基于HFSS的圆形左旋圆极化贴片天线仿真分析

基于HFSS的圆形左旋圆极化贴片天线仿真分析
摘要
本文对微带天线和圆极化的基本概念做了简单的介绍，论述微带天线的结构、馈电方式、辐射机理和微带天线的分析设计方法应用软件HFSS对比分析圆形贴片天线的辐射特性。详细阐述用HFSS仿真设计圆形贴片天线的情况，并通过参数分析结果图包括S参数特性图、E面方向图、H面方向图和3D图对比分析贴片天线的特性。
关键词　圆形贴片天线；HFSS仿真；辐射特性
一 介绍
天线是无线电通信和探测系统中不可缺少的重要组成部分，它是发射和接收电磁波的一种设备。作为发射天线，它将被馈线引导的高频电流转换为电磁波并向特定的方向发射出去；而作为接收天线，它又要做相反的变换，从而在任意两点之间实现了电磁信号的传递。
微带天线可以分为三大类：微带贴片天线、微带缝天线、微带行波天线。微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射元的天线。它具有剖面低、体积小、重量轻、易于加工、便于获得圆极化的优点，并且非常有利于集成，在天线应用中占有非常重要的地位。
二 天线设计与仿真
1.新建设计文件
兴建一个工程文件，命名为CP_Patch。
2.添加和定义变量
HFSS>Design Properties添加建立模型过程中所需要的变量。

3.设计建模
（1）创建基底Substrate
画一个长方体，命名为Substrate，其位置坐标：-l0 ,-w0 ,0；XSize：2l0, YSize：2w0, ZSize：h；材料设置：FR4，透明度设置：0.6。
（2）创建贴片Patch
画一个长方形，命名为Patch，其位置坐标：-l0/2 ,-w0/2 ,0；XSize：l0, YSize：w0；设置其透明度：0.4。
（3）创建参考地GND
画一个长方形，命名为GND，其位置坐标：-l0 ,-w0 ,0；XSize：2l0, YSize：2w0；设置其透明度：0.4。
（4）创建同轴线Feed
画一个圆柱体，命名为Feed，其位置坐标：l1 ,l1 ,0；Radius：0.6，Height：h；设置其材料：pec。
（5）创建信号传输端口Port
画一个圆，命名为Port，其位置坐标：l1 ,l1 ,0；Radius：0.5。
（6）创建辐射边界Airbox
画一个长方体，命名为Airbox，其位置坐标：-l0/2-length ,-w0/2-length ,-10mm；XSize：l0+2length, YSize：w0+2length, ZSize：h+length；设置其透明度：0.8。
（7）依次选中GND和Port，做布尔减法，勾选clone复选框，创建好的天线模型如图1所示。

4.设置边界条件
（1）选中Patch，右击鼠标>Assign Boundary>Perfect E，同样的方法，把GND也设置为理想导体边界。
（2）选中Airbox，右击鼠标>Assign Boundary>Radiation。
5.设置激励端口
选中Port，右击鼠标>Assign Excitation>Lumped Port,并设置新的积分线，如图2所示。

6.求解设置
点击工程树下的Analysis>Add Solution Setup，在弹出窗口中设置工作频率为1.2GHz，最大迭代次数为20，S参数收敛误差标准为0.02，如图3所示。

添加扫频设置，在扫频设置窗口中作如下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type ：LinearStep；Start：0.7GHz；Stop：1.7GHz；Step Size:0.01，点击OK按钮，如图4所示。

7．电气检查和分析
验证检查，点击快捷键 ，弹出如下对话框，证明操作正确，如有错误，检查以上步骤是否有误，如图5所示。

求解该工程，点击HFSS>Analyze All，或者点击菜单栏快捷键 进行求解。
三 仿真结果

1. S参数
   点击HFSS>Result> Create Modal Solution Data Report> Rectangle Plot,如图6所示。

2. E面辐射方向图
   点击工程树下Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。将Name改为E Plane，Phi和Theta角度分别设置为0,90,90和0,360,1，如图7所示。

点击工程树下Results>Create Far Fields Report>Radiation Pattern，如图8所示。

点击New Report，得到辐射方向图，如图9所示。

3.H面辐射方向图
与E面类似。点击工程树下Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere，如图10所示。

将Name改为H Plane，Phi和Theta角度分别设置为0，360，1和90，90，0，如图11所示。

点击工程树下Results>Create Far Fields Report>Radiation Pattern，如图12所示。

弹出以下对话框，如图13所示。

点击New Report，得到辐射方向图，如图14所示。

4.3D图
点击工程树下Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere，如图15所示。

将Name改为3D，Phi和Theta角度分别设置为0，360，1和0，180，1，如图16所示。

点击工程树下Results>Create Far Fields Report>3D Polar Plot，如图17所示。

弹出以下对话框，如图18所示。

点击New Report，得到3D图，如图19所示。

四 结论
本文主要介绍了用软件HFSS仿真分析圆形微带贴片天线的设计步骤，具体天线尺寸选择依据以及最终优化处理后的各个参数设置。同时，通过对HFSS软件仿真结果分析图包括S参数特性图、E面方向图、H面方向图和3D图分析贴片天线的辐射特性。