 （a）选择Driven Modal。 （b）点击OK按钮。

3、创建微带天线模型 （1）创建地板GroundPlane。在菜单栏中点击Draw>Rectangle,

创建矩形模型。在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0按回车键。在特性（Property）窗口中选

择Attribute标签，将该名字修改为GroundPlane。 （2）为GroundPlane设置理想金属边界。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。在对话框中选择GroundPlane，点击OK确认。在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_Ground，点击OK确认。在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。

（3）建立介质基片。在菜单栏中点击Draw>Box或者在工具栏中点击按钮 ，创建长方 体模型。在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X: -22.5，Y：-22.5，Z：0。按回车键结束输入。输入各坐标时，可用Tab键来切换。输入长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：45，dY：45，dZ：5按回车键结束输入。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该名字修改为Substrate。点击Material选项后面的按钮，将材料设置为 Rogers R04003。点击Color后面的Edit按钮，将颜色设置为绿色，点击OK确认。 （4）建立贴片Patch。在介质基片上创建贴片天线。在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建 矩形模型。在坐标输入栏中输入起始点的坐标：X：-16，Y：-16，Z：5按回车键。在坐标Attribut标签，将该名字修改为Patch。点击Corlor后面的Edit按钮，将颜色设置为黄色，点击OK确认。

（5）为Patch设置理想金属边界。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name。在对话框中选择Patch，点击OK确认。在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为PerfE_Patch，点击OK确认。 （6）创建探针Pin。在菜单栏中点击Draw>Cylinder。在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐 标：X：0，Y：-8，Z：0按回车。在坐标输入栏中输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0 按回车键。在坐标栏中输入圆柱的高度：dX：0，dY：0，dZ：5；按回车键结束输入。在特性（Porperty）窗口中选择Attributr标签，将该圆柱的名字修改为Pin。点击Material后面的按钮，将材料设置为pec。利用快捷键Ctrl+D将模型调整至合适大小。（7）创建端口面Port。在菜单键中点击Draw>Circle。在坐标输入栏中输入圆心点的坐标：X：0，Y：-8，Z：0按回车键。在坐标输入栏输入半径：dX：0，dY：1.5，dZ：0按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将名字修改为Port。

（8）用GroundPlane 将Port减去。在菜单栏中点击Eidt>Select>By Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择GroundPlane和Port。在菜单栏中点击3D Modeler>Boolean >Subtract , 在Subtract窗口中做以下设置：Blank Parts：GroundPlane；Tool Parts：Port；选中 Clone tool objects before subtract 复选框。点击OK按钮结束设置。

4、创建辐射边界 创建Air，在菜单栏中点击Draw>Box,创建长方体模型。在右下角的坐标输入栏中输入长方体的起始点位置坐标：X：-80，Y：-80，Z：-35；按回车键结束输入。输入长方体的尺寸：dX：160，dY：160，dZ：70按回车键。在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将长方体的名字修改为Air。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name 。在对话框中选择Air，点击OK确认。在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation。在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK按钮。

5、设置端口激励

在菜单栏中点击Edit>Select>By Name，选中Port，在HFSS>Excitation>Assign>Lumped Port。在LumpedPort窗口的General标签中，将该端口命名为p1，点击Next。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。

总透视结构图

1）.接地板GroundPlane：90mm*90mm

2）.介质基片Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料Rogers R04003。 3）.贴片天线Patch:32mm*32mm

4）.探针Pin半径0.5mm*高5mm,材料Pec。

5）.端口面Port半径1.5，最后用GroundPlane将Port减去。 6）.空气框Air160mm*160mm*70mm,将辐射边界命名为Rad1。 7）.馈电点距Patch中心8mm处。

6、求解设置 为该问题设置求解频率及扫频范围 （a）设置求解频率。在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup 。在求解设置窗口中做以下设置：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。点击OK结束。

（b）设置扫频。在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Sweep 。选择Setup1，点击OK确认。在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，点击OK确认。

7、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。点击OK确认。

8、保存工程 在菜单栏中点击File>Save As,在弹出的窗口中将工程命名为hfss_Patch, 并选择保存路径。

9、求解该工程 在菜单栏点击HFSS>Analyze。

六、 仿真图与分析

1、（1）实验图(原)

（2）改变数据后的图

2、端口激励设置图

3、反射系数 （1）原图

(2)改变后图

分析: 反射系数没有多大改变 带宽为2.4--2.35= 0.5GHZ

4、3D polar plot （1）原图

（2改变后图

5. Data table （1）原图

（2）改变后

由数据可知， 最大辐射方向为160度 6、曲线图 （1）原图

（2）改变后

7、方向图 （1）原图

（2）改变后

七、 小结

讨论了微带天线的设计原理,分析了不同形状对微带天线的性能影响。设计了圆极化的微带天线.利用HFSS软件建立天线模型，得出了天性特性的仿真曲线，与理论设计值吻合较好。说明了本设计的有效性。

八、 实验感想

说实话，在此次设计实验之前，我对HFSS这个软件的认知几乎是一片空白，而对天线的设计也只是停留在简单的想法上，并不确切知道与天线相关的参数有哪些，各个参数又是怎样影响天线性能的，而要想设计一个天线又要经过一个怎样的过程。不过，经过此次天线设计实验后，首先我对HFSS这个软件的功能和操作有了较好的掌握，知道了怎样利用该软件完成天线的设计和优化工作。而在设计和仿真过程当中，也对天线的各个参数有了更加详尽的了解，对其是如何影响天线的性能有了深刻和直观的认识。在设计之初，我首先根据一个教程设计一款天线(见附图1)，但是经过优化后，工作频率是达到了要求，可带宽却只有设计要求的一半左右（结果见附图2，带宽为60MHz），虽然也想了其他方法来优化，但在带宽变宽的过程中工作频率也发生了较大的变化，最后实在没办法了（这是一个较大的遗憾），就重新根据另外一个教程做了上面的这个天线，该天线满足了所有的设计要求。失败的原因，我感觉首先还是对这个软件的使用不是很熟悉，另外对天线性能的优化没有一个明确的思路，对设计出来的天线结构细节也不是很清楚，所以不能在带宽和频率之间的调节中找到平衡点，即可以让双方都满足要求的天线尺寸。

但是在此次的设计实验当中，我也得到了一些经验和认识，首先端口的激励是如何设置的，如何添加积分线等。在仿真的过程中，对参数扫描的设置也很重要，首先需要一个粗略的扫描找到参数能够满足设计要求所在的一个较小区间，这样做，一方面节省扫描时间，另外也为下面的优化设计提供了方便。进行参数扫描时，要知道需要扫描哪些参数，通过扫描的结果来分析不同的天线参数分别是怎样影响天线性能的，这也为后面的优化设计做好了准备。例如在此次设计试验中，我们知道天线的长度对谐振频率的影响很大，但是天线的宽度对谐振频率的影响很小并且对带宽的影响也较小，所以在优化设计的过程中，只需对天线的长度优化即可。

通过实验验证还发现，由理论公式推导出来的参数并不能满足实验的设计要求，所以需要后续的参数扫描和参数的优化设计，但是计算出来的参数可以作为我们天线设计的初始值，首先让我们对参数的范围有了一个大概定量的认识，而不是在设计过程中，随便设定参数，这样既浪费时间，也很难设计出满足实验设计要求的天线来。天线设计完成后，需要通过一

些参数扫描报告图来验证天线设计的正确性，所以优化设计后，先后查看了S11参数，S11参数的Smith圆图，电压驻波比，天线的三维增益方向图、平面方向图等。

此次天线设计是基于微波技术与天线这门课程和软件HFSS实现的，该实验既是对我们自己专业知识的一次检验，也锻炼了我们的实践能力，问题处理能力。同时，通过这个设计实验，理论与实践相结合，使得我们对所学知识有了一个形象化的认识和理解。虽然在设计仿真的过程中遇到了一些小的问题，但是在与同学讨论或者问过老师后都得到了较好的解决。

最后感谢张老师在此期间，给予我们的耐心指导和宝贵意见。

八、参考文献

【1】扬正君．移动通信新技术【J】．现代通信．2001(12)：127—130．

【2】I·J·鲍尔，P．布啥蒂亚．傲带天线．北京；电子工业出版社，1985t2S． 【3】王增和．卢春兰．饯祖平．天线与电波传播￡．北京：机械工韭出版社。2003：214—217．

【4】孙孟发．徽带天线技术及其发展 无线电工程．1998．28(4)：13一15．

【5】党怀锁．刘延广．徽带天线的反设计研究．探测与控制学报。1999．21(1)：35—39．

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8h7g.html