基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计

JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)󰀁.4Nov.2008

基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计

张天瑜

(无锡市广播电视大学机电工程系,江苏无锡214011)

摘󰀂要:微带贴片天线的贴片形状是影响天线性能的重要因素.通过HFSS软件对矩形微带贴片天线和圆形微

带贴片天线进行设计与仿真,比较了两种不同形状贴片天线的尺寸以及各自的S参数图、方向图和输入阻抗图.仿真结果表明两种微带贴片天线都存在带宽过窄的问题.综合考虑天线的各项性能指标,矩形微带贴片天线要优于圆形微带贴片天线.

关键词:微带贴片天线;S参数;方向图;输入阻抗;HFSS仿真

󰀁3873󰀁(2008)04󰀁0121󰀁05中图分类号:TN823󰀂󰀂文献标识码:A󰀂󰀂文章编号:1674

1󰀂引言

微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线,它具有剖面低、体积小、重量轻、可共形、易集成、馈电方式灵活、便于获得线极化和圆极化等优点.目前已在移动通信、卫星通讯、导弹遥测、多普勒

(2)可以按用户指定的精度计算多端口结构端口处的S参数.(3)能以电场强度E和磁场强度H作为

基本物理量,从麦克斯韦(Maxwell)方程出发,求解微波元件中的电场和磁场的分布和各种曲线及图形.(4)可以同时分析多个微波元件,即进行并行处理.(5)能够与频域/时域的电路仿真器Nexxim和

雷达等许多领域获得了广泛的应用.其中贴片的形AnsoftDesigner实现动态链接,拥有方便的原理图集状是影响天线性能的重要因素之一,它直接影响着成和仿真数据的管理,具备功能强大而高效的电磁天线的带宽、频率、增益等指标.在微带贴片天线的响的,所以需要对天线的性能指标进行综合考虑,从而来选择符合实际需要的贴片形状

[1󰀁5]

场设计流程.

(1)设定HFSS软件运行参数,如设定解算类型、是否复制几何图形的边界、是否打开各工具窗口

等.(2)打开新的工程,并在工程中插入一个或多个的技术指标以及计算所得到的天线参数,如天线的尺寸、材料、激励、边界等,获得仿真天线模型[6].(4)设置仿真天线模型的分析参数,如插入远场设置、解算频率、起始频率、终止频率、扫频模式、扫描次数,并进行校验分析.(5)根据仿真天线模型来获得天线对应的特性图,如S参数图、方向图、输入阻抗图.

设在接地板未开缝的情况下,中心频率fr=

设计过程中,由于多项技术指标是互相联系、互相影2.2󰀂HFSS仿真设计的过程

.本文通过

Ansoft公司的HFSS软件分别对矩形和圆形两种常

见的微带贴片天线进行设计和仿真,并对其天线性HFSS设计(insertHFSSdesign).(3)根据天线设计时能进行了比较与分析.

2󰀂仿真设计

2.1󰀂HFSS仿真软件的介绍

高频结构仿真器(HighFrequencyStructureSimu󰀁lator,HFSS)是一款界面友好、功能完备、采用有限元维无源结构的高频电磁场,能直接得到特征阻抗、传

法的三维全波电磁场仿真软件,可分析仿真任意三2.3󰀂矩形微带贴片天线的设计与仿真

播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结2.34GHz,接地板的尺寸为50mm 50mm,介质板果.它广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、材料为FR4,相对介电常数󰀁r=4.4,介质板的厚度通信等多个领域,具有以下特色功能:(1)用户可以通过交互式界面输入高频元件或电路的几何结构、材料类型、端口位置、端口特性阻抗定义线等参数.

h=1.6mm.

矩形微带贴片天线的各参数通过下列公式计算[7]:

收稿日期:2008󰀁07󰀁27作者简介:张天瑜(1980󰀁),男,江苏无锡人,现为无锡市广播电视大学机电工程系讲师,江南大学硕士.研究方向:通信、电工电子、控制、小波领域的研究.

!121!c󰀁r+1󰀂W<2fr2

󰀂l=0.412h

-1/2

c为光速W为贴片的宽度(1)

矩形微带贴片天线具有相同的中心频率、介质板材

料、相对介电常数及介质板厚度[9].

在频率较低时(小于2GHz),圆形微带贴片天线贴片半径的计算公式为:

a=1.841 c2∀fr󰀁r

(10)

(󰀁r+0.3)(W/h+0.264)

󰀂󰀂󰀂

(󰀁r-0.258)(W/h+0.8)

󰀂l为等效延伸长度(2) g

L=-2󰀂l󰀂󰀂L为贴片的长度

2󰀁r+1󰀁r-110h-1/2󰀁e=+1+

22W

󰀁e为等效介电常数

0=

(3)

在频率较高时(大于2GHz),圆形微带贴片天

(4)

线的贴片半径还与介质板的厚度有关,其计算公式

为:

ae=a[1+

2h∀a(ln+1.7726)]2∀a󰀁2hr

(11)

C󰀂󰀂 (5)0为电磁波波长fr 0

g=󰀂󰀂 g为等效电磁波波长(6)

󰀁e

设辐射边界的长宽略大于接地板与介质板的长宽,其顶部高于贴片 0/4.

GND尺寸:Lc∀L+0.2 g󰀂Lc为接地板的长度

(7)

Wc∀W+0.2 g󰀂󰀂Wc为接地板的宽度

(8)

由于使用理论半径所设计出的天线无法满足天线的实际使用性能,所以圆形贴片的实际半径要比理论值大得多,并且需要通过不断调整仿真参数来

满足天线的设计要求[10].通过多次调整与仿真,最后获得圆形微带贴片天线模型的参数设置如下:

Sub(-23,-23,0)dx=46,dy=46,dz=1.6

boxFR4#epoxy

建立坐标系,其中X轴代表微带天线的贴片长GND(-23,-23,0)dx=46,dy=46,dz=0度,Y轴代表微带天线的贴片宽度,Z轴代表微带天rectanglepec线的贴片高度,则同轴馈线的位置为(!p,0,0).

其中!p=2-Larccos5W(9)

L∀6 0

矩形微带贴片天线模型的参数设置如下所示:GND(-25,-25,0)dx=50,dy=50,dz=0rectanglepec

Sub(-25,-25,0)dx=50,dy=50,dz=1.6boxFR4#epoxy

Patch(-12,-8,1.6)dx=24,dy=16,dz=0rectanglepec

Patch(0,0,1.6)dx=17.7,dy=0,dz=1.6rect󰀁anglepec

Coax(-6.9,0,0)dx=0.9246,dy=0,dz=-1.6cylindervacuum

Coax#pin(-6.9,0,0)dx=0.402,dy=0,dz=-1.6cylinderpec

Probe(-6.9,0,0)dx=0.402,dy=0,dz=1.6cylinderpec

Port(-6.9,0,-1.6)dx=0.9246,dy=0,dz=-1.6circle

Coax(-3.45,0,0)dx=1.15,dy=0,dz=-1.6Cut(-6.9,0,0)dx=0.9246,dy=0,dz=0cir󰀁cylindervacuumcle

Port(-3.45,0,-1.6)dx=1.15,dy=0,dz=0通过计算可得:贴片半径a=17.7mm,则贴片circle的面积为S=983mm2.

Coax#pin(-3.45,0,0)dx=0.5,dy=0,dz=-1.6cylinderpec

Probe(-3.45,0,0)dx=0.5,dy=0,dz=1.6cylinderpec

Airbox(-35,-35,30)dx=70,dy=70,dz=-30boxvacuum

通过计算可得,贴片的宽度W=24mm,贴片的长度L=16mm,由此贴片的面积为S=348mm.

以上是采用背馈式的矩形微带贴片天线所示.

2.4󰀂圆形微带贴片天线的设计与仿真

为了方便对照,设圆形微带贴片天线与上述的!122![8]2

以上是采用背馈式的圆形微带贴片天线,利用

HFSS软件进行仿真所得的天线模型,如图1(b)所示.

2.5󰀂两种微带贴片天线的性能比较

在矩形微带贴片天线与圆形微带贴片天线仿真模型的基础上,通过HFSS软件设置相关的分析参数,最终获得天线的特性图,包括S参数图,方向图以及输入阻抗图,它们分别如图2、图3和图4所示.S参数是在波端口处电磁波的反射功率与入射功率之比,它和阻抗匹配有关,并且决定着驻波比.S参数图是描述天线的S参数随频率变化的图形.一般认为S参数小于-10dB时,天线才能正常工作,此时的驻波比大致为2.绝对频带宽度定义为S参

,利

用HFSS软件进行仿真所得的天线模型,如图1(a)

图1󰀂微带贴片天线的仿真模型

数小于-10dB的频率范围.相对频带宽度定义为方向图是用来表示天线的辐射参量随空间方位变化

绝对带宽与中心频率之比.在图3(a)中,矩形微带的图形.E面和H面分别反映了天线在XOZ面和贴片天线的中心频率为2.34GHz,上截止频率为YOZ面上的增益大小.通过图3(a)和图3(b)的比较2.38GHz,下截止频率为2.30GHz,绝对频带宽度为0.08GHz,相对频带宽度为3.42%,S参数的最低点为-20.58dB.在图3(b)中,圆形微带贴片天线的中心频率为2.32GHz,这是由于为了获得效果更好的E面与H面的空间增益,导致天线的中心频率产生了微小的偏移.其上截止频率为2.36GHz,下截止频率为2.28GHz,绝对频带宽度为0.08GHz,相对频带宽度为3.45%,S参数的最低点为-39.55dB.

可以发现两种不同形状的微带贴片天线的对称性都较好,在Z轴方向上,两者的辐射强度都达到最大值.其中矩形微带贴片天线的增益为2.069dB,圆形微带贴片天线的增益为1.013dB.由此可得,矩形微带贴片天线的E面和H面在Z轴方向上辐射较强要强于圆形微带贴片天线,其方向性较圆形微带贴片天线更好.

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入

图2󰀂S参数图

图3󰀂方向图

!123!图4󰀂输入阻抗图

电流的比值[11,12].输入阻抗图是描述天线的输入阻抗随频率变化的图形.当输入阻抗的虚部为零时,如果实部等于50#,则天线与馈线达到阻抗完全匹配,此时S参数可以达到很小.在图4(a)中,当矩形微带贴片天线输入阻抗的虚部为零时,实部为50󰀂14#,并且在虚部接近零时,实部下降比较平滑,所以阻抗匹配很好.在图4(b)中,当圆形微带贴片天线输入阻抗的虚部为零时,实部为50.71#,并且在虚部接近零时,实部下降也比较平滑,所以阻抗匹

计要求的圆形贴片面积是矩形贴片面积的2.56倍,这样矩形微带贴片天线在尺寸上就更占优势;(3)对比两种贴片天线的方向图可知,矩形微带贴片天线的增益是2.069dB;而圆形微带贴片天线的增益只有1.013dB,矩形微带贴片天线的方向性更具优势;

(4)不论是矩形微带贴片天线还是圆形微带贴片天线,其输入阻抗的频率特性都较好,两种天线与馈线都可以很好的达到阻抗匹配[16].

配略逊色于矩形微带贴片天线.

3󰀂结语

通过对矩形微带贴片天线与圆形微带贴片天线的比较,可以得到以下结论:

(1)贴片形状的不同对微带天线的带宽影响不大,两种贴片天线的相对带宽都非常窄,在3.4%左右,这是微带贴片天线的一个重大缺陷.随着双模态滤波、多层缝隙耦合、双极化、半U型开缝等先进技术在扩频方面的不断发展,微带贴片天线的带宽将得到有效的扩展[13󰀁15];

(2)在中心频率相同、介质板材料相同、相对介电常数相同、介质板厚度相同的前提下,满足天线设

随着EDA技术的飞速发展,HFSS已经成为微带天线设计人员不可缺少的工具.通过HFSS软件的仿真分析,可以直观地看出矩形微带贴片天线与

圆形微带贴片各自的优缺点,在一般情况下(具体要求贴片形状的微带天线除外)矩形微带贴片天线相对于圆形微带贴片天线的优势非常明显,无论从贴片的尺寸大小还是增益上,矩形微带贴片天线都应是首选.随着扩频技术的发展,微带贴片天线的应用领域将会变得越来越广.

参󰀂考󰀂文󰀂献

[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

[2]王扬智,张麟兮,韦󰀂高.基于HFSS新型宽频带微带天线仿真设计[J].系统仿真学报,2007,19(11):2603~2606.

[3]ChairR,KishkAA,LEEKF.Comparativestudyonthemutualcouplingbetweendifferentsizedcylindricaldielectricresonatorsantennasandcircularmi󰀁

crostrippatchantennas[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2005,53(3):1011~1019.

[4]LeeS,WooJ,RyuM,etal.Corrugatedcircularmicrostrippatchantennasforminiaturisation[J].ElectronicsLetters,2002,38(6):262~263.

[5]MakCL,LukKM,LeeKF,etal.ExperimentalstudyofamicrostrippatchantennawithanL󰀁shapedprobe[J].IEEETransactionsonAntennasandProp󰀁

agation,2000,48(5):777~783.

[6]WangJJ,ZhangYP,KaiMC,etal,Circuitmodelofmicrostrippatchantennaonceramiclandgridarraypackageforantenna-chipcodesignofhighlyin󰀁tegratedRFtransceivers[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2005,53(12):3877~3883.[7]王󰀂斌,曲新波,张宏苏.短路针加载矩形微带贴片天线的研究[J].军事通信技术,2006,27(4):58~61.

[8]栾秀珍,谭克俊,邰佑诚.小型矩形微带贴片天线的理论分析[J].大连海事大学学报(自然科学版),2002,28(2):66~68.[9]伍󰀂刚,张小平.基于腔模理论对圆形微带天线的研究[J].微计算机信息,2007,23(9):162~163.

[10]VermaAK,Nasimuddin.Analysisofcircularmicrostrippatchantennaasanequivalentrectangularmicrostrippatchantennaoniso/anisotropicthicksub󰀁

strate[J].IEEProceedingsMicrowaves,AntennasandPropagation,2003,150(4):223~229.

[11]JaissonD.Simplemodelforcomputingtheinputimpedanceofarectangularpatchantennawithelectromagneticcoupling[J].IEEProceedings󰀁Microwaves,

AntennasandPropagation,2005,152(6):476~480.

!124![12]BurumN,SipusZ.Inputimpedanceandmutualcouplingofsphericalrectangularmicrostrippatchantennas[C].ICECom2003.17thInternationalConfer󰀁

enceonAppliedElectromagneticsandCommunications,2003:209~212.

[13]AbunjailehAI,HunterIC,Kemp,AH.Applicationofdual󰀁modefiltertechniquestothebroadbandmatchingofmicrostrippatchantennas[J].IETMi󰀁

crowaves,AntennasandPropagation,2007,1(2):273~276.

[14]MatinMA,SharifBS,TsimenidisCC.Duallayerstackedrectangularmicrostrippatchantennaforultrawidebandapplications[J].IETMicrowaves,An󰀁

tennasandPropagation,2007,1(6):1192~1196.

[15]GaoS,LiLW,LeongMS,etal.Abroad󰀁banddual󰀁polarizedmicrostrippatchantennawithaperturecoupling[J].IEEETransactionsonAntennasand

Propagation,2003,51(4):898~900.

[16]丁󰀂毅,王光明,苏文然.一种新型单层单贴片宽带圆形微带天线[J].弹箭与制导学报,2007,27(5):274~276.

TheSimulationDesignforDifferentPatchShapeof

MicrostripPatchAntennaBasedonHFSS

ZHANGTian󰀁yu

(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,WuxiRadio&TelevisionUniversity,Wuxi214011,China)

Abstract:Thepatchshapeofmicrostrippatchantennaistheimportantfactorwhichaffectstheperformanceofantenna.TherectangularmicrostrippatchantennaandthecircularonearedesignedandsimulatedwithHFSS.Comparisonhas

beenmadebetweenthetwodifferentpatchantennas,suchasthesize,S󰀁parameterschart,patternandinputimpendancechart.Thesimulationresultshowsthatthebandwidthoftwomicrostrippatchantennaistoonarrow.Bycomprehensiveconsiderationofeachperformanceindex,therectangularmicrochipantennaisbetterthanthecircularone.Keywords:microstrippatchantenna;S󰀁parameters;pattern;inputimpedance;HFSSsimulation(上接第120页)

[5]SilvaJ.B,etal.PreparationofCompositesofNickelFerritesDispersedinSillicaMatrix[J].J.Magn.Magn.Mater,2001,139:226󰀁230.[6]YanS.F,etal.PreparationofNi0.65Zn0.35Cu0.1Fe0.9O4/SiO2Nanocompositesbysol󰀁gelMethod[J]J.Cryst.Growth,2004,262:415󰀁419.[7]孔令兵,等.氧化铁/二氧化硅多孔凝胶玻璃的制备[J].西安交通大学学报,1995,29:23󰀁28.

[8]EnnasG,etal.Ironandiron󰀁oxideonsilicananocompositespreparedbythesol󰀁gelmethod[J].J.Mater.Res,2002,17:590󰀁596.[9]HuangX.H,ChenZ.H.AstudyofnanocrystallineNiFe2O4inasilicamatrix[J].MaterialsResearchBulletin,2005,40:105󰀁113.

InfluenceofDryingTemperatureonCoFe2O4/SiO2Nanocomposites

CHENJing󰀁yan,QIHai󰀁yan,HEXiao󰀁guang

(CollegeofPhysics,ChangchunNormalUniversity,Changchun130032,China)

Abstract:CoFe2O4/SiO2nano󰀁compositeswerepreparedbythesol󰀁gelmethod.TheinfluenceofdryingtemperatureonthemicrostructureandcrystallinesizeofCoFe2O4/SiO2nano󰀁compositeswereinvestigatedbyTG/DTAandXRD.Fur󰀁thermore,theinfluenceoftheinitialdryingtemperatureonparticlesizeofCoFe2O4suggeststhatawell󰀁establishedsili󰀁canetworkprovidesmorerestrictiononthegrowthofCoFe2O4particles.Keywords:sol󰀁gelmethod;CoFe2O4/SiO2;dryingtemperature;grainsize

!125!