10.3 HFSS 微帶天線設計和建模概述

    本章所設計的天線實例是使用同軸線饋電的微帶結構，HFSS 工程可以選擇模式驅動求解類型。在 HFSS 中如果需要計算遠區輻射場，必須設置輻射邊界表面或者 PML 邊界表面，這里使用輻射邊界條件。為了保證計算的準確性，輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4 個波長。因為使用了輻射邊界表面，所以同軸饋線的信號輸入/輸出端口位于模型內部，因此端口激勵方式需要定義為集總端口激勵。

    天線的中心頻率為 2.45GHz，因此設置 HFSS 的求解頻率（即自適應網格剖分頻率）為2.45GHz， 同時添加 1.5～3.5GHz 的掃頻設置，分析天線在 1.5～3.5GHz 頻段內的回波損耗或者電壓駐波比。 如果天線的回波損耗或者電壓駐波比掃頻結果顯示諧振頻率沒有落在 2.45GHz 上，還需要添加參數掃描分析，并進行優化設計，改變微帶貼片的尺寸和同軸線饋點的位置，以達到良好的天線性能。

    10.3.1 微帶天線建模概述

    使用 HFSS 設計的微帶貼片天線模型如圖 10.4 所示，模型的中心位于坐標原點。

圖 10.4 微帶貼片天線的 HFSS 模型

    參考地和微帶貼片使用理想薄導體來代替，在HFSS 中可以通過給一個二維平面模型分配理想導體邊界條件的方式來模擬理想薄導體。參考地放置于坐標系中 z=0 的 xOy 平面上，由10.2 節計算出的參考地長度和寬度分別為長度 LGND≥62.3mm，寬度 WGND≥71.4mm，這里參考地長度和寬度都取90mm。介質層位于參考地的正上方，其高度為 5mm，長度和寬度都取 80mm。微帶貼片放置于 z=5 的 xOy 平面上，由 10.2 節計算出其長度和寬度的初始值分別為長度 L=31.0mm，寬度 W=41.4mm；設置其長度沿著 x 軸方向，寬度沿著 y 軸方向。使用半徑為 0.5mm 的圓柱體模擬同軸饋線的內芯，圓柱體與 z 軸平行放置，由10.2 節的計算可知圓柱體的底面圓心坐標為（9.5mm，0，0）；設置圓柱體材質為理想導體（pec）；圓柱體頂部與微帶貼片相接， 底部與參考地相接；在與圓柱體相接的參考地面上需要挖出一個半徑 1.5mm 的圓孔，作為信號輸入輸出端口，該端口的激勵方式設置為集總端口激勵。使用 HFSS 分析設計天線一類的輻射問題，在模型建好之后，用戶還必須設置輻射邊界條件。輻射邊界表面距離輻射源通常需要大于1/4 個波長，2.45GHz 時自由空間中1/4 個波長約為 35mm，所以在這里設置輻射邊界表面距離微帶天線模型 35mm，整個微帶天線模型（包括參考地、介質層和微帶貼片）的長、寬、高為 90mm、90mm、5mm，所以輻射邊界表面的長、寬、高可以設置為 160mm、160mm、75mm。

    為了方便后續參數掃描分析和優化設計，在建模時分別定義設計變量 Length、Width 和 Xf 來表示微帶貼片的長度、寬度和同軸饋線的饋點位置。

    10.3.2 HFSS 設計環境概述

    >> 求解類型：模式驅動求解

    >> 建模操作，模型原型：長方體、圓柱體、矩形面、圓面； 模型操作：相減操作

    >> 邊界條件：理想導體邊界、輻射邊界

    >> 端口激勵：集總端口激勵

    >> 求解頻率：2.45GHz 

    >> 掃頻設置：快速掃頻，頻率范圍為 1.5～3.5GHz

    >> Optimetrics：參數掃描分析，優化設計

    >> 數據后處理：S 參數掃頻曲線、VSWR、Smith 圓圖、天線方向圖、天線參數

    下面就來詳細介紹具體的設計操作和完整的設計過程。