基于HFSS的天线设计流程

天线设计流程：1.确定设计目标2.查阅资料，确定形状，给出结构图（变量形式）3.仿真建模、求解4.优化设计，确定变量值5.版图，加工，测试设计目标：设计并实现一款超宽带天线，天线馈电方式采用50Ohm微带线进行馈电，天线在3.1-10.6GHz频段范围内满足S11-10dB，天线辐射方向图为全向。天线介质基板采用选用介质板FR-4，其相对介电常数为4.4，厚度为h=0.8mm。基于HFSS13.0的超宽带天线设计实例：一、建立工程菜单Project-InsertHFSSDesign二、设置求解模式菜单HFSS-SolutionType-天线为DrivenModal三、天线模型建立1、设置模型尺寸长度单位菜单Modeler-Units-mm-OK单位一般设置为毫米mm。2、天线模型结构本例天线采用的模型如图1所示，其详细结构尺寸见表1.图1超宽带平面天线结构图表1初步设计的超宽带平面天线尺寸w=16mml=32mmh=0.8mmwd=1.5mml1=12mmh1=11mmw1=3mmh2=20mmh3=4mm微带线阻抗验证：1)、采用AgilentAppCAD计算2、采用LineCalc计算工具（ADS中的工具）3、输入设计参量菜单Project-ProjectVariables或者HFSS-DesignProperties点击Add，输入w=16mm变量，详见下图依次输入表1中全部变量，最终如下图4、建立模型（1）创建介质板FR4（a）在菜单栏中点击DrawBox，在模型窗口任意创建Box1（b）双击模型窗口左侧的Box1，改名为Substrate，在点击Material后面的按钮，选择Edit，搜索FR4，选择FR4_epoxy点击确定。（c）双击模型窗口左侧Substrate的子目录Createbox，修改介质板大小及厚度。介质板长l=32mm，宽w=16mm，厚h=0.8mm，如下图所示，点击确定。（2）创建微带馈线（a）在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1（b）双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为microstrip，点击确定。（c）双击模型窗口左侧microstrip的子目录Createrectangle，修改微带传输线大小。微带线宽wd=1.5mm，长l1=12mm，微带线位于介质板顶层正中处。（3）创建接地板（a）在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意位置创建Rectangle1。（b）双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为groundplane，点击确定。（c）双击模型窗口左侧groundplane的子目录Createrectangle，修改接地板大小。接地板宽w=16mm，长h1=11mm，微带线位于介质板底层。（4）创建阶梯形辐射贴片（a）在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1。（b）双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为patch，点击确定。（c）双击模型窗口左侧patch的子目录Createrectangle，修改辐射贴片大小。贴片宽w=16mm，长h2=20mm，辐射贴片为与介质顶层与微带线相连。（d）在菜单栏中点击DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1和Rectangle2，分别改名为stair1和stair2.（e）修改stair1及stair2的大小w1=3mm，h3=4mm，分别为与辐射贴片左、右下角。（f）同时选中patch、stair1、stair2，并在菜单栏中点击ModelerBooleanSubstract，从patch中剪切掉stair1和stair2，点击OK。（5）创建空气盒设置Air空气盒（空气盒上下左右离天线大于四分之一波长，以3GHz为例，25mm为四分之一波长）（a）在菜单栏中点击DrawBox，在模型窗口任意创建Box1。（b）双击模型窗口左侧的Box1，改名为air，Transparent值设为0.8，点击确定。（c）双击模型窗口左侧air的子目录Createbox，修改空气盒大小。空气盒尺寸大小设置如下图。天线在空气盒正中，点击确定。5、设置边界条件（1）设置理想金属边界条件选中grandplane，在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignPerfectE，点击OK，同理设置microstrip和patch为PerfectE。（2）设置辐射边界条件选中air，在菜单栏中点击HFSSBoundariesAssignRadiation，点击OK。6、设置激励方式（a）创建XOZ面上的平面，在菜单栏中点击ModelerGridPlaneXZ，再点击菜单栏中DrawRectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1。（b）双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为port，点击确定。（c）双击模型窗口左侧port的子目录Createrectangle，修改馈电口大小。馈电口宽wd=1.5mm，长h=0.8mm，馈电口连接微带线和接地板。（d）选中port，在菜单栏中点击HFSSExcitationAssignLumpedPort，点击下一步，点击IntegrationLine中的None，选择NewLine，建立积分线，从port的下边线指向上边线，点击下一步，完成。（e）选中回XOY面，ModelerGridPlaneXY四、设置网格（可不设置，默认为自适应网格）五、加入天线远场辐射场HFSS-Radiation-Insertfarfieldsetup-InfiniteSphere1设置角度如下图所示：同理，然后依次创建XOZ_Plane，YOZ_Plane，XOY_Plane平面辐射场，如下图：最终如下图：六、设置求解频率、扫频等菜单-HFSS-Analysissetup-Addsolutionsetup（此频率点为Gain，eff（效率），方向图等参数），求解频率设为3GHz，点击确定。菜单-HFSS-Analysissetup-Addfrequencysetup（此频率为扫参，如S11、VSWR等参数），选择sweeptype为fast，扫频从2GHz到12GHz，点击OK。七、检验参数菜单HFSS-validationcheck八、保存保存（注意：工程保存的目录不能含有中文）九、求解HFSS-Analyzeall十、数据后处理（看仿真结果）1.S参数和驻波系数S11(returnloss):HFSS-Results-CreateModalSolution-Rectangularplot（可视）/Datatable(可导出)-选择solution中的“setup1：sweep”选项，Domain中的“Sweep”选项。-选择Sparameter-S11-dB点击newtrace。2.Gain/Directivity/efficiency（均涉及最大方向的问题，需要每个solution单个频点计算，最后拼接在一起）HFSS-Radiation-ComputeAntenna/Maxparams-然后如下图操作3.辐射场（1）3D辐射方向图HFSS-Results-CreateFarFieldsReport-3Dpolarplot做如下配置，然后点击newreport,得到3D辐射方向图（2）RadiationPatternHFSS-Results-CreateFarFieldsReport-RadiationPattern在弹出的对话框中，作如下配置，然后点击newreport,得到YOZ面的E面方向图。同理可以得到XOZ平面的辐射方向图，XOZ面为全向辐射。4.总结：由1中S参数结果表明，此天线距离S11-10dB的业界标准仍有一些差距，需要进一步优化设计。十一、参数优化如变量中某一尺寸等扫参：（以w1为例）（a）在菜单栏中点击HFSS-OptimetricsAnalysis-Addparametric/optimization，点击Add，选择变量w1,从3mm扫参到5mm，步进为0.5mm，点击Add，OK，确定。（b）HFSS-Analyzeall。（c）点击工程管理窗口中的Results-dB（S（1，1）），选择Families，查看扫参结果。2.004.006.008.0010.0012.00Freq[GHz]-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XYPlot1ANSOFTCurveInfodB(S(1,1))Setup1:Sweepw1='3mm'dB(S(1,1))Setup1:Sweepw1='3.5mm'dB(S(1,1))Setup1:Sweepw1='4mm'dB(S(1,1))Setup1:Sweepw1='4.5mm'dB(S(1,1))Setup1:Sweepw1='5mm'（d）选择最优w1=4mm，继续参扫其他参数，获取最优结果。2.004.006.008.0010.0012.00Freq[GHz]-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XYPlot1ANSOFTCurveInfodB(S(1,1))Setup1:Sweep表2优化后的最终定型尺寸w=17mml=30mmh=0.8mmwd=1.5mml1=12mmh1=11mmw1=4.2mmh2=18mmh3=4mm一些有用的参数与指标：1）电流分布首选选中同时groundplane，microstrip和patch，然后选择菜单栏中HFSS-Fields-plotfields-J-Mag_Jsurf选择Jsurfscale，更改坐标范围(1~100A/m,log)2）电场分布首选选中同时groundplane，microstrip和patch，然后选择菜单栏中HFSS-Fields-plotfields-E-Vertor_E3）三维方向图3Dplot【前边已经演示过】4）电流/电场动画菜单栏View-Animate-Mag_Jsurf1/Vector_E1-OK-OK十二、CAD制图（a）在菜单栏中点击ModelerExport，保存为dxf文件，此次导出的是底层。（b）导出上层，首先把上层的结构移动到底层，同时选中groundplane，microstrip和patch，做如下图移动右下角输入0,0,0，如下图然后按回车键，再次在右下角输入0,0，-0.8此时，上层结构已经移动到XOY面上，再次导出，并命名为antenna_top.dxf（c）用AutoCAD打开dxf文件，完成制图如下所示（d）分层说明，格式图层新建图层（top和bottom层）确定，分别选中上层和下次金属贴片的边框，定义为top层和bottom层。（e）绘图图案填充添加：拾取对象，点击贴片边框Enter确定。