CH4天线的设计仿真与优化

电磁工程设计与仿真第四章天线设计、仿真与优化（一）主要内容4.3同轴馈电微带天线的仿真与优化4.4微带馈电微带天线的仿真与优化4.1天线理论基础4.2微带天线分析与设计4.5微带天线阵设计与仿真4.6微带相控阵设计与仿真4.1天线理论基础封闭结构：不能有效向外部空间辐射开放结构：有效向外部空间辐射天线:能有效地发射或接收电磁波的装置。一、天线辐射原理HHHEEEE发射机时变信号It导体时变电流激励出时变磁场，时变磁场激励出时变电场，…，以电磁波形式传播。ttrDtrJtrH,,,ttrBtrE,,一、天线辐射原理电场：在J平面面内，E面磁场：垂直于J平面，H面振子天线振子辐射过程天线有方向性：不同方向辐射功率大小不同，用方向图描述。一、天线辐射原理二、天线参数1.辐射参数：方向图描述天线辐射场幅度在空间的分布情况：(,)f(1)3D方向图：（球坐标系）3D极坐标图3D直角坐标图1.辐射参数：方向图(2)2D方向图：主平面（E面、H面）EH电力线E面磁力线H面1.辐射参数：波瓣参数(1)波瓣主瓣：最强方向背瓣：主瓣相对副瓣：其他波瓣12(2)半功率宽度：场强为最大值功率密度为最大值1/20.523dB宽度(3)副瓣电平（SLL）maxmaxmaxmax10lgdB=20lgdBaviiiavSESLLSE1.辐射参数：方向性系数D与增益G(1)定义：002(,)/4avrSPr(2)含义：以平均辐射功率为标准来衡量辐射能量在天线主瓣方向上的集中程度。度各方向平均辐射功率密辐射功率密度某方向),(),(0000D002(,)4avinSPr(3)定义：度各方向平均输入功率密辐射功率密度某方向),(),(0000G(4)关系：aGDrainPP天线效率：不同天线要求增益不同：高增益高效率：雷达低增益全向性：通信2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比(1)辐射阻抗：辐射功率rPIinZinZZr22rrrrPZRjXI(2)输入阻抗：inVinI11inincinVZZI(4)驻波比：11VSWR天线要求：输入阻抗匹配，驻波比小，一般VSWR≤1.5。(3)反射系数：incincZZZZ2.输入端口参数：辐射阻抗、输入阻抗与驻波比应用：HFSSS11计算辐射阻抗。20je(3)谐振特性：当Xr=0时，天线谐振。谐振时，实数，且最大。inZZr(,)cZ00011rcrrZZRjX(1)去嵌入(De-embedding)：(2)计算辐射阻抗：inZ(,)cZ0LrRC4.2微带天线分析与设计一、微带天线结构微带基板(Substrate)：εr,tanδ,h接地面(GND)：有限接地面，通常按无限接地面处理贴片(Patch)：L，W，t,辐射电磁波馈线(Feed)：Wp,加入激励信号优点：低剖面；重量轻；易加工；易集成。缺点：损耗大，效率低。一、微带天线结构1.贴片形状一、微带天线结构2.馈电方式微带线边馈插入微带边馈同轴底馈缝隙耦合馈电电磁耦合馈电二、微带天线的分析1.理想微带谐振腔边缘：理想磁壁；长度：L=λg/2;电压：两端强，中间零；电流：两端零，中坚强。磁壁二、微带天线的分析2.边缘效应：辐射电导Gr等效辐射：同相双缝单缝辐射阻抗Zr=Rr+jXr：22901rrrLRW二、微带天线的分析3.谐振长度L：0.3/0.2640.4120.258/0.8rereWhLhWh0222greLL1122112/rrredweee+-?+谐振长度L：222ggLL二、微带天线的分析4.边馈输入阻抗Zin：（谐振时）由于两个缝隙间等效长度，具有阻抗搬移功能。22gLL22rrinZRZ输入阻抗：二、微带天线的分析底馈输入阻抗Zin：2inY1inY''1212''12rcrcininincccrcrYjYtgLYjYtgLYYYYYYjYtgLYjYtgL''11''1122'1222'12'11121,()2/cos,(,)2rcrccccrcrcrcrcrgrYjYtgLYjYtgLYYYjYtgLYjYtgLYYtgLYYYYtgLYLLLLL21121()cos2(0)cosrininZZLLLZLL此结果对于插入式微带馈电也适用。三、微带天线设计1.设计要求天线形式：同轴馈电微带天线工作频率：f=2.45GHz输入阻抗：50Ω驻波比:VSWR≤1.5三、微带天线设计2.基板选择选择Rogers5880微波基板材料，er=2.2,tanδ=0.0009基板厚度h对天线性能有较大影响：取：h=3.2mmh大时，有助于提高带宽：2()5.04,:,:BWMHzfhfGHzhmmh太大，容易出现高次模：0110h0112.210hmm三、微带天线设计3.贴片宽度W确定1/2122rrcWf太宽产生高次模，从而引起畸变：W大些对频带、效率及阻抗匹配都有利。W↑，Rr↓,便于与微带匹配1/230012.24822.452mm取：30Wmm22901rrrLRW22906461rrrLRW三、微带天线设计4.贴片长度L确定0.3/0.2640.4120.258/0.81.6rereWhLhWhmm1122112/1.997rrrehweee+-?+=2240gLLmm086.6gremm三、微带天线设计5.同轴及馈电位置确定同轴线特性阻抗：00,1ln2cbZa2b2a空气填充：1.6bmm0.7amm取：则：馈电位置：20cos5022rinRLZxL05.2xmm三、微带天线设计6.初步设计结果05.2xmm3.2hmm基本与后面仿真实例一致。可见初步设计很重要！它可知道变化规律：比如：fr—L关系Rr—W关系Zin-x0关系h—影响W—影响……4.3同轴馈电微带天线仿真与优化AProbeFedPatchAntenna:PatchRO5880Inf.GNDSub1:Ls=10cm,Ws=9cm，h=0.32cmCoax:Outerradius=0.16cm,Innerradius=0.07cm,airfilledL=4cmt=0cmW=3cm0.5cm1.AddingaProjectandDesignAddingaProject:MicrostripAntenna.hfssInsertHFSSDesign:ProbePatchSettingToolOptions:ToolsOptionsHFSSOptions:GeneraltabCheck“UseWizardsfordatainputwhencreatingnewboundaries.”Check“Duplicateboundaries/meshoperationswithgeometry.”ToolsOptionsModelerOptions:OperationtabCheck“Automaticallycoverclosedpolyline.”DrawingtabCheck“Editpropertyofnewprimitives.”SetSolutionType:HFSSSolutionType:DrivenTerminalSetModelUnits:ModelerUnits:cm2.CreateSubstrateSetDefaultMaterial:ModelerMaterialstoolbar,chooseSelect...Select:RogersRT/duroid5880(tm).2.CreateSubstrateDrawBoxProperties:Name:Sub1Boxposition:X=-5.0,Y=-4.5,Z=0.0dX:10.0,dY:9.0,dZ:0.32ViewFitAllActiveView,2.CreateSubstrateCreateInfiniteGround:DrawRectangleProperties:Name:Inf_GNDPositionX:-5.0,Y:-4.5,Z:0.0dX:10.0,dY:9.0,dZ:0.0Fittheview:2.CreateSubstrateAssignaPerfectEboundarytotheInfiniteGround:Selectthetrace:EditSelectByName,SelectInf_GNDAssignthePerfectEboundary:HFSSBoundariesAssignPerfectESpecifyname:PerfE_Inf_GNDCheck“InfiniteGroundPlane.”2.CreateSubstrateCreateInfiniteGroundCutOut:DrawCircleCenterpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0Radius:dX:0.16,dY:0.0,dZ:0.0Name:Cut_OutCompletetheInfiniteGround:SelecttheobjectsInf_GNDandCut_Out:ModelerBooleanSubtract:2.CreateSubstrateCreatePatch:DrawRectanglePositionX:-2.0,Y:-1.5,Z:0.32dX:4.0,dY:3.0,dZ:0.0Name:PatchAssignaPerfectEboundary:EditSelectByName:PatchHFSSBoundariesAssignPerfectE:PerfE_Patch3.CreateCoaxSetthedefaultmaterial:vacuumDrawCylinderCylinderpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0RadiusdX:0.16,dY:0.0,dZ:0.0HeightdX:0.0,dY:0.0,dZ:-0.5Name:CoaxCreatethecoaxouter:3.CreateCoaxCreatetheCoaxPin:setthedefaultmaterial:pecDrawCylinder:CylinderpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0RadiusdX:0.07,dY:0.0,dZ:0.0HeightdX:0.0,dY:0.0,dZ:-0.5Name:Coax_Pin3.CreateCoaxCreatetheWaveport:DrawCircleCenterpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:-0.5RadiusdX:0.16,dY:0.0,dZ:0.0Name:Port1EditSelectByName:Port1Assignwaveportexcitation:HFSSExcitationsAssignWavePortTheterminaliscreated3.CreateCoaxCreatetheProbe:DrawCylinderCylinderpositionX:-0.5,Y:0.0,Z:0.0RadiusdX:0.07,dY:0.0,dZ:0.0HeightdX:0.0,dY:0.0,dZ:0.32Name:Probe4.CreateRadiationBoundarySe