10.3 HFSS 微带天线设计和建模概述

    本章所设计的天线实例是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS 工程可以选择模式驱动求解类型。在 HFSS 中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者 PML 边界表面，这里使用辐射边界条件。为了保证计算的准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4 个波长。因为使用了辐射边界表面，所以同轴馈线的信号输入/输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义为集总端口激励。

    天线的中心频率为 2.45GHz，因此设置 HFSS 的求解频率（即自适应网格剖分频率）为2.45GHz， 同时添加 1.5～3.5GHz 的扫频设置，分析天线在 1.5～3.5GHz 频段内的回波损耗或者电压驻波比。 如果天线的回波损耗或者电压驻波比扫频结果显示谐振频率没有落在 2.45GHz 上，还需要添加参数扫描分析，并进行优化设计，改变微带贴片的尺寸和同轴线馈点的位置，以达到良好的天线性能。

    10.3.1 微带天线建模概述

    使用 HFSS 设计的微带贴片天线模型如图 10.4 所示，模型的中心位于坐标原点。

图 10.4 微带贴片天线的 HFSS 模型

    参考地和微带贴片使用理想薄导体来代替，在HFSS 中可以通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式来模拟理想薄导体。参考地放置于坐标系中 z=0 的 xOy 平面上，由10.2 节计算出的参考地长度和宽度分别为长度 LGND≥62.3mm，宽度 WGND≥71.4mm，这里参考地长度和宽度都取90mm。介质层位于参考地的正上方，其高度为 5mm，长度和宽度都取 80mm。微带贴片放置于 z=5 的 xOy 平面上，由 10.2 节计算出其长度和宽度的初始值分别为长度 L=31.0mm，宽度 W=41.4mm；设置其长度沿着 x 轴方向，宽度沿着 y 轴方向。使用半径为 0.5mm 的圆柱体模拟同轴馈线的内芯，圆柱体与 z 轴平行放置，由10.2 节的计算可知圆柱体的底面圆心坐标为（9.5mm，0，0）；设置圆柱体材质为理想导体（pec）；圆柱体顶部与微带贴片相接， 底部与参考地相接；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径 1.5mm 的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励。使用 HFSS 分析设计天线一类的辐射问题，在模型建好之后，用户还必须设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4 个波长，2.45GHz 时自由空间中1/4 个波长约为 35mm，所以在这里设置辐射边界表面距离微带天线模型 35mm，整个微带天线模型（包括参考地、介质层和微带贴片）的长、宽、高为 90mm、90mm、5mm，所以辐射边界表面的长、宽、高可以设置为 160mm、160mm、75mm。

    为了方便后续参数扫描分析和优化设计，在建模时分别定义设计变量 Length、Width 和 Xf 来表示微带贴片的长度、宽度和同轴馈线的馈点位置。

    10.3.2 HFSS 设计环境概述

    >> 求解类型：模式驱动求解

    >> 建模操作，模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面； 模型操作：相减操作

    >> 边界条件：理想导体边界、辐射边界

    >> 端口激励：集总端口激励

    >> 求解频率：2.45GHz 

    >> 扫频设置：快速扫频，频率范围为 1.5～3.5GHz

    >> Optimetrics：参数扫描分析，优化设计

    >> 数据后处理：S 参数扫频曲线、VSWR、Smith 圆图、天线方向图、天线参数

    下面就来详细介绍具体的设计操作和完整的设计过程。