題目：L/S頻段的圓極化雙頻單貼片天線設計所設計天線的應用背景通信設備的不斷更新和擴容，需減小天線之間的相互干擾，這就要求天線朝著寬頻帶方向發展。為了充分利用越來越擁擠的微波頻段，通常希望多個系統共用一副天線或者天線收發共用，這一現狀促使了天線的雙頻甚至多頻技術的出現。現在市場上普遍流行的多模手機就是很好的例證。圓極化天線具有可接收任意極化的來波、旋向正交性、圓極化波入射到對稱目標時旋向逆轉等極化特性，在面對云雨干擾、劇烈震動、影響重疊等外來因素干擾時表現優異，能滿足在通信、雷達、電子對抗、電視廣播等方面的更嚴格、更精密的探測或是傳輸要求，而小型化是集成電路的發展趨勢。近年來，寬帶多頻的圓極化微帶天線發展迅速，廣泛應用于軍事和民用通信的多個領域。本設計旨在介紹一種單貼片的雙頻圓極化天線的實現，該方法適用于設計工作于L/S頻段的雙頻天線，具體應用領域包括衛星導航（GPS/BeiDou）、WLAN、RFID等。設計天線的關鍵或主要指標等的介紹該天線采用單貼片的微擾法來實現雙頻，即通過單一貼片激勵兩個主要的橫磁波模式實現雙頻，這里主要是TM10和TM30模；采用簡單的單同軸饋電實現圓極化，尺寸小結構緊湊。天線的設計指標：中心頻率：1.54GHz，2.98GHz1/30反射系數： <-15dB增 益：1dBi交叉極化：<-15dB該類天線發展情況微帶天線具有剖面薄、體積小、重量輕、平面結構、可共形、易集成、功能多樣化、成本低、易于批量生產等一系列頗具特色的優點。近年來國內外研究者在圓極化天線能與設備大小協調、多頻工作等方面取得了一系列成果。實現微帶天線小型化的嘗試繁多，具體有貼片表面狹縫加載,即通過在天線貼片中加載十字形狹縫、彎折的狹縫或Y形狹縫;貼片邊緣加載狹長切口；方形和三角形貼片切角、圓形貼片邊緣切割；貼片外加調諧枝節以及利用分形技術在貼片或者地板上加載特定尺寸的EBG結構等。多頻天線通常采用單貼片的多模諧振和貼片層疊的方法來實現。本設計通過單貼片的縫隙加載來實現了雙頻小型化的目的，但簡單的結構和饋電網絡也帶來了阻抗帶寬和3dB軸比帶寬較窄的缺陷，仿真過程中后期的優化處理要求較高。4. 天線結構介紹，包括圖， VISIO畫的平面 三維圖等2/30xydTdlWSSlSwLzhGround Feed x圖4.1天線結構示意圖天線結構如上圖所示，天線的工作頻率為1.54GHz0194.8mm0402）和2.98GHz。該天線由一層輻射貼片、一層介質基板、地板、一個同軸饋電探針構成。其中貼片四邊切出四個T型縫隙，左右下三條邊上的縫隙尺寸完全一致，上邊的T型縫隙除了豎線部分寬度為，其它尺寸也和前三者一樣；饋電位置如圖所示。地板尺寸LLLL7575mm2，介質基板選用介電常數r，損耗正切tan0.024.4h1.6mm。饋電點位置xp,yp9mm,9mm，其它的建模參數L40，l32，d13.5，dT11，wS1，lS13，s1，w2單位都為mm。同軸線內芯半徑r10.635mm，外層半徑RR1.4605mm。這里采用加載縫隙的方形單層貼片來實現小尺寸的雙頻圓極化3/30天線，貼片的邊長僅為 40mm，這里貼片激勵的主要模式為 TM10和TM30模，T型縫隙增大了TM10模的貼片表面電流路徑，中間的一字型縫隙除了增大TM30模的表面電流路徑外，同時使其三葉草形的輻射方向圖變為心形圖，兩個工作模式表面電流路徑的增加有效地減小了貼片尺寸。圓極化的實現主要和饋電點位置的選取有關。仿真分析的過程及結果，包括一步一步由HFSS（13）仿真的過程，達到有點基本知識的人都可以按照該步驟達到仿真的結果新建設計工程（1）運行HFSS并新建工程雙擊桌面上的 HFSS快捷方式圖標 ，啟動HFSS軟件。HFSS運行后，它會自動新建一個工程文件，選擇【 file 】→【saveas】命令，把工程文件另存為T-shaped.hfss文件。點擊圖標，在工程里添加一個設計。2）設置求解類型設置當前設計為模式驅動求解類型。從主菜單欄中選擇【 HFSS】→【solutiontype 】命令，打開如圖5.1所示的solutiontype 對話框，選中 drivenmodel單選按鈕，然后單擊 按鈕，完成設置。4/30圖5.1設置求解類型3）設置模型長度單位設置當前設計在創建模型時所使用的默認長度單位為mm。從主菜單欄中選擇【 modeler】→【units】命令，打開如圖5.2所示的 setmodelunits 對話框。從該對話框中將 selectunits 選項設為mm。然后單擊 按鈕，完成設置。圖5.2 設置長度單位添加和定義設置變量從主菜單欄中選擇【 HFSS】→【DesignProperties 】命令，打開設計屬性對話框。在該對話框中單擊 按鈕，5/30打開AddProperty 對話框。在 Name文本框中輸入第一個變量名稱h，在Value文本框中輸入該變量的初始值 1.6mm，然后單擊 按鈕，即可添加變量 w到設計屬性對話框中。變量定義和添加的過程如圖 5.3所示。變量變量圖5.3 定義變量使用相同的操作方法，完成其他變量的定義。定義完成后，確認設計屬性對話框如圖 5.4所示。6/30圖5.4 定義所有設計變量后的設計屬性對話框最后單擊設計屬性對話框中的 按鈕，完成所有變量的定義和添加工作。3. 設計建模1）創建輻射貼片首先創建一個中心位于坐標原點，長、寬分別用變量 w和l表示的矩形面，并將其命名為 Patch。從主菜單中選擇【 Draw】→【Rectangle】命令，或者單擊工具欄上的 按鈕，進入創建矩形面的狀態，然后在三維模型窗口的xy面上創建一個任意大小的矩形面。新建的矩形面會添加到操作歷史樹的 Sheets 節點下，其默認的名稱為Rectangle1。7/30雙擊操作歷史樹 Sheets節點下的 Rectangle1，打開新建矩形面屬性對話框中的 Attribute 選項卡，如圖 5.5所示。把矩形面的名稱修改為 Patch，設置其顏色為銅黃色，透明度為0.4，然后單擊 按鈕退出。雙擊圖5.5 矩形面屬性對話框中的 Attribute 選項卡在雙擊操作歷史樹 Patch下的CreateRectangle 節點，打開新建矩形面屬性對話框中的 Command選項卡，在該選項卡中設置矩形面的頂點坐標和大小。在 Position 文本框中輸入頂點位置坐標為(-L/2,-L/2,h) ，在XSize和YSize文本框中分別輸入矩形面的長度和寬度為 L和L，顯然選定了貼片的幾何中心在坐標原點處，如圖 5.6 所示，然后單擊 按鈕退出。雙擊8/30圖5.6 矩形面屬性對話框中的 Command選項卡接下來創建縫隙，首先創建上邊的 T型縫隙。先在 XY面內畫兩個任意長方形，定點位置坐標和長、寬分別為 (-L/2,-dT/2,h) ，w，dT；(-L/2+w,-l1/2,h) ，s，l1，這些參數根據貼片尺寸及貼片與坐標系的相對關系容易得到；在歷史樹或者三維視圖中，同時選中（借助ctrl或者shift鍵）這兩個方形，然后點擊右鍵【Edit】→【Boolean】→【Unite】，這樣上邊的T形縫隙就創建好了。另外三個T型縫隙及中間的一字型縫隙創建就不在贅述，創建過程中注意保證坐標點及相對尺寸的正確性，為了便于后面參數掃描與優化，盡量都用變量表示。然后通過布爾運算的減操作實現貼片裁剪縫隙，同時選中貼片及5個縫隙（或者9個方形，即上面T型縫隙不作合并操作也可以）右鍵【Edit】→【Boolean】→【subtract】，如下圖所示，確保patch在左邊，其它在右邊，選中后用箭頭調整，點OK即可。9/30圖5.7 布爾運算減操作選項卡此時就創建好的名稱為Patch的輻射貼片模型，見圖4.1綠色部分。然后按快捷鍵Ctrl+D全屏顯示創建的物體模型。2）創建介質基片創建一個長方體模型用以表示介質基片，模型的材質為FR4，該模型默認命名為 Box1。從主菜單中選擇【 Draw】→【Box】命令，或者單擊工具欄上的 按鈕，進入創建長方體的狀態，然后在三維模型窗口中創建一個任意大小的長方體。新建的長方體會添加到操作歷史樹的Solids節點下，其默認的名稱為Box1.雙擊操作歷史樹 Solids 節點下的Box1，打開新建長方體屬性對話框中的 Attribute 選項卡，把長方體的名稱修改為Substrate，設置其材質為 FR4_epoxy，設置其透明度為 0.8，如圖5.8所示，然后單擊 按鈕退出。雙擊此處圖5.8長方體屬性對話框中的Attribute選項卡再雙擊操作歷史樹Substrate節點下的CreateBox，打開新10/30建長方體屬性對話框中的Command選項卡，在該選項卡中設置長方體的頂點坐標和尺寸。在Position文本框中輸入頂點位置坐標為(-LL/2,-LL/2,0)，在XSize、YSize和ZSize文本框中分別輸入長方體的長、寬和高LL、LL和h，如圖5.9所示，然后單擊 按鈕退出。雙擊圖5.9長方體屬性對方框中的Command選項卡接下來在介質基片上創建饋電探針過孔。【Draw】→【Cylinder】或者單擊 畫z軸向的任意圓柱體，雙擊歷史樹中圓柱體項目名稱，打開屬性窗口，更改中心坐標、半徑、高度分別為（xp,yp,0）、r1、h，確定即可。然后進行布爾運算的減操作，選中介質基片和創建的圓柱體，右鍵【 Edit】→Boolean】→【subtract】，介質基片Box1在BlankParts，Cylinder 在ToolParts 部分，點擊 OK過孔的創建完成。3）創建參考地在距離貼片下方 h處創建方形參考地，其屬性窗口如圖5.10所示，具體創建過程不再贅述。11/30圖5.10 方形地板屬性窗口接下來在地板上創建饋電探針過孔。同軸饋線需要穿過參考地面來傳輸信號能量，因此，需要在參考地面gnd上開一個圓孔允許能量傳輸。從主菜單中選擇【Draw】→【Circle】命令，或者單擊工具欄上的按鈕，進入創建圓面的狀態，在三維模型窗口中創建一個任意大小的圓面。新建的圓面會添加到操作歷史樹的Sheets節點下，其默認名稱為Circle1。雙擊操作歷史樹Circle1節點下的CreatCircle，打開新建圓面屬性對話框的Command選項卡，在該界面下設置圓面的圓心坐標和半徑。在CenterPosition文本框中輸入圓心坐標為(xp,yp,0)，在Radius文本框中輸入半徑值RR，如圖5.11所示，然后單擊按鈕，完成Circle1的創建。12/30雙擊此圖5.11 圓面屬性對話框中的 Command選項卡按住 Ctrl ，分別選中 gnd和 Circle1 ，單擊右 鍵選擇【Edit】→【Boolean】→【Substact】，進入 Substact 選項卡，如圖 5.12 所示，確認 BlankParts 里面是 gnd，ToolParts下面是Circle1，單擊 按鈕退出。圖5.12Substract 選項卡至此，地板上的饋電孔創建完畢。（5）創建探針和同軸饋線13/30創建一個圓柱體作為同軸饋線的內芯，圓柱體的半徑為r1，高度為 h+3mm，圓柱體底部圓心坐標為 (xp，yp，-3mm)，材質為理想導體，并命名為 inner。從主菜單選擇【Draw】→【Cylinder】命令，或者單擊工具欄上的按鈕，進入創建圓柱體的狀態，在三維模型窗口中創建一個任意大小的圓柱體。新建的圓柱體會添加到操作歷史樹的Solids節點下，其默認的名稱為Cylinder1。雙擊操作歷史樹 Solids 節點下的 Cylinder1 ，打開新建圓柱體屬性對話框中的 Attribute 選項卡。把圓柱體的名稱修改為inner，設置其材質為 pec，然后單擊 按鈕退出。再雙擊操作歷史樹inner節點下的CreatCylinder，打開新建圓柱體屬性對話框的Command選項卡，在該選項卡中設置圓柱體圓心坐標、半徑和長度。接下來創建同軸線外層部分，創建兩個圓柱體，分別命名為 inner0，outer，材料默認為vacuum不作更改。坐標、半徑、長度分別為 (xp，yp，-3mm)、r1、3mm，(xp，yp，-3mm)、RR、3mm。然后進行布爾運算，用outer減去inner0，具體過程不再贅述。最后在饋電端口處創建一個波端口反射片。畫圓柱體，材料屬性設為pec，坐標、半徑、高度分別為(xp，yp，-3mm)、RR、-0.2mm。這里把波端口設置在輻射邊界腔體內部，需要波端口出創建一個反射片。14/30（6）創建輻射邊界腔體一般來說，模型到輻射邊界腔體的距離為

0 4

0 2，可以根據具體情況進行調整。這里選擇

0 2，畫長方體的空氣盒子，起點坐標（-140mm，-140mm，-100mm），三個坐標軸的軸向距離分別為280mm，280mm，200mm。默認為Box2，選中后右鍵【AssignBoundary】→【Radiation】→【OK】，設置為輻射邊界條件。（7）設置邊界條件把創建好的貼片和地板設置為理想電邊界條件 PerfectE，輻射腔體設設置為輻射邊界條件，上面已經做過這里不要重復。選中貼片除了直接在歷史樹和三維模型窗口選取，還可以Edit】→【Select】→【ByName】,注意體與面的光標模式切換按字母“O”、“F”或者右鍵操作。其它的材料屬性與邊界條件前面都已做過，最后歷史樹窗口顯示如下圖5.13所示。圖5.13歷史樹窗口15/30（8）設置端口激勵將同軸線的底段設置為波端口激勵。在建模窗口中單擊鼠標右鍵選擇 SelectObjects ，選中軸饋線的金屬底座反射片Cylinder5 ，點擊工具欄中 按鈕將其隱藏。然后在建模窗口中單擊鼠標右鍵選擇 SelectFaces ，選中同軸線的底面如圖5.14紅色部分所示。圖5.14 天線模型示意圖然后在其上單擊鼠標右鍵，選擇【 AssignExcitation 】→【WavePort】，打開如圖 5.15 所示的波端口設置對話框，首先直接單擊下一步，進入 Modes對話框，單擊 IntegrationLine項的None，從下拉列表中選擇 NewLine選項，進入三維模型窗口設置積分線。積分先從同軸線內心邊緣畫向外心邊緣，方向沿任意徑向，起點和終點在自動識別時點擊左鍵，見下圖。然后回到 Modes對話框，IntegrationLine 項由None16/30變成Defined，單擊下一步按鈕。在 PostProcessing 對話框中選中 ，并設置 FullPortImpedance 選項為50ohm。最后單擊 按鈕，完成波端口激勵方式的設置。圖5.15 設置波端口激勵設置完成后，雞樅端口激勵的名稱“1”會添加到工程樹的Excitations節點下。（9）求解設置17/30A．求解頻率和網格剖分設置設置求解頻率為 2.4GHz，自適應網格剖分的最大迭代次數為20，收斂誤差為 0.02。右鍵單擊工程樹下的 Analysis 節點，選擇【AddSolutionSetup】命令，打開 Solution Setup 對話框。在 SolutionFrequency文本框中輸入求解頻率 2.4GHz，在MaximumNumberofPasses 文本框中輸入最大迭代次數 20，在MaximumDeltaS文本框中輸入收斂誤差 0.02，其他選項保留默認設置，如圖5.16所示。然后單擊 按鈕，完成求解設置。圖5.16 求解設置B．掃頻設置展開工程樹下的 Analysis 節點，右鍵單擊求解設置項Setup1，選擇【AddFrequencySweep】，打開 EditSweep 對18/30話框，如圖5.17所示。在SweepType下拉列表中選擇掃描類型為Fast，在FrequencySetup選項組中將Type選項設置為LinearStep，在Start文本框中輸入1GHz，在Stop中輸入3.5GHz，在StepSize中輸入0.01GHz，其他選項保留默認設置。最后單擊 完成設置。設置完成后，該掃頻設置項的名稱 Sweep1會添加到工程樹的求解設置項 Setup1下。圖5.17掃頻設置10）設計檢查和運行仿真計算通過前面的操作，我們已經完成了模型創建和求解設置等HFSS設計的前期工作，接下來就可以運行仿真計算并查看分析19/30結果了。但在運行仿真計算之前，通常需要進行設計檢查，確認設計的完整性和正確性。從主菜單中選擇【 HFSS】→【ValidationCheck 】，或者單擊工具欄上的 按鈕，進行設計檢查。此時，會打開如圖 5.18所示的ValidationCheck 對話框，在該對話框中的每一個選項的前面都顯示 圖標，表示當前的 HFSS設計正確且完整，然后單擊 按鈕關閉對話框。接下來，我們就可以開始運行仿真計算了。圖5.18 設計檢查結果對話框右鍵單擊工程樹下的 Analysis 節點，選擇【AnalyzeAll】，或者單擊工具欄上的 按鈕，開始運行仿真計算。在仿真計算過程中，工作界面右下方的進度條窗口會顯示出求解進度，信息管理窗口也會有相應的信息說明，并會在仿真計算完成后給出完成提示信息。（11）查看天線結果20/30A．回波損耗右鍵單擊工程樹下的 Results 節點，選擇【 CreatModalSolutionDataReport 】→【RectangularPlot 】，打開報告設置對話框，如圖 5.19 所示。在該對話框中確定左側Solution 選項設置的是 Setup1：Sweep1，在Category 列表框中選中 SParameter，在Quantity 列表框中選中 S(1,1)，在Function 列表框中選中 dB。然后單擊 按鈕，再單擊按鈕關閉對話框。此時，即可生成如圖 5.20 所示的 S11在1.6GHz-2.3GHz的掃頻分析結果。圖5.19 分析報告設置對話框21/30圖5.20S11的掃頻分析結果B．增益方向圖首先定義輻射面，分別定義輻射面 phi=0deg，phi=90deg（通常所說的 E面H面）和三維輻射面。定義 Phi=0°的平面為輻射表面：右鍵單擊工程樹下的Radiation 節點，選擇【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】，打開 Far Field Radiation SphereSetup對話框，定義輻射表面。在 Name文本框中輸入輻射表面的名稱EPlane，在Phi角度對應的 Start、Stop和StepSize文本框中分別輸入 0、0、0，在Theta角度對應的 Start、Stop和StepSize文本框中分別輸入-180、180和5（權衡資源消耗和精度要求選取），然后單擊 按鈕完成設置。定義 Phi=90°的平面為輻射表面：右鍵單擊工程樹下的Radiation 節點，選擇【Insert Far Field Setup】→22/30【Infinite Sphere】，打開 Far Field Radiation SphereSetup對話框，定義輻射表面。在Name文本框中輸入輻射表面的名稱HPlane，在Phi角度對應的Start、Stop和StepSize文本框中分別輸入90、90、0，在Theta角度對應的Start、Stop和StepSize文本框中分別輸入-180、180和5，然后單擊 按鈕完成設置。定義三維立體球面為輻射表面：右鍵單擊工程樹下的Radiation節點，選擇【InsertFarFieldSetup】→【InfiniteSphere】，打開FarFieldRadiationSphereSetup對話框，定義輻射表面。在Name文本框中輸入輻射表面的名稱3D，在Phi角度對應的Start、Stop和StepSize文本框中分別輸入0、360、10，在Theta角度對應的Start、Stop和StepSize文本框中分別輸入-180、180和10，然后單擊按鈕完成設置。此時，定義的輻射表面會添加到工程樹Radiation節點下。查看 E/H面頻率增益，【Result】→【Create FarFields Report】→【Rectangular Plot 】→【3DPolarPlot】，報告設置如下圖 5.21所示。點擊 NewReport加載完畢即得到增益結果，這里導出了相關數據在數據處理軟件Oringin 得到如圖5.22所示結果。23/30圖5.21 頻率增益設置對話框B[niaG]

1.21.00.80.60.4Bd[n0.2aG]0.0-0.2-0.4-0.6-0.81.461.481.501.521.541.561.58Freq[GHz]

3.02.52.01.51.00.50.0-0.52.92.93.03.03.03.0680246Freq[GHz]圖5.22f=1.54GHz、f=2.98GHz的增益查看三維增益方向圖，右鍵單擊工程樹下的 Results 節點，選擇【Result】→【CreateFarFieldsReport 】→【3DPolarPlot 】，打開報告設置對話框，如圖 5.23 所示。在Geometry下拉列表中選擇前面定義的 InfiniteSphere3 ，在Category 列表框中選中 Gain，在 Quantity 列表框中選中GainTotal，單位選中 dB。然后單擊 按鈕，再單擊24/30按鈕關閉對話框。生成如圖 5.24 所示的三維增益方向圖。圖5.233D增益設置對話框圖5.243D增益方向圖25/30查看極坐標形式的輻射方向圖，【 Result】→【CreateFarFieldsReport

】→【

Radiation

Pattern

】，具體設置如圖5.25所示。方向圖結果如圖

5.26。圖5.25 歸一化輻射方