超寬帶天線的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u28796超寬帶天線的設(shè)計(jì)案例 1233361.1天線設(shè)計(jì)要求 1325431.2天線設(shè)計(jì)過(guò)程 1296871.3天線參數(shù)分析及優(yōu)化 733661.3.1參數(shù)分析 7196211.3.2參數(shù)優(yōu)化 81.1天線設(shè)計(jì)要求1）工作頻率在3.1-10.6GHz；2）工作頻率帶寬內(nèi)，VSWR<2;3）在5.05-5.835GHz工作頻段具有帶阻特性；4）輻射特性穩(wěn)定；5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作便利。1.2天線設(shè)計(jì)過(guò)程天線的基本模型設(shè)計(jì)是最基礎(chǔ)的工作，先計(jì)算出天線的尺寸，按照功能需求選擇開(kāi)槽的方式及形狀。但由于天線模型并不規(guī)整，形狀也不能保持一致，所以我們需要進(jìn)行組合切割的方法來(lái)得到最終的天線模型，才能實(shí)現(xiàn)天線的圓極化，但是步驟也比較復(fù)雜，在組合切割過(guò)程中一定要十分細(xì)心耐心。本次設(shè)計(jì)超寬帶天線的尺寸如下：L=30mm,w=65mm,R01=3mm,R02=0.3mm,L1=15mm,w1=22mm,h=0.8mm,k=7mm,g=0.26mm,w2=1.5mm,L2=17mm,L3=5mm,L4=0.2mm,l5=-0.3mm,l6=0.3mm,X0=2.3mm,S0=1.5mm。計(jì)算好天線相關(guān)的參數(shù)之后，通過(guò)HFSS軟件，在HFS設(shè)計(jì)屬性中設(shè)定并定義了相應(yīng)的參數(shù)。圖4-1定義參數(shù)在定義好之后，我們先建立一個(gè)天線的基片，在中心點(diǎn)的右上方作為一個(gè)基點(diǎn)，設(shè)定好參數(shù)后，就可以制作出一個(gè)介質(zhì)襯底，該襯底的厚度是0.8mm。圖4-2介質(zhì)基板在上面加一層類(lèi)似于圖4-3的補(bǔ)丁，然后根據(jù)其中部的尺寸進(jìn)行切割，然后將天線的輻射補(bǔ)片的位置切成一個(gè)模型，然后切割成圖（4-4）。圖4-3貼片圖圖4-4裁剪后模型之后將饋線和長(zhǎng)方形貼片合成天線，如圖所示：圖4-5未開(kāi)縫基板采用兩個(gè)半徑為3和3.3的圓形和矩形貼片，在該天線上開(kāi)槽，構(gòu)成了一個(gè)單阻帶，并在該天線上開(kāi)槽。要注意的是凹槽的尺寸和圓圈的位置不能弄錯(cuò)，否則會(huì)導(dǎo)致阻帶波段不一致。最后，將基本端口添加到底部，如下所示：圖4-6有一阻帶超寬帶天線其次，設(shè)定激發(fā)口，將邊界條件設(shè)定為最佳邊界條件PerfectE，激發(fā)口設(shè)在氣盒內(nèi)部，注意因該補(bǔ)丁中間有一段間隔，因此必須設(shè)定兩個(gè)PerfectE。最后的結(jié)果如下：圖4-7空氣盒表面圖4-8天線PerfectE圖4-9貼片PerfectE8.設(shè)置掃頻范圍，依照前文，工作的頻率為3.1GHz-10.6GHz，由此計(jì)算可以得出中心頻率為6.85GHz，其余的量都用系統(tǒng)默認(rèn)的值即可。設(shè)置情況如圖所示：圖4-10掃頻范圍9.仿真并查看仿真結(jié)果在完成軟件中以上所有步驟以及參數(shù)設(shè)置以后，點(diǎn)擊HFSS菜單下validationcheck選項(xiàng)進(jìn)行模型的一個(gè)檢測(cè)，模型檢測(cè)用來(lái)確保我們前期的搭建設(shè)計(jì)工作沒(méi)有重大失誤。顯示檢測(cè)完成通過(guò)后可以點(diǎn)擊同一個(gè)菜單下的Analysisall進(jìn)行仿真。右下角可以觀察過(guò)程的進(jìn)度。仿真過(guò)程結(jié)束后，點(diǎn)擊HFSS-Result-createModalsolutionplot-rectangularPlot，選擇S(1,1)，單位為dB，點(diǎn)擊NewReport生成仿真曲線圖。在這里要特別注意的是，如果已經(jīng)生成了一張圖，但是對(duì)數(shù)據(jù)做了更改，要清除原來(lái)仿真的所以Result之后再重新進(jìn)行仿真導(dǎo)出結(jié)果圖。如圖所示：圖4-11仿真結(jié)果圖從模擬結(jié)果曲線可以看出，該波段在3.02-10.18GHz之間的衰減幅度小于-10dB，這與超寬頻天線的設(shè)計(jì)要求是一致的，并且在5.05-5.875GHz之間，阻帶在5.05-5.875GHz之間。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的測(cè)試，基本滿足了單阻超寬帶天線的要求，這意味著我們的設(shè)計(jì)完成了。但實(shí)際上，也可以讓帶寬變得更寬，達(dá)到更高的要求。我們現(xiàn)在要做的，就是對(duì)這些天線的參數(shù)和大小進(jìn)行分析。1.3天線參數(shù)分析及優(yōu)化1.3.1參數(shù)分析在此基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，補(bǔ)片與接地面的形狀與大小對(duì)天線的性能有很大的影響。超級(jí)寬帶天線意味著我們要盡可能地?cái)U(kuò)大它的帶寬，讓它的覆蓋面更加廣泛。對(duì)于阻帶而言，不想要的波段被過(guò)濾掉，因此要盡可能地把不想要的波段和不想要的波段重疊在一起，而不會(huì)占用多余的波段。為了使帶寬最大化，我們可以使用超寬帶1)就帶寬公式而言，為了提高帶寬，可以考慮減小質(zhì)量因子，同時(shí)增加天線的損失是減少質(zhì)量因子Q的最直接途徑。雖然帶寬有了，但損失會(huì)更大，會(huì)造成更大的損失，也會(huì)造成更多的損失，這是一種違背可持續(xù)發(fā)展的原則，所以不會(huì)被采納。同樣，調(diào)整貼片尺寸和形狀的方式也是不合理的。2)增加共振元件，使帶寬增大，采用多點(diǎn)共振耦合環(huán)路取代單一單點(diǎn)的簡(jiǎn)單環(huán)路，使帶寬提高5%~25%。然而，該技術(shù)對(duì)天線的體積和體積的要求都很高，并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。也可以使用多個(gè)補(bǔ)丁結(jié)構(gòu)。如果采用雙層貼片，可以增加頻帶，但會(huì)產(chǎn)生電磁耦合，而且多層貼片會(huì)使天線厚度增加，從而影響到天線的反向輻射。所以，這個(gè)辦法，他是不會(huì)用的。3)前面介紹了天線的基本原理和原理，指出了實(shí)現(xiàn)阻帶的主要途徑是開(kāi)槽，而槽口的直徑、寬度、饋線長(zhǎng)度等參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)阻帶帶寬產(chǎn)生明顯的影響。因此，在此階段，我對(duì)天線的長(zhǎng)度、圓弧槽半徑R01、饋線寬度S0、開(kāi)縫X0尺寸等參數(shù)進(jìn)行了分析。1.3.2參數(shù)優(yōu)化1）天線貼片長(zhǎng)度H0分析首先，我們采用控制變量法，在其他條件不改變的情況下，改變貼片長(zhǎng)度H0，進(jìn)行仿真，分析結(jié)果。圖4-12H0參數(shù)設(shè)置將原來(lái)H0的值從9.6改為9.5，進(jìn)行仿真圖4-13H0參數(shù)分析從圖線上可以看到，當(dāng)H0是9.5毫米的時(shí)候，左側(cè)的超寬帶就會(huì)移動(dòng)到9.3GHz，這是不合理的。而在9.6~10mm的時(shí)候，右端會(huì)繼續(xù)向左移動(dòng)，因此可以看到，在9.6mm的時(shí)候，左側(cè)的波段比較適合，但因?yàn)樘炀€的大小，會(huì)造成波段的無(wú)阻帶。因此，在重置之后，模擬如下：圖4-14H0調(diào)整后結(jié)果圖從圖片上可以看出，左側(cè)的波段是10.15，滿足了超寬頻的需要，右側(cè)是3.04。不完善時(shí)，因?yàn)檎{(diào)整時(shí)的阻帶帶寬有了一點(diǎn)變化，接下來(lái)會(huì)繼續(xù)對(duì)H0為9.6mm的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。2）圓弧槽半徑R01影響圖4-15R01參數(shù)設(shè)置圖圖4-16半徑R01影響如圖所示，在2.8-3.0毫米的阻帶向左側(cè)運(yùn)動(dòng)，因此，最好的距離約為2.9至3.0毫米。調(diào)整后的參數(shù)改變到2,95毫米的模擬結(jié)果如下：圖4-17調(diào)整R01后仿真圖從圖片上可以看到，經(jīng)過(guò)調(diào)整后的超寬帶覆蓋范圍在3.03-10.16GHz之間，完全滿足了超寬帶的需求，同時(shí)，5.1-5.94GHz的阻帶帶寬也包括5.05~5.875GHz，因此，這個(gè)天線的性能已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果。接下來(lái)，他又開(kāi)始了對(duì)參數(shù)的分析，以便于觀察到更多的因素REF_Ref24064\r\h[11]。3）饋線寬度S0影響圖4-18S0參數(shù)編輯圖4-19饋線寬度S0仿真圖如圖所示，在S0=1.3毫米時(shí)，阻帶右側(cè)的功率已經(jīng)達(dá)到了大約5.3GHz，超過(guò)了5.05GHz，因此阻帶需求不再被滿足。而在S0減小時(shí)為1.2mm的情況下，不能滿足帶寬的右側(cè)移動(dòng)，S0在1.3mm和1.4mm的情況下，帶寬過(guò)寬，在右側(cè)的5.875GHz以上。綜合來(lái)看，只有在1.5~1.6的S0天線更適合。4）開(kāi)縫X0寬度影響圖4-20X0參數(shù)設(shè)置圖圖4-21X0變化曲線從圖表中可以看出，在2.2的時(shí)候，縫隙的左邊不符合，右邊的寬度是2.75GHz，而在2.1毫米、2.3毫米和2.4毫米的縫隙中都滿足，而在2.5毫米的時(shí)候，右邊的空間就達(dá)到了6.0GHz。但是，2.1毫米的整體對(duì)比看起來(lái)更好。在進(jìn)行了修正之后，繼續(xù)模擬。得到的結(jié)果如下：圖4-22X0調(diào)整后仿真圖從比較圖中的紅、藍(lán)兩條曲線可以看出，當(dāng)1.9mm時(shí)，它已經(jīng)不能滿足超寬一阻帶的需求了，而且，X0的寬度越大，就會(huì)越向右邊移動(dòng)，很明顯，2.0mm是不夠的，X0在2.3-2.4范圍內(nèi)比較好。5）環(huán)槽的寬度R02的影響圖4-23R02參數(shù)設(shè)置圖4-24R02變化曲線從模擬結(jié)果中可以看出，0.28毫米的寬度不能滿足設(shè)計(jì)要求，而在0.25-0.26mm范圍內(nèi)，其波形幾乎沒(méi)有變化。在0.26~0.27mm的范圍內(nèi)，曲線向左偏移較大；由圖線可知，在0.27毫米到0.3毫米的范圍內(nèi)，與預(yù)期的結(jié)果非常接近。從超寬的角度來(lái)看，0.3毫米是最好的選擇。圖4-25R02調(diào)整后曲線（5）底板長(zhǎng)度N0參數(shù)分析圖4-26設(shè)置參數(shù)圖4-27N0變化曲線圖因?yàn)槲野阉O(shè)定為3.0-3.5mm但是因?yàn)樵?.2mm以上之后必須調(diào)節(jié)底片，所以圖片不能顯示，從3.0-3.2的角度來(lái)看，圖片正在往右邊移動(dòng)。當(dāng)然，如果是3.2米的話，那就更好了。后來(lái)我對(duì)它進(jìn)行了3.18-3.20毫米的