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10.3 HFSS 微帶天線設(shè)計(jì)和建模概述
本章所設(shè)計(jì)的天線實(shí)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(dòng)求解類型。在 HFSS 中如果需要計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng),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(jì)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(gè)波長(zhǎng)。因?yàn)槭褂昧溯椛溥吔绫砻妫酝S饋線的信號(hào)輸入/輸出端口位于模型內(nèi)部,因此端口激勵(lì)方式需要定義為集總端口激勵(lì)。
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(shí)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(méi)有落在 2.45GHz 上,還需要添加參數(shù)掃描分析,并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),改變微帶貼片的尺寸和同軸線饋點(diǎn)的位置,以達(dá)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(jì)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(diǎn)。
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(lái)代替,在HFSS 中可以通過(guò)給一個(gè)二維平面模型分配理想導(dǎo)體邊界條件的方式來(lái)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(jì)算出的參考地長(zhǎng)度和寬度分別為長(zhǎng)度 LGND≥62.3mm,寬度 WGND≥71.4mm,這里參考地長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)算出其長(zhǎng)度和寬度的初始值分別為長(zhǎng)度 L=31.0mm,寬度 W=41.4mm;設(shè)置其長(zhǎng)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(jì)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(gè)半徑 1.5mm 的圓孔,作為信號(hào)輸入輸出端口,該端口的激勵(lì)方式設(shè)置為集總端口激勵(lì)。使用 HFSS 分析設(shè)計(jì)天線一類的輻射問(wèn)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(gè)波長(zhǎng),2.45GHz 時(shí)自由空間中1/4 個(gè)波長(zhǎng)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(gè)微帶天線模型(包括參考地、介質(zhì)層和微帶貼片)的長(zhǎng)、寬、高為 90mm、90mm、5mm,所以輻射邊界表面的長(zhǎng)、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(jì),在建模時(shí)分別定義設(shè)計(jì)變量 Length、Width 和 Xf 來(lái)表示微帶貼片的長(zhǎng)度、寬度和同軸饋線的饋點(diǎn)位置。
10.3.2 HFSS 設(shè)計(jì)環(huán)境概述
>> 求解類型:模式驅(qū)動(dòng)求解
>> 建模操作,模型原型:長(zhǎng)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(lì):集總端口激勵(lì)
>> 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(jì)
>> 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(lái)詳細(xì)介紹具體的設(shè)計(jì)操作和完整的設(shè)計(jì)過(guò)程。
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