一、实验目的

Fig. 1   微带贴片天线设计思路

1、通过HFSS仿真设计微带贴片天线，具体参数要求如下：

✓工作频率为2.6GHz，使用材料为FR4（相对介电常数ε=4.4），厚度为1.6mm的双面覆铜板；

✓辐射贴片采用夹角为180°的扇形贴片，利用50Ω的微带线进行馈电，用1/4波导微带匹配段对天线进行阻抗匹配；

✓要求天线的血站频率在2.55GHz~2.65GHz范围内，且仿真参数S11在谐振频率出小于-13dB。

2、天线设计思路参考Fig.1，仿真成功后做出实物板。

二、实验原理

1、HFSS仿真设计流程：

 建立模型→设置边界和激励（包括金属板、介质板和空气盒子）→建立优化→设置求解条件，并执行仿真→生成结果。

  2、利用APPCAD计算微带线参数：

介质板厚度为1.6mm，FR4材料的相对介电常数ε=4.4，中心频率为2.6GHz，根据APCAD计算，如图Fig.2所示，为使微带线馈电电阻为50.04Ω，微带线宽度应为W3=3.06mm，并且1/4波导微带匹配段的长度应为L=15.65mm. 

Fig. 2   扇形贴片天线参数计算

同时，金属板尺寸为100mm×75mm，可初步估计扇形半径R=33mm，馈线长度L3=5mm，匹配段宽度W=1mm。根据以上参数可绘制如图Fig.3所示。

Fig. 3   扇形贴片天线参数和设计示意图

3、制板流程：

 导出图形→打印胶片→PCB板打孔穿线→将胶片固定在PCB板上进行曝光→显影→刻蚀→用酒精除去感光膜→焊接→测试。

三、仿真过程与分析

正面示意图

背面示意图

Fig. 4   微带贴片天线设计金属板示意图

1、建立模型（Fig.4）。

●打开HFSS，绘制介质板，第一个点（-10，0，0），第二个点相对坐标为（100，75，-1.6），建立尺寸为100mm×75mm×1.6mm的长方体。

●绘制正面图形：

绘制馈线：第一个点（38.475，0，0），第二个点相对坐标（3.06，5，0），建立3.06mm×5mm的矩形馈线。

绘制匹配段：第一个点（39.67，5，0），第二个点相对坐标（1，15.65，0），建立1mm×15.65mm的矩形匹配段。

绘制扇形天线：圆心为（40.005，20.65，0），第二个点相对坐标为（0，33，0），建立半径为33mm的圆；第三个点（7.005，20.65，0），第二个点相对坐标（66，-33，0），建立覆盖半圆的矩形，通过圆与该矩形相减(Subtract)得到180°扇形。

●绘制背面图形，第一个点（-10，0，-1.6），第二个点相对坐标（100，75，0），建立100mm×75mm的背面金属板。

●绘制空气盒子，尺寸要求保证空气的辐射边界离天线的距离超过1/4工作波长，第一个点（-80，-40，-40），第二个点相对坐标（200，150，80），建立280mm×190mm×120mm的长方体。

2、设置材料边界。

●选中绘制的介质板，在properties窗口选中material参数，edit设置成FR4-epoxy材料。

●选中正面图形和背面图形，右键Assign Boundary为Perfect E。

●选中空气盒子，邮件Assign Boundary为Radiation，在properties窗口的material参数edit车支撑air材料。

3、设置优化条件

●在project中创建全局变量Project Variables，如图Fig.5所示。

Fig. 5   设置全局变量

●将变量加入到匹配段中，保持匹配段中轴线与圆心和馈线中轴线一致，长度为L，宽度为W，如Fig.6所示。

Fig. 6   匹配段变量设置

●将变量加入到扇形天线中，圆形的半径为R，圆心位置与匹配段长度相关，同时也需要将变量添加到减去的矩形中，如图Fig.7所示。

圆形变量设置

减去矩形变量设置

Fig. 7   扇形天线变量设置

●新建长度的优化，在HFSS中选择Optimetrics Analysis，添加优化变量范围如Fig.8所示，在此范围内，逐渐确定能够达到最优天线辐射要求的参数。

Fig. 8   优化变量设置

（实际上为依次进行单独优化运行时间会比较快）

4、设置求解条件

●设置求解条件，在HFSS的analysis setup中add Solution setup，中心频率为2.6GHz，迭代次数13次，最小误差为0.02，扫频起始点为2~3GHz，间隔为0.1GHz，执行仿真。

5、仿真结果

优化扇形半径R的结果（Fig.9）：

Fig. 9   扇形半径R的优化结果

在预先设置的3个优化条件（R\\L\\W）中，disable掉L和W的优化条件，单独执行R的优化。可见当R=33mm时，天线的工作频率正好为2.60GHz，也可观察到天线的工作频率取决于辐射面积/扇形半径尺寸。因此确定扇形半径R=33mm。

优化匹配段的宽度W（Fig.10、Fig.11）

Fig. 10  匹配段宽度W的第1次优化结果

在预先设置的3个优化条件（R\\L\\W）中，disable掉R和L的优化条件，单独执行W的优化。可见当W在0.5mm~0.7mm之间时，天线回波损耗较小，考虑到实际制板时，为了防止匹配段的宽度太小导致光刻失败，最好令W>0.6mm。为了找出更加精确的匹配段宽度，令优化范围为0.6mm~0.7mm，步长为0.01mm进行优化仿真，结果如Fig.11所示。

Fig. 11   匹配段宽度W的第2次优化结果

显然当W=0.6mm时的回波损耗最小，即天线的阻抗匹配效果最好，显然天线的阻抗匹配取决于1/4波长阻抗匹配段的宽度。因此确定阻抗匹配段的宽度W=0.6mm。

优化匹配段的长度L（Fig.12、Fig.13）

Fig. 12   匹配段长度L的第1次优化结果

在预先设置的3个优化条件（R\\L\\W）中，disable掉R和W的优化条件，单独执行L的优化。可见当W在17.5mm~18mm之间时，天线回波损耗较小。为了找出更加精确的匹配段宽度，令优化范围为17.5mm~18.5mm，步长为0.1mm进行优化仿真，结果如Fig.13所示。

Fig. 13   匹配段宽度W的2次优化结果

显然当L=17.6mm时的回波损耗最小，即天线的阻抗匹配效果最好，显然天线的阻抗匹配也与1/4波长阻抗匹配段的长度相关，但并不是线性关系。因此确定阻抗匹配段的长度L=17.6mm。

最终仿真结果

Fig. 14   最终最优的贴片天线仿真结果

取L=17.6mm，R=33mm，W=0.6mm可得到扇形贴片天线的符合要求最佳辐射效果。天线的工作频率为2.6GHz，在该点的回波损耗为-36.153dB；在2.55GHz处的回波损耗为-19.2283dB，在2.65GHz处的回波损耗为-19.5124GHz，满足设计要求的在2.55GHz~2.65GHz的S11在-13dB以下。仿真设计正确。

四、实物结果

Fig.15  扇形贴片天线实物图

根据制板流程最终得到的实物结果如图Fig.15所示。使用频谱分析仪进行测试，结果如下:

Fig.16  第一次测试结果

第一次测试结果如Fig.16所示，S11分别在2.1GHz和2.57GHz出现了最低点，分别为-26.104dB和-21.257dB。经过分析，可能是由于焊接出现问题导致出现两个谐振点。重新焊接后，再次测试得到的结果如Fig.17所示。

Fig.17  第二次测试结果

第二次测试结果与仿真结果形状相似，S11在2.57GHz出现了最低点，为-15.156dB<-13dB，符合在谐振点的要求；但是显然在2.55GHz~2.65GHz内无法满足全部<-13dB的要求。仿真结果与实际结果有一定误差。

五、实验总结

    经过本次实验，熟悉掌握了HFSS的使用，能够利用HFSS设计出微带贴片天线等微波器件，也掌握了实际制板的流程，通过亲自设计和制作，更加了解贴片天线的工作原理和影响天线工作频率和辐射能力的关键因素，也感受到了仿真与实际测试的结果区别之大，受益匪浅。下载本文