HFSS - 圆极化矩形微带天线设计与仿真

（这个仿真了好久啊啊啊啊啊，搞得这么晚，哭辽）

一、设计指标

设计一个右旋圆极化GPS天线

中心频率：1.575GHz
轴比：中心频率处圆极化波小于2dB
馈电方式：单点同轴线馈电
介质板厚度：1.6mm
介质板介电常数：4.4

二、圆极化矩形微带天线

矩形贴片微带天线的极化方式通常是线极化，例如，前面设计的3个矩形微带天线，它们的极化方式都是线极化的。如果采用特殊的馈电方式，也可以获得圆极化的矩形贴片微带天线。圆极化的关键是激励起两个极化方式正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等、相位相差90°时，就能得到圆极化波的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种，一种是单点馈电，另一种是正交双馈。
我们知道当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM01_{01}01和TM10_{10}10两个模式，这两个模式的电场方向互相垂直。在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM01_{01}01和TM10_{10}10两个模式的频率相同、强度相等，而且两个模式电场的相位差为零。若辐射贴片的谐振长度为Lc_cc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边长度为Lc_cc+a，另一边长度为Lc_cc-a,如图所示。

前者对应一个容抗Y =G-jB，后者对应一一个感抗Y =G+jB，只要调整a的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，即B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45°和+45°，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线。其极化旋向取决于馈电点的接入位置，当馈电点在如上图所示的A点位置时，产生右旋圆极化波;当馈电点在如上图所示的B点位置时，产生左旋圆极化波。

理论上当L/W=1.029，即a =0.0143L。时,TM01_{01}01和TM10_{10}10两个模式的相位差为90°。另外，由实际经验可以得到，此种结构的50Ω\OmegaΩ馈电点位于辐射贴片对角线上，且馈电点和辐射贴片顶点的距离d。在(0. 35 ~0. 39)d之间。假设馈电点到辐射贴片的中心距离为L1，则L1在(0. 11 ~0. 15)Lc_{c}c之间。
由HFSS - 侧馈矩形微带天线设计与仿真中的公式可以得到初始尺寸L=W=Lc_cc=46.1mm，设置微调常数a=0.0143Lc_cc来产生圆极化波。估算馈电点距离中心为0.15倍的Lc_cc即为6.9mm。

三、模型创建与仿真

此处直接使用双频微带天线的模型进行修改。
打开双频天线的文件删除工程树Results 节点下的所有结果报告，以及Optimetrics 节点下的所有优化设计项和参数扫描分析项。同时，打开该设计文件所在的文件夹，删除其中的xxxxx. hfssresults 文件夹。修改添加参量值如下

将馈电点移动至前面所述的A点，修改后位置如下

馈电端口依照上述位置作出修改。修改相应的求解频率和扫描范围如下：

仿真后调出S11_{11}11结果如下图：

从结果报告中可以看出，在初始设计尺寸下，天线的谐振频率为1. 53GHz。我们设计要求的中心频率为1. 575GHz，所以下面进行参数扫描分析，给出辐射长度Lccc和谐振频率之间的变化关系，找到谐振频率为1. 575GHz时Lccc的大致取值范围。

四、参数优化

由理论分析可知，矩形微带天线的谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，谐振频率随着贴片长度的缩短而变大。接下来，我们通过参数扫描分析功能来分析谐振频率随着辐射贴片长度Lccc的变化关系，从而找到Lccc的大致取值范围使得谐振频率为1. 575GHz。
添加扫描参数如下

参量扫描结果如下

从参数扫描分析结果中可以看出，谐振频率随着Lccc的变大而降低。在馈电点位置L1 =6. 9mm不变的情况下，当Lccc=44.7mm时，谐振频率为1. 58GHz；当Lccc= 44.9mm时，谐振频率为1. 57GHz。
由之前的理论分析可知，矩形微带天线的输入阻抗主要由馈电点的位置决定，当馈电点从辐射贴片中心往边缘移动时，即当变量L1逐渐变大时，输入阻抗也随之逐渐变大。下面我们通过参数扫描分析功能来分析在谐振频率为1. 575GHz左右时，输入阻抗和馈电点位置变量L1之间的关系，并找到输入阻抗为50Ω\OmegaΩ时L1的大致取值范围。
查看初始阻抗如下

从结果报告中可以看出，工作频率为1. 575GHz时，输人阻抗为(34.8-j0.92)Ω\OmegaΩ。因此，要使输入阻抗为50Ω\OmegaΩ左右，则L1的值必须大于初始值6. 9mm。下面使用参数分析功能来分析天线的输入阻抗与同轴线馈电点位置变量L1之间关系，并找到输入阻抗为50Ω\OmegaΩ时L1的大致取值范围。扫描变量L1的扫描范围中的最小值需要大于6.9mm，这里设置为7. 4mm ~ 9mm。如下图所示。

参数扫描结果如下

从参数扫描分析结果中可以看出，输入阻抗随着L1的变大而变大（馈电点距离辐射贴片中心越远，输入阻抗越大），当L1 = 8.6mm时，输入阻抗约为50Ω\OmegaΩ。
从前面的参数扫描分析结果可知，当辐射贴片的长度Lccc=44. 7mm时，谐振频率在1. 575GHz左右;当馈电点位置L1 =8. 8mm时，输入阻抗约为50Ω\OmegaΩ。因此，在优化分析时，变量Lccc和L1的优化范围可以分别取44mm-45mm和8mm-9mm。下面我们使用HFSS的优化设计功能，分析给出满足设计要求的最佳设计。
为了满足设计要求且达到很好的圆极化波，在中心频率上设置优化目标函数为S11_{11}11<-20dB且轴比小于1dB，即在HFSS中表示为dB(S(1,1))<-20，且dB( AxialRatioValue) <1。（轴比：电场最大值与最小值之比，表征极化的参数。）
将L1和Lccc设置为优化变量如下图

添加优化设计

选择优化变量

设置优化目标

设置好优化目标后，设置优化范围

查看优化过程

从优化结果中可以看出，在进行了30次优化迭代之后，并没有找到一组满足优化目标要求( 即Cost=0)的值。查看所有30次的优化分析结果，可以找到第20次优化迭代的误差函数值最小(Cost =1.45)，此时变量L1 =8. 24mm、L。 =44. 37mm。那么，我们可以取该组值为最终设计结果。
将参量改为上述值之后仿真并查看结果。

五、优化后的仿真结果

1、回波损耗

2、Smith圆图

3、增益方向图