用Sonnet & Agilent HFSS设计微带天线
摘要：以一同轴线底馈微带贴片为题材，分别用Sonnet 软件及Agilent Hfss 软件进行Simulate，分析其特性。
并根据结果对这两个软件作一比较。
天线模型：
天线为微带贴片天线，馈电方式为50Ω同轴线底馈，中心频率3GHz
ξ=，尺寸56mm*52mm*3.175mm
基片采用Duroid材料 2.33
r
Patch ：30mm*30mm
馈电点距Patch中心7mm处。
参见下图。
一.Sonnet
参数设置如下图：
介质层按照天线指标予以设置：
画出Antenna Layout.
Top view Bottom view
其中箭头所指处为via，并在GND层加上via port.
即实现了对Patch的底馈。
至此，Circuit Edit完成。
下一步对其进行模拟。
Array模拟结果：
S11，即反射系数图：
可见中心频率在3G附近，。
进一步分析电流分布：
在中心频率的附近，取3G，3.1G作表面电流分布图：
可见，在中心频率的电流分布较为对称。
符合设计的要求。
远区场方向图：
选取了若干个频率点绘制远区场增益图。
从中可以看到，中心频率的增益较边缘为大。
符合设计的要求。
二.Agilent Hfss
Agilent Hfss (high frequency structure simulator)是AGILENT公司的一个专门模拟高频无源器件的软件。
较现在广泛应用的ANSOFT HFSS功能类似，但操作简单明了。
能在平面结构上建模天线不同，Agilent Hfss可以精确地定义天线的立体结构。
并可将馈电部分考虑在模拟因素内，按要求设定辐射界面，等等。
可能在本文的例子中，由于结构比较简单，并不能充分体现这一点，但也应可见一斑。
本例与HFSS HELP中所附带的例子较为类似，因此我参照HELP文件，在HFSS5.6环境下较为顺利的完成了模拟。
用HFSS模拟天线，主要分Draw Model、Assign Material、Define Boundary、Solve、Post Process 五个步骤：
⒈Draw Model：
HFSS采用的是相当流行的AUTOCAD的ENGINE，因此绘制方法与AUTOCAD大同小异，这里不在赘述。
我先分Air Box、Substrate Box、Coax Line、Patch几个部分画好模型。
其中COAX LINE 包括内导体（圆柱）及外层介质及外导体（环柱）；PATCH为一平面矩形，AIR BOX、SUBSTRATE BOX 为长方体。
同时，由于基板，同轴线之间会有重叠，所以应用3D OBJECTS 菜单中的Subtract命令将
重叠部分减去。
画好的天线模型如下图所示：
⒉Assign Material
由于在Draw Model 时并没有指定各组成部分的材质，因在此予以统一说明。
详见下图。
⒊Define Boundary
HFSS中需要定义Port. Perfect E. Perfect H. Ground Plane 以及重要的RADIATION 边界（即电磁能量的辐射面）。
按照天线设计要求，定义各边界如下图：
其中AIRBOX的各个界面为RADIATION 边界；
基板底面为GROUND PLANE（接地面）
PORT位于同轴线下端
同时，由于HFSS要求接地面与OUTER SPACE完全接触，否则无法模拟，所以应将SUB 与COAX的相交面定义为DEFAULT界面，（相当与将这一块平面从接地面上挖去）。
图：
其中BRICK为RADIATION ，HONEY COMB为METEL，黑色为PERFECT E界面。
至此，天线建模部分已经全部完成，以下进入SOLVE阶段。
⒋SOLVE
HFSS中可以设置FAST FREQ SWEEP （速度较快）及DISCRETE FREQ SWEEP（精度较高）
这里选用DISCRETE SWEEP ，从0.1Ghz ------5Ghz ,以0.1G为步长进行扫描。
设定完成之后，运行即可。
运行时间较SONNET长得多。
⒋Post Process：
在Post Process中，可以对解出的结果进行绘图，以获得直观的可视效果。
HFSS有3D作图功能，可以直观的绘制出场分布，以及远区场的立体图。
以下择要选取指标作图：
1.S Mag：（S11）
⒈中心频率恰好在3.0GHZ处，与设计要求完全相符。
⒉频带较窄，这是普通微带天线的通病。
Far Field 3 D：
3Ghz
3Ghz表面电流分布：
分布比较对称.
中心频率点3GHz天线参数表：
可见在中心频率点，增益、方向性均在可以接受的范围内。
其他频率点的参数均以计算出，
限于篇幅，不在此列出。
三.总结及比较：
本文分别用sonnet ,AGILENT HFSS分别对一个简单的微带贴片天线的实例进行了模拟。
结果基本上与设计要求相近。
特别是HFSS，在按照实例尺寸设计的条件下，取得了与实际要求完全吻合的结果。
电流分布、增益、方向性等各项指标均符合要求。
但是，由于SONNET 与HFSS软件的差异，在分析的结果上还是存在着一些差别，SONNET 在分析该天线时，中心频率略微偏离3GHZ。
而反射系数的大小也略有差异。
总的来说：
两个软件各有其优缺点。
Sonnet软件使用简单，易于上手，运行速度快，结果也误差不大。
而其在具体的参数设置上精确度不高，组件尺寸的精确度受到CELL SIZE的制约。
如在本例中，CELL SIZE为1mm （已是相当小的值），PORT的尺寸受制于此，只能精确到mm数量级。
这应该就在是本例中为什么中心频率略有偏差的原因。
而HFSS作为模拟仿真高频无源器件的专门工具，精确度高是其一大优点。
首先，在模型的绘制上，HFSS采用AUTOCAD 引擎，可以精确的描述任意的立体结构。
其次，可以方便地指定介质材料的各项参数。
而且，通过对边界条件的定义，可以精确的指定端口、射定发射边界面，以及E、H对称面、PERFECT E、H面等复杂的边界条件，而这些在SONNET 中都是无法实现的。
越是复杂的拓扑结构，HFSS相对来说就越有优势。
同时，HFSS还具有3D绘图功能，可以直观地显示出立体结构，利于把握。
作出3-DIM的远区场图，一目了然。
电科2班
朱俊达
3001143074。