贴片天线仿真设计_从经验公式到HFSS实操教程

贴片天线仿真设计

贴片天线

贴片天线概述

  • 线天线与微带天线

    在介绍了对称振子这一类线天线后，可以发现线天线的一个关键痛点：体积大，剖面(天线的高度)高

    因此对于手机、飞机、卫星之类对体积重量敏感的应用场景，就不能使用线天线，而需要一种结构同样简单，但体积小、剖面低、可以高度集成的天线，也就是微带天线

    微带天线很容易加工，因此用微带天线的设计演示HFSS操作

  • 微带天线与贴片天线

    先解释“贴片”和“微带”分别是什么东西：

    • 微带：即微带传输线，由一条窄长的金属带贴在介质基片上构成的传输线，微带线的工作模式为准TEM模式，适用于高频信号的传输
    • 贴片：顾名思义，指金属片贴在一块介质板上的结构

    由此可区分贴片天线与微带天线具体指什么天线：

    • 微带天线：所有使用了微带的天线，包含微带贴片天线(即贴片天线)，微带振子天线(辐射源是细长条的微带线，类似对称振子)，微带缝隙天线(在微带的接地板上开缝隙，微带线起到馈电作用)
    • 贴片天线：微带天线中最常见的一种实现形式，贴片天线与微带天线很多适合可以指同一种天线
  • 贴片天线的结构

    贴片天线可以分为三层：

    • 辐射贴片：最上层的金属薄片，可以是矩形、圆形、环形等，尺寸数量级可以与波长相比拟
    • 介质基片：中间的绝缘材料，厚度远小于辐射工作波长
    • 接地板：最下层的金属薄层，完全覆盖介质板
  • 微带天线的特点
    • 优点：体积小、重量轻、价格低；容易集成，能够大规模生产
    • 缺点：功率容量低、频带较窄

贴片天线原理

  • 贴片边缘的辐射泄漏

    贴片天线的辐射机制与线天线不同：其利用贴片边缘泄漏辐射，具体过程如下：

    1. 馈电在贴片与接地板之间建立电场：一般将天线的尺寸（贴片的长度）设计为工作频率波长的一半左右\(L≈\fracλ2\)，从而使腔体内的电磁波形成稳定的驻波，进入谐振状态，因此也把贴片天线的结构称为谐振腔
    2. 电场在贴片边缘形成边缘场：贴片与接地板之间建立的电场，在贴片边缘会向外弯曲延伸，从而在周围空间形成边缘场
    3. 贴片四周的缝隙形成等效磁流源：边缘场使贴片缝隙等效为微小的缝隙天线，共同作用并向外辐射电磁波
    4. 接收原理与辐射相反：当空间中的电磁波照射到天线时，会在贴片和接地面之间感应出谐振电磁场，进而在馈电线中产生电信号供接收机处理

    从贴片天线工作原理可见：贴片天线辐射方向性很强，通常在垂直于贴片表面的方向上效果最佳，形成一个半球形的覆盖区域

  • 贴片边缘的开路条件

    贴片边缘处导体突然终止，电流无法继续流动，可等效为开路边界：

    • 边缘电流为0(为了满足电流连续性，电流不能突然消失，只能降低)
    • 边缘电压取最大值(电荷堆积在边缘，产生强电场导致电压升高)

    这一边界条件决定了贴片天线上电压、电流和阻抗的分布：

    • 电压分布：要满足两侧边缘电压最大且连续变化，将呈现为半个余弦周期的驻波：在两端为电压波腹点、中心形成电压波节点
    • 电流分布：与电压分布相反，边缘电压变化率最小，电流为0；中心电压变化率最大，电流也就最大
    • 输入阻抗：其定义为电压与电流之比，因此得贴片天线上边缘的阻抗最大，中间的阻抗最小为0
  • 矩形贴片的长与宽

    对于一个矩形来说长和宽可以互换，但在贴片天线设计中我们需要区分：

    • 长度方向是电压/电流/电场/阻抗会发生变化的方向，这一变化是由于开路边界导致驻波形成的，即谐振方向，前文已述
    • 宽度方向是电压/电流/电场/阻抗均匀分布不发生变化的方向，原因在后文详述

    也就是说一个贴片上的上述场分布如条纹衫一样，与条纹平行的方向就是宽度方向，垂直于条纹的是长度方向

    显然，在天线的哪一处进行馈电将会对天线的工作造成极大的影响，长与宽的区分与馈电设计互为因果：

    • 以长宽定义为原因：

      定义长度方向上容纳半个波长的驻波；宽度方向上场是不变的，用于控制极化与阻抗

      如果两个方向一样长，就会导致激发的TM10与TM01简并，产生交叉极化，所以必须定义长与宽

      为了符合定义，馈电点必须位于宽度中心（也就是与“条纹”垂直且居中的线上）因为馈电激励在宽度中心时，馈电激励的场就在宽度方向上对称，就使得场在宽度方向均匀分布

    • 以馈电设计为原因：

      馈电激励设计在宽度中心时，馈电激励的场就在宽度方向上对称，只能是TM10模或者反相的TM01

      但TM01作为TM10的反相，其宽度中心的电压为0不被激励，因此实际只能有TM10模存在

      而TM10的特性就是长度方向变化，宽度方向不变

  • 贴片工作模式

    由于上述的约束条件与规律，决定了矩形贴片的工作模式是TM10模：

    • TM：横磁模，表现为磁场在传播方向(即法向)上无分量
    • 下标1：长度\(L\)方向场变化半个余弦周期，表现为边缘最强、中心为零
    • 下标0：宽度\(W\)方向场保持不变，表现为场沿宽度均匀分布

    这是贴片天线的最低次模，也是最常用的工作模式

贴片天线参数

  • 谐振频率

    在工作模式中提到贴片天线工作的谐振条件为：有效长度等于半介质波长，公式如下：

    \[L_{eff}=L+2ΔL=\frac{λ}{2\sqrt{eff}} \]

    因为边缘效应，实际谐振频率比理想值偏低，设计时需用等效长度而非物理长度计算

  • 带宽特性

    贴片天线是一个高\(Q\)谐振器：品质因数\(Q\)即储能与辐射损耗之比，高\(Q\)意味着带宽极窄，频率选择性强，也就是贴片天线的带宽很窄

    这一特性源于贴片天线能量在贴片与接地板之间来回反射，只有特定频率形成驻波稳定工作，因此基片越薄、介电常数越高，场束缚越强，Q值越高，带宽越窄

  • 方向特性

    贴片天线得到的是单方向的宽瓣方向图，各个面上方向图特性如下：

    • E面（包含贴片长度方向的平面）：主瓣宽度较宽，在沿贴片宽度方向的轴线处存在辐射零点

    • H面（包含贴片宽度方向的平面）：主瓣宽度更宽，接近全向，在沿贴片长度方向的轴线处存在辐射零点

    • 最大辐射方向在贴片平面法线方向，源于两宽边辐射缝隙同相叠加

  • 阻抗特性

    前文已经探讨了贴片天线的阻抗分布规律，此处给出从贴片天线输入阻抗相关经验公式：

    • 贴片边缘输入阻抗：\(Z_{edge}\approx90 \frac{ε_r+1}{ε_r}(\frac{L_{eff}}{W})^2\)

      贴片边缘的输入阻抗通常为200-400Ω

    • 输入阻抗沿长度方向的变化规律：\(Z_{in}(y)=Z_{edge}\cos^2\left(\frac{\pi y}{L}\right)\)

      \(y\)是从贴片边缘开始向内算的距离，在贴片中心\(y=\frac L2\)，此时cos取0，阻抗取最小值；在贴片边缘\(y=0\)或\(y=L\)，此时cos取1，阻抗取最大值

      在这之间的区域阻抗按此式在0到最大值之间变化

    贴片天线阻抗的另一个特性是：在谐振时纯电阻，失谐时呈强电抗（高Q导致阻抗随频率急剧变化）

贴片天线设计

贴片天线经验公式

  1. 输入参数

    在设计矩形贴片天线时，需要确定如下设计要求与材料参数：

    • 谐振频率\(f_r\)（设计要求），由此得自由空间波长\(λ_0=\frac c {f_r}\)
    • 介质相对介电常数\(ε_r\)（材料本身的参数，取决于使用的基板，一般是2~4）
    • 介质厚度\(h\)（同上，材料本身的参数）
  2. 贴片宽度\(W\)

    对于矩形贴片，其具体大小由长与宽决定，首先计算宽度：

    \[W=\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{ε_r+1}} \]

    该式物理意义：宽度\(W\)的选择要保证沿宽度方向的场均匀，同时使辐射效率最佳

  3. 有效介电常数\(ε_{eff}\)

    因为贴片天线的电场部分在介质中、部分在空气中，需要引入有效介电常数：

    \[ε_{eff}=\frac{ε_r+1}{2}+\frac{ε_r-1}{2}(1+\frac{12h}{W})^{-\frac12} \]

    该式物理意义：有效介电常数\(ε_{eff}\)是一个加权平均，反映波在介质/空气混合介质中的等效传播速度

  4. 等效伸长\(ΔL\)

    在确定贴片长度前，需要进行等效伸长，因为边缘场的存在，贴片的电长度会比物理长度多一些，这多出来的伸长量由下式给出：

    \[ΔL=0.412h\frac{(ε_{eff}+0.3)(\frac Wh+0.264)}{(ε_{eff}-0.258)(\frac Wh+0.8)} \]

  5. 贴片长度\(L\)

    贴片应谐振在半介质波长，类似于半波振子的\(\fracλ2\)谐振条件，但考虑伸长修正：

    \[L=\frac{c}{2f_r\sqrt{ε_{eff}}}-2ΔL \]

    含边缘效应的等效谐振长度即：\(L_{eff}=\frac{c}{2f_r\sqrt{ε_{eff}}}=L+2ΔL\)

  6. 介质板尺寸

    介质板的尺寸一般满足：\(L_{GND}≥L+6h\)，\(W_{GND}≥W+6h\)

馈电设计

  • 馈电设计原理

    天线需要输入电信号才能产生辐射，而馈电方式本身与天线本体一样需要特殊设计：

    • 馈电设计的目标：让天线的输入阻抗等于馈线的特性阻抗(一般取50Ω)，根据反射系数公式\(Γ=\frac {Z_{in}-Z_0}{Z_{in}+Z_{0}}\)，此条件下反射系数为0，能量全部馈入天线

    • 馈电设计的原理：根据前文原理所述可知贴片天线的输入阻抗随位置不同而连续变化：\(Z_{in}(y)=Z_{edge}\cos^2\left(\frac{\pi y}{L}\right)\)，简而言之从中心向边缘移动，贴片天线的阻抗会从0连续增加到最大值

      因此必然存在一个位置的输入阻抗恰好等于馈线的特性阻抗50Ω，将此点作馈电点，即可实现阻抗匹配

  • 馈电方式

    微带天线有三种馈电方式，按设计制作的从易到难依次为：

    • 侧面馈电：使用微带传输线直接连接到辐射贴片，也就是在贴片侧边刻制馈电网络
    • 同轴线馈电：又称底馈，使用同轴线，同轴线的外导体直接与接地板相接，内导体穿过介质基片与辐射贴片相接
    • 电磁耦合馈电：馈线与贴片不接触，通过电磁场耦合传递能量，一般使用口径耦合(接地板上开缝，馈线在另一侧)或临近耦合(馈线靠近贴片边缘)两种形式

    根据馈电方式的不同，馈电设计的手段也不同

  • 同轴线馈电

    根据上文论述，馈电点要选在贴片的宽度方向中心上，需要确定的是馈电点在贴片长度方向的坐标（\(x_f\)是从边缘向内计算的距离）：

    \[x_f=\frac{L}{2\sqrt{ε_eff}} \]

    • 这一公式由传输线模型简化而来，计算简单但误差较大

    \[x_f​=\frac L π ​arccos(\sqrt{\frac{Z_0}{Z_{edge​}}​}​) \]

    • 这一公式由\(Z_0=Z_{edge}\cos^2(\frac{\pi x}{L})\)直接推导而来，相对第一个公式更复杂也更为精确

    此外，同轴线的内芯粗细等也会影响天线的性能

    无论使用哪一个公式，最终都要再使用软件仿真进行微调确定

HFSS仿真设计

HFSS原理

  • 有限元法

    所谓有限元法，即首先将理论中的无限大空间限定为一个有限的空间，然后将这个空间分解为若干个元，对各个元求辐射解

    • 以一维问题为例：先划定一条线段作为求解空间，再将这条线段拆解为足够多小段，再去计算各小段交点处的电场与磁场，直接使用这每一个点的电磁场作为该点的解

    有限元法求得的解称为数值解，而在理论学习中直接使用波动方程精确求某一点的解称为解析解

    在有限元够多(精度够高)的情况下，数值解与解析解是接近的，相应的计算时间也会更多

  • 设计步骤

    使用HFSS来设计天线的一般步骤为：

    1. 根据要求确定天线物理结构
    2. 作图，设置天线材料、边界条件、激励
    3. 求解设置
    4. 运行仿真
    5. 优化参数以达到设计要求

HFSS建模

  1. 开始
    1. 打开ANSYS electronics 软件
    2. 单击HFSS 按钮，新建画布
    3. 在Modeler - unit 中设置单位（保持默认mm）
    4. 在HFSS - Solution type 中设置求解类型（保持默认）
  2. 作图

    1. 首先使用Draw Box 工具画一个长方体作介质板

    2. 在画布左侧列表中，通过Model - Solids - vacuum 的树状菜单可以查看自己绘制的模型

    3. 在工具栏View 中，Rotate 旁的 Orient 选项可以快速选择查看视角（正视图、侧视图等）

      快捷键Ctrl+D可以快速缩放到全局

  3. 参数修改

    1. 在刚刚的模型菜单下再打开至 Box1 - CreateBox

    2. 双击Box1可以修改所画长方体的名字、颜色和透明度之类属性

      重点是选择材质，这直接关系到所画物体的电参数，在Material 栏默认是vacuum真空，点开下拉菜单选择edit...选项，寻找相应的材质（如果所需材质系统并不自带，可以点击下方Add Materials按键，输入相应参数）

    3. 双击CreateBox 可以设定自己所画长方体的参数，包括长宽高与起始点位置，根据之前经验公式计算所得数值即可

    4. 在设置参数时，可以使用变量：例如将XSize设置为Lgnd，这时会弹出Add Variable 窗口设置Lgnd的值，在Value栏直接输入60mm

      这样的好处是相应的X坐标可以设置为-Lgnd/2，只需要修改一处变量即可修改各个相关的参数

    5. 可以在HFSS - Design Properties 中统一新建参数，修改所有定义过的参数变量

  4. 贴片
    1. 在学会用以上基本操作画介质板后，现在如法炮制绘制贴片部分，分别作两个Rectangle为Patch与GND
    2. 右键所作的贴片，在Assign Boundary选项菜单中将贴片设置为Perfect E 理想电导体（无损耗）
  5. 馈电

    1. 首先，一根同轴线组成部分有：正极内芯(建模时视作圆柱)，外芯(厚度忽略不计)，夹在两者之间的介质(仿真时视作空气)

    2. 作一个圆柱，半径为r0，坐标设置为(xf,0,0)，即之前计算的馈电点，高度设置为-h(介质板的高度)，材质设置为铜copper或者理想电导体pec

    3. 外芯需要与介质板的地连接，为此作一个圆，位置为(xf,0,-h)，即馈电点上GND所在高度，半径按同轴线的内外半径比r0*2.3

    4. 然后选择这个Circle与GND，使用布尔运算相减（如果没有出现在工具栏里，在Mdoeler - Boolean菜单栏中），选择GND为Blank Parts，勾选Clone tool objects将圆复制一份（以免之后无法修改这一布尔运算）

    5. 把复制出来的Circle作为端口Port，右键在Assign Excitation选项菜单中选Lumped Port将端口设置为激励

      在弹出窗口后直接点击下一步，在积分线Integration Line下选择New Line新建，作一条线沿半径方向把外芯与内芯连起来，之后直接确认完成

  6. 空气盒子
    1. 前面的步骤已经将贴片建模完成，接下来再画一个空气盒子：就是作一个大长方体，距离天线的边界至少\(\frac λ 4\)
    2. 将作好的空气盒子设置为求解边界：右键模型，选择Assign Boundary -Radiation
    3. 设置完成后可以在工具栏View的眼睛图标隐藏这个空气盒子

    以上是手动操作的方法，这一步可以自动完成：

    1. 选中所设计的天线模型，右键
    2. 在弹出菜单中选择Create Open Region，在弹出窗口中设置天线频率
    3. 接下来软件会自动计算波长并由此生成尺寸合适的空气盒子

HFSS仿真

  1. 添加求解设置
    1. 在上述步骤完成后，在Project Manager中右键Analysis，选择Add Solution Set up添加求解设置
    2. 设置天线的频率（一般是中频）
    3. 设置求解精度Maximum Number of Passes
  2. 设置频率扫描
    1. 在刚刚的设置中，软件只会仿真设置的频率，如果需要对天线的整个频段工作情况都进行仿真，就需要设置扫描频带
    2. 右键Analysis展开下刚刚添加的求解设置，选择Add Frequency Sweep，在弹出窗口中设置范围
    3. Distribution下可以配置：Linear Step显示扫描的步长，Linear Count显示扫描分成了多少段
    4. 另外可以设置Sweep Type（选择Fast更快）
  3. 开始仿真
    1. 先在工具栏Simulation选项中选择Validate进行有效性检查
    2. 确认之后，点击旁边的Analyze All
    3. 如果设置了多个不同的求解设置，就在Analysis菜单对应的设置下右键后选择Analyze对这个设置进行单独的仿真
  4. 查看仿真结果

    1. 仿真完成后，在Project Manager中右键Result，打开Create Modal Solution Data Report菜单，其中可选择查看形式

    2. 选择Rectangular Plot，在窗口菜单中可以选择图中要显示的参数，然后单击New Report即可看到所选参数为Y轴、频率为X轴的扫频曲线图

    3. 右键菜单Marker可添加标记，选择Y轴标记可方便看出某参数在那些频段下达到了性能指标，另外有最值标记等可用

      以反射系数为例，前文提到\(S_{11}\)回波损耗要求至少小于-10dB（意味着\(\frac {9}{10}\)的能量都入射了），设置-10dB的Y轴标记，该标记之下的频率范围被视作天线工作范围

    4. 如果需要查看一些涉及远场的结果（例如增益或方向图）需要在Project Manager 的 Radiation 中设定 Infinite Sphere
      注意，如果需要查看增益频谱，必须在设置频率扫描时使用Fast或者Discrete模式，并勾选3D Field Save Options 下的save fields选项，否则将只能看到一个频率下的增益

HFSS优化

  1. 参数优化仿真

    我们使用的各项参数来自经验公式，不可能得到完全准确的结果，于是需要对参数进行调整以优化（也是为什么前文使用变量而非数值来写各项参数）

    1. 右键Project Manager中的Optimetrics，在弹出菜单中选择Add - Parametric

    2. 在弹出窗口中单击Add，再在弹出的Add/Edit Sweep窗口中选择要调优的参数，然后在下方设定扫描范围与步长，设置完成后单击Add>>

    3. 在确定后，展开Optimetrics 可见刚刚添加的参数，右键并选择Analyze 开始仿真

      这与仿真时的扫频同理，软件会按设定的步长在设定范围内改变参数再进行仿真，得到参数变化条件下天线特性随之变化的情况

    4. 查看参数变化时的多曲线图与查看一般曲线图的步骤类似，但需要在弹出窗口中切换到Families标签页，选择刚刚仿真的参数，单击Edit下的...图标，选择Use all values，然后再点击New Report

  2. 多参数优化仿真

    有时只改变一个参数并不会对天线性能造成明显的影响，这时需要用到多个参数同时仿真

    1. 按前文步骤添加参数，在添加完一次参数后再次单击Add..添加另一个参数，即可添加多个参数
    2. 按照相同的步骤再进行仿真并查看结果
posted @ 2026-03-25 11:48  无术师  阅读(431)  评论(0)    收藏  举报