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    2015-11-17 09:41:28
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  • 200705单极子天线的设计.pdf
  • HFSS中弯曲的单极子天线的建模

    千次阅读 2020-04-10 12:18:27
    1.背景介绍 HFSS课程最近安排了仿真... 图2.10 选中图中所示面 图2.11 Sweep Faces Along Normal 图2.12 弯曲的单极子天线已建模完成 剩下的三个弯曲单极子天线可通过对已建模弯曲单极子天线的旋转操作来完成。 结束!

    1.背景介绍

    HFSS课程最近安排了仿真紧凑型圆极化天线,模型如下图1.1所示,从图1.1中可见,该天线由四个弯曲的单极子和印刷在电路板上的馈电网络组成。建模的难点就是四个弯曲的的单极子天线处的圆柱直角,如图1.1中红色圆圈标出来的那样。

    图1.1 原模型

    2.建模过程 

    介质基板和馈电网络的建模过程暂且不提,直接从圆柱直角处开始进行建模。

     

    Part1 Cylinder1

    首先,做出第一段圆柱体,如图2.1所示。我们命名为Cylinder1

     

    图2.1 第一段圆柱体Cylinder1

     接下来,做圆柱直角。

     

    Part2 Circle1

    画一个圆,半径大小和Cylinder1维持一致,并且置于Cylinder1的顶端。如图2.2所示。将其命名为Circle1。

    图2.2 Circle1

    Part3 Polyline1

    在工程树下选中Circle1,同时在操作栏下选中,即Draw center point arc,由于第二段圆柱体沿x轴负向,所以接下来讲操作界面改到xz界面,如图2.3所示。

    图2.3 更改操作界面到xz平面

    接下来开始Draw center point arc,先找到画中心圆弧的第一个点,此时光标会变成三角,如图2.4所示。接着移动鼠标到Circle1的圆心处,此时光标会变成绿色圆状,单击鼠标左键,如图2.5所示。移动鼠标,直到出现一个90°的圆弧,如图2.6所示,双击鼠标左键,最终结果如图2.7所示。所画线命名为Polyline1。

    图2.4 画中心圆弧的第一个点
    图2.5 第二步,鼠标移动到Circle1的中心
    图2.6 确定两点后,移动鼠标,画一个90°的圆弧
    图2.7 最终结果,Polyline1

    Part4 Along Path

     

    工程树下同时选中Circle1和Polyline1,鼠标右键->Edit->Sweep->Along Path,弹出界面按默认操作,无需更改,点击ok。如图2.8所示。最终结果如图2.9所示,从图中我们可以看到,圆柱直角已经出来了。

     

    图2.8 无需操作,点ok

     

    图2.9 直角圆柱已经建模成功。

    Part5 Sweep Faces Along Normal

    接下来,建模剩下的部分,如何建模呢?第一种方法就是画一个圆柱,只要计算出坐标就可以,当然缺点是计算颇多颇麻烦。第二种方法就是继续使用面操作,通过Sweep来建模另一段圆柱体。接下来介绍第二种方法。

    此时,操作界面是xz平面还是xy平面无所谓。鼠标右键->Select Faces,选中图2.10所示的面。鼠标右键->Edit->Surface->Sweep Faces Along Normal,如图2.11所示。在接下来弹出框下按要求输入Length of Sweep,即长度。最终结果如图2.12所示。

     

    图2.10 选中图中所示面
    图2.11 Sweep Faces Along Normal
    图2.12 弯曲的单极子天线已建模完成

     

    剩下的三个弯曲单极子天线可通过对已建模弯曲单极子天线的旋转操作来完成。

    结束!

     

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  • 一、设计指标 中心频率:高频5.49GHz 低频2.45GHz 相对介电常数:3.38 介质板厚度:1.52mm 二、双频偶极子天线设计 在本节中,我们设计一个L形结构的微带线单极子天线,天线工作于IEEE 802.11a和802. 11b两个工作...

    一、设计指标

    • 中心频率:高频5.49GHz 低频2.45GHz
    • 相对介电常数:3.38
    • 介质板厚度:1.52mm

    二、双频偶极子天线设计

    在本节中,我们设计一个L形结构的微带线单极子天线,天线工作于IEEE 802.11a和802. 11b两个工作频段。IEEE 802. 11a标准于1999年制定完成,该标准规定无线局域网工作频段在5. 15GHz ~ 5. 825GHz,中心频率约为5. 49GHz。IEEE802.11b 标准是对IEEE 802. 11的一个补充,于1999年9月被正式批准,该标准规定无线局域网工作频段在2. 4GHz ~ 2.4825GHz,中心频率约为2. 44GHz。
    下图所示为设计的微带双频单极子天线的结构模型,整个天线结构大致分为5个部分,即介质层、高频(5GHz) 单极子天线、低频(2. 4GHz)单极子天线、微带馈线和参考地。
    在这里插入图片描述
    介质层的材质使用Rogers RO4003, 其相对介电常数 ε r \varepsilon_r εr=3.38,损耗正切tan δ \delta δ =0.0027,介质层厚度为1.52mm。介质层的下表面是单极子天线的参考地,介质层的上表面是微带馈线和单极子天线。其中,左侧的L形结构是高频单极子天线,工作于IEEE802.11a频段,即工作频率为5.15GHz~5.825GHz,右侧的L形结构是低频单极子天线,工作于IEEE 802.11b频段,即工作频率为2.4GHz ~2.4825GHz。
    设计天线工作于2. 45GHz和5.49GHz两个频段,若在自由空间中传播,那么这两个频率对应的波长分别为122mm和55mm。若在全部填充介电常数为3.38的Rogers RO4003介质中传播,那么其对应的波长分别为66.4mm和30mm。对于2.45GHz的中心频率,若采用自由空间波长,则1/4波长单极子天线的长度为30.5mm;若采用介质中的波长,则1/4波长单极子天线的长度为16. 6mm。对于5. 49GHz的中心频率,若采用自由空间波长,则1/4波长单极子天线的长度为13. 8mm;若采用介质中的波长,则1/4波长单极子天线的长度为7.5mm。对于PCB板上的微带单极子天线,波的传输既要经过介质也要经过自由空间,因此实际波长应该介于介质的导波波长和自由空间的工作波长之间。而对于2.45GHz工作频段,1/4波长介于16. 6mm ~ 30.5mm;即对于5. 49GHz工作频段, 1/4 波长介于7.5mm~ 13.8mm。
    为了便于后续的参数化分析,即分析天线的各项结构参数对天线性能的影响,在HFSS设计建模时需要定义一系列的变量来表示天线的结构,使用变量表示的单极子天线参数化设计模型如图所示。
    在这里插入图片描述

    其中,定义的变量名称、代表的结构参数以及变.量的初始值如下表所示。

    变量意义变量名变量值(单位:mm)
    介质层厚度H1.52
    微带馈线宽度S3.5
    微带馈线长度L14
    单极子天线金属片宽度W2
    高频单极子天线水平方向长度L14.25
    高频单极子天线垂直方向长度L27
    低频单极子天线水平方向长度R110.25
    低频单极子天线垂直方向长度R223

    三、HFSS建模

    本次求解类型(Solution Type)选用终端(Teminal)驱动类型。在HFSS中对于微带结构的天线,既可以选择模式(Modal)驱动求解类型,也可以选择终端驱动求解类型。
    参照上表在HFSS中添加变量如下:
    在这里插入图片描述
    此次设计中所选用的相对介电常数为3.38的材料在HFSS中并没有预先设定,需要自行添加新的介质材料。从主菜单栏中选择【Tools】→【 Edit Libraries】 →【 Materials】命令,打开Edit Libraries 对话框,然后点击添加按钮【Add Material】,在材料添加界面修改如下材料名称、相对介电常数、损耗角正切值三项。

    使用上述添加的材料作为介质板建立模型,建立完成后的模型如下所示:
    在这里插入图片描述
    在该求解驱动类型下,设置激励的方法有别于以往的模式驱动求解。首先添加矩形将GND与微带线相连接。如下橙色矩形所示。
    在这里插入图片描述
    选中该矩形后右键单击,选择分配边界(Assign Excitation)、集总端口(Lumped Port)。弹出如下窗口,在参照中勾选GND
    在这里插入图片描述
    再在工程树下分别双击集总端口激励名称和终端线名称,确定端口阻抗为50 Ω \Omega Ω
    在这里插入图片描述

    四、仿真与优化

    回波损耗结果如下
    在这里插入图片描述
    从分析结果中可以看出,在IEEE 802.11a (即5.15GHz ~ 5.825GHz)频段内, S 11 S_{11} S11小于- 14dB;在EEE 802.11b (即2.4GHz ~ 2.4825GHz)频段内, S 11 S_{11} S11大于-10dB,不满足性能要求。其原因是低频段单极子天线的长度偏长,导致谐振频点偏低。因此我们可以调节天线的长度变量R2,使得天线的谐振频点落在2. 4GHz ~ 2. 4825GHz频段内。
    借助HFSS的参数扫描分析功能,来分析长度变量R2和天线谐振频率的关系,找出合适的长度变量R2的值,使得天线在低频段的谐振频点落在2.4GHz ~2.4825GHz频段内。
    在参数扫描器中添加R2,如下所示,设置范围为18mm~23mm,步长为1mm。
    在这里插入图片描述
    扫描结果如下
    在这里插入图片描述
    从参数扫描分析结果中可以看出,谐振频率随着天线臂长度变量R2的变短而升高。当R2= 19mm时,谐振频率约为2. 45GHz,因此R2的值可以取19mm。
    修改后的仿真结果如下:
    在这里插入图片描述
    可以看出,设计的双频单极子天线的高频和低频谐振频点分别落在IEEE 802. 11a(5.15GHz ~5.825GHz)和IEEE 802. 11b (2. 4GHz ~2.4825GHz)工作频段上。
    至此,我们便完成了WLAN双频单极子天线的HFSS设计分析。

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