介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析

第3章介质谐振器与介质谐振器天线的建模与仿真分析

3.1介质谐振器

介质谐振器的流程图：

设计单位

设置默认材

料

创建空气腔

创建介质

检查模型

保存工程

设置分析

仿真

查看计算结果

创建场覆盖图

参数扫描

参数扫描结

3.1.1介质谐振器的建模

介质谐振器的模型有很多中，本文主要是以圆柱形介质谐振器为参考，其中，介质谐振器的尺寸均是由本人视个人情况设定。

本模型由三部分组成：谐振腔、谐振介质和基片，如图所示：

3.1.2谐振器的设计与仿真分析

（1）开始前的准备工作

上网下载电磁波仿真系统HFSS 软件，进行安装。

打开HFSS 软件桌面快捷方式，启动HFSS 软件。新建一个工程，名称为yuancong.hfss ，然后设计解决方案类型。在HFSS 软件中，具有三种求解方法。分别是受驱模式求解、受驱终端求解和本征模求解。下面是三种求解方式的区别：

本征模求解：计算结构的本征模或谐振是一般采用本征模求解方式。本征模求解可算出结构的谐振频率和在这些谐振频率出对应的场，也可计算出品质因数。因为本征模问题不包含端口和源，所以介质谐振器运用的求解方式是本征模求解方式。

受驱模式求解：想用HFSS 计算基于微波传输带、波导、传输线等被动高频结构的基于模式的S 参数时，选用Driven Modal 。S 参数解决将用一系列波导模的入射和反射能量来表示。

受驱终端求解：想用HFSS 计算基于终端的多导体传输线端口的S 参数时，采用受驱终端求解。 （2）设计模型单位

选择软件的单位以毫米为单位。 （3）创建空气腔

选择菜单项创建空气腔，其圆柱体的基坐标为（x=0,y=0,z=0）,并且键入半径为15mm ，高度为10mm 。并且勾选显示框架项。

谐振腔

谐振介质

谐振器基片

（4）创建新材料

由于介质谐振器是由高介电常数和低损耗的介质材料制成，所以要创建高介电常数的材料。

ε=36，命我们在三维模型材质中创建新材质，其中，谐振介质的介电常数

r

名为DielRes.在实际天线设计中，谐振器要放在介质基片之上，基片下面是接地板，接地板如果与谐振器较近就会对谐振频率和品质因数有影响，而且谐振器材

ε=9.6.料的介电常数必须远大于基片的介电常数。所以设置谐振基片的介电常数

r

命名为subs。

（5）创建基片和介质

创建基片位置为（x=0,y=0,z=0），其中半径为15mm，高度为-1mm。命名为substrate。设置材料为subs

创建介质位置为（x=0,y=0,z=0），其中半径为5mm。高度为5mm。设置材料为DielRes。

（6）检查模型设置

我们已经建立了完整的模型，分析之前唯一没做的是设定边界条件，我们应用系统默认的边界为理想电边界。由于本征模算法不需要端口激励，所以我们不设置激励。

通过菜单项中的边界显示，得出如图结果：

(7)设置分析

建好模型后，接下来是使用HFSS软件的分析功能来分析模型的微波性能，首先添加分析功能，然后设置器件所要工作的工作频率。完成设置后，开始分析模型。

在分析设置中，主要设置工作频率，求解频率是用来自动划分网格的，所以不要设置的太低，计算会不精确，一般取中心频率。即设置最小频率为3GHZ：设置模式数目为6：设置最大步数为14，设置频率每步最大变化为25%。最小收敛步数为3.

（8）仿真

建立好模型和设置分析后，检查模型边界设置后，就可以仿真模型了，其模型验证如图所示：

接下来就是执行仿真求解。

(8)计算结果

对于介质谐振器，需要关注的参数是介质谐振器的谐振频率，各个谐振模式在谐振器内部的场强分布，由于没有激励，所以没有S参数。

查看结果数据，其收敛性如图所示：

切换到本征模数据选项卡，如图所示，可以看到这些模成对出现，他们是衰减模。

接下来通过单个模查看收敛性，如图所示，在第七步后软件得到的模的频率趋于常数。容易看出模5和6以及1和2实际上同一个模。

(9)场覆盖图

1. 设置场为电场幅度，经过一系列设置后，同时可以改变激励模，可以看到模型在XZ平面上不同模的电场幅度分布图。如图所示：

模1的电场幅度分布

模2的电场辐射分布

模3的电场辐射分布

模4的电场辐射分布

模5的电场辐射分布

模6的电场辐射分布

2.设置场为磁场幅度，经过一系列设置后，同时可以改变激励模，可以看到模型在XZ平面上不同模的电场幅度分布图。

模1的磁场幅度分布

模2的磁场幅度分布

模3的磁场幅度分布

模4的磁场幅度分布

模5的磁场幅度分布

模6的磁场幅度分布

3.在自定义面上绘制电场辐射分布（仅表述出模1的电场辐射分布，其他五个不一一列出了）

（10）参数扫描

将谐振介质的高度设为变量，查看当介质谐振高度发生变化时，对谐振频率有什么影响，当变量为多少时，高度的增加对谐振频率没有影响。得到如图的图形。

通过图形可以看出，谐振高度的变化会使谐振器各模式的谐振频率将会反生变化。当高度增加到一定高度时，谐振频率将会趋于一稳定的值，如，对于模1而言，高度为6mm 为最优高度。

当然还可以对其他参数进行扫描优化，操作方法基本相同，不再一一列出。

3.2介质谐振器天线

介质谐振器天线通常是由功率源激励的。馈电的作用就是把激励源输入的电磁信号通过耦合作用传输到介质谐振器上。馈电结构的几何参数应能提高激励源和介质谐振器的耦合度，并且应符合阻抗匹配要求。目前主要的馈电形式有微带线直接馈电,微带线缝隙耦合馈电，共面波导馈电，同轴探针馈电。不同形式的馈电结构，可根据设计调节的参数数量的不同获得不同性能的天线。主要馈电形式有微带线馈电、同轴线馈电、电磁耦合馈电、共面波导馈电等。本文主要以同轴探针馈电为研究对象，以圆柱形介质谐振器天线为例，说明探针的高度和位置对谐振器天线的影响。如图所示：

探针馈电的圆柱形DRA

介质谐振器天线与介质谐振器建模的区别在于介质谐振天线必须设置边界和激励。所建模型如图所示：

创建端口命名为port，设置为波端口。端口是唯一的一种允许能量流入和流出的边界条件，所以将port端口设置为波端口。运用铜探针，将探针的位置和高度设置为变量。

（1）检查模型设置

仔细检查边界条件设置以及波端口设置。边界条件或设置端口设置不正确，仿真的结果就会不正确。如图：

（2）设置分析

建立好模型后，接下来就是使用HFSS软件的分析功能来分析所建模型的性能。并且添加分析功能，然后设置器件所要工作的工作频率，然后完成设置以后，开始分析。

（3）结算结果

仿真完成后，查看介质谐振器天线的S11参数和场覆盖图。

1.收敛性如图：

2.创建终端S参数磁场图，其效果如图：

可以看出，在5GHz—6.5GHz频带内，反射系数S11变化剧烈，表明探针天线是一个窄带器件。

3.创建二维远场极坐标图

打开创建报告，设置报告类型为远场，显示方式为辐射格式，设置Mag 卡：将种类设置为增益，其效果图如图所示：

图1 2.5GHz方向图

图2 5.02GHz方向图

图3 7GHz方向图

天线的辐射特性可以形象的用方向图来描述，有必要对此款天线的方向图特性进行分析。当阻抗带宽最优时，图1、图2和图3分别是介质谐振器天线E面和H面在2.5 GHz、5.02 GHz、7 GHz时的辐射方向图。由图可知发现天线在2.5 GHz的中频段，方向图基本稳定。然而在在5.02GHz和7 GHz 的高频段，方向图有所恶化，这直接导致天线工作于高频段时辐射效率下降。在要求不太高的情况下，这款圆柱形介质谐振器天线的辐射特性基本满足要求。

(4)参数求解及优化

1.参数求解：首先定义变量，将探针位置的X坐标设为变量a，将

探针的高度设为height.同时加入输出变量S11mag.分析得到求解结果为：

求解结果（图形解）

求解结果（图标解）

由图可以看出，当a=1,height=4时，S11mag最接近于1，也就是说这个封闭腔的谐振是驻波比越接近于无穷，在所扫描的参数中是最优解。

2.优化求解：首先定义变量a的优化范围为0.5-1.5，height的优化范围为

3.5-

4.

5.优化得到结果如图：

查看求解结果

3.3本章小结

通过对介质谐振器与介质谐振器天线建模，分别对其进行仿真得到幅度覆盖图和幅度方向图，并且获得介质谐振器天线的带宽和探针位置和高度的最优解。