
本實例是使用HFSS軟件設計仿真了一款北斗導航的圓極化微帶天線
實例包含從參考資料學習到HFSS建模設計仿真、優化、加工、測試等大概步驟。
看完本實例教程,將使你了解到一款微帶天線的設計到實物測試并分析結果的全過程。
本實例特地還加入了HFSS如何生成PCB加工文件,在本實例的大部分篇幅,說明也比較詳細。
很多設計者在設計好ADS和HFSS等仿真后,都遇到了如何導成PCB加工文件的難題,因為一般PCB加工廠家都只接收PCB等加工文件,不會幫你轉換文件格式。
本教程會幫你解決這一問題,你可以按照自己的要求布局自己的設計版圖,達到最滿意的效果,這樣投版加工出來的實物完全就是你想要設計的版圖。
本實例沒有提供建模、優化、加工、測試等具體的操作說明(限于篇幅和筆者時間)
本實例設計到的專業知識有:
微帶天線的基本理論、天線極化、天線測試等
本實例需要用到的軟件有:
HFSS、AUTOCAD、AltiumDesigner等軟件
中心頻率:2492MHz 帶寬100MHz
帶內軸比:<3
極化方式:右圓極化(RHCP)
板材:FR-4 厚度1.6mm
S11:<-20dB
由前面設計要求得知,中心頻率2.492GHz,板材介電常數4.4,厚度1.6mm,根據網上的文獻公式計算得到圓形輻射貼片的直徑D=32.6mm(讀者可自行查找相關公式),相關文獻得知w在11.5mm左右,l在8mm左右,g的寬度可以確定為1mm,饋電位置半徑R1=4.8mm。

設置變量
按照以上的變量建立模型(讀者可參考HFSS資料教程建立)。模型如下

3、模型仿真
設置好掃頻類型為快速掃頻,設置掃頻范圍為2GHz到3GHz,間隔0.001GHz等參數后。
4、優化與結果
仿真結束后查看下S11參數

下面是變量R的優化結果:

本實例的天線較簡單,經過優化R幾次的結果,可以得到當R=16mm時候,天線的諧振點在2.492GHz,選擇R=16mm,單獨仿真得到結果如下:

諧振點符合要求,S11在2.492GHz點,為-23.55dB,帶寬為106MHz。
此刻我們需要查看北斗導航天線面的電場分布和軸比,選中輻射貼片,右鍵選擇Plot Filelds—E—Mag-E,可以查看輻射貼片的電場分布如下圖(優化后的結果):

根據場的動態圖,可得知天線已經實現了右圓極化方式,為了進一步驗證極化方式,可以查看天線的軸比,如下圖(優化的結果):

到此,北斗導航圓極化微帶天線的仿真設計工作告一段落,下面的加工和測試篇。
首先打開已經設計好的HFSS設計模型文件,定義坐標:確認所要導出的平面在當前的坐標XOY面上,比如上圖中的所要導出的是黃色的輻射貼片和邊框所在的平面就是當前的坐標。
注意:當某些是雙面板的,可能需要多次定義坐標和導出。
菜單欄選擇Modeler-Export,導出的文件格式選擇.DXF,如下圖:

用CAD或者AUTOCAD打開剛才導出的.DXF文件,如下圖(不兼容可另存為.DWG再打開):

建立圖層:打開圖層特性管理器,除了默認的圖層外,需要建立其它圖層,比如輻射貼片層、邊框層、底層、打孔過孔層等
本設計需要的層有輻射貼片層(TOP層 紅色),底層(BOT層 藍色),邊框層(GKO層 黃色),命名和顏色都為了和AD中PCB相應的圖層對應

分配圖層:在CAD中用鼠標選中說要分配的圖層,比如BD導航天線選擇輻射貼片,然后再圖層特性管理器選擇TOP層,就表示輻射貼片分配到TOP層,并且顏色顯示為紅色。依次分配邊框和底層,最后效果如圖。

填充:選擇要填充的圖層圖像,比如北斗輻射輻射貼片,選中它,在AUTOCAD中輸入字母“K”,按回車鍵,顯示的窗口如下圖:

按上圖設置,然后選擇要填充的圖形內部的任意的一點,按回車鍵,點擊確定。安裝操作步驟,再填充底層BOT層,整體完成效果如下圖:

此時,我們就完成了整個北斗導航天線的填充。保存
導入AltiumDesigner生成PCB加工文件:打開AD新建一個PCB文件,選擇文件-導入,選擇剛才在AUTOCAD完成的.DWG文件打開,彈出下圖:

注意兩點,
第一:單位,你在HFSS中設計的時候,使用的單位是mm還是mil,原來是什么選擇什么單位,本教程設計文件在HFSS中單位用的是mm;
第二:層匹配,TOP層對應Top Layer層,BOT層對應Bottom Layer層,GKO層對應Keep-Out Layer,點擊確定。
在HFSS設計的同軸饋電位置放置一個圓形焊盤,如下圖:

定義板子形狀和原點:
這里提供一種快捷的方法:
在AD界面右下角選擇PCB-PCB-Filter,彈出如下圖對話框,在中間輸入“ISK”,按回車鍵(此時選中了圖層GKO層),
然后再菜單欄選擇:設計-板子形狀-按照選擇對象定義(中文版本)。
同時設置原點位置。

至此,整個北斗導航微帶圓極化天線的PCB加工文件就完成了,現在就可以根據設計的PCB加工文件投版加工了。
提示:一般處理好PCB加工文件后,可以查看PCB的3D效果圖,看看是否符合自己的要求,比如需要開窗的地方(不蓋油)、功放板的散熱孔、同軸饋電的背面挖空接地等,這些都是需要考慮的問題。
本教程中的設計實例,筆者按照上篇導出的文件進行加工
為了省時間,筆者選擇了自己加工,沒有網上投版(一般PCB網上打樣需要的周期大概都是五天左右)
自己加工時間快,激光雕刻差不多半小時
實物加工好后,接下來是實物焊接+測試。

焊接好后可先用矢量網絡分析儀測試,一般測試前,都要先進行失網的校準,S11測試結果如下:




本人能力有限,寫的實例當中肯定有錯誤和不足,內容質量也不高,所長會慢慢完善!還請大家見諒!以后還會有各類射頻微波類設計實例展現給大家!
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