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Patch Antenna【 HFSS教程】:
  • Create and Set Up the Design
  • Create the Model
  • Set Up and Generate Solutions
    3.1 Set Variables
    3.2 Set Material
    3.3 Assign Boundary and Radiation
    3.4 Add Solution Setup
    3.5 Validation Check and Analyze
  • Compare and Optimize the Design
    4.1 Check S11 Plot (Return Loss)   看共振頻率, 常用的觀察指標
    4.2 Far-Field Radiation Pattern   平面方向圖, 看增益與輻射場型, 常用的觀察指標
    4.3 3D Far-Field Plot   立體方向圖, 看看增益與輻射場型, 常用的觀察指標
    4.4 Far-Field Overlays
    4.5 Smith Chart (史密斯圖)
    4.6 Parametric Analyze
    4.7 Optimize Solution   求軸比(前後比,F/B)=1的最佳化參數
  • 分析與討論
    5.1 改變饋線位置
    5.2 改變介質基板厚度與介電係數
    5.3 同時考慮Patch Size、Substrate Thickness、Feed Location,對頻帶與S11做最佳化
    5.4 把feed移到patch中心
    5.5 為什麼教科書的公式與HFSS模擬的結果不同?

本範例最早源自大陸西安電子大學"謝擁軍"、"李磊",站長增加內容、重新編排、以HFSS v10跑過,並附註使用心得而成本文。本文對HFSS建立patch antenna模型與做天線的"最佳化設計",有詳細的說明。

  • Create and Set Up the Design

1.1 Open HFSS:雙擊桌面上的HFSS 10 icon打開程式後,各顯示區域如下圖所示
Project Manager:此project默認已經開啟了一個名為"HFSSDesign1"的設計,可以按滑鼠右鍵選擇"Rename"進行更名。我們把project name命名為Antenna Design,design name命名為Patch Antenna。
開啟一個新的HFSS design從Project  Insert HFSS Design加入。(一個project內可以有多個HFSS design,而增加新的HFSS design除了用"Insert HFSS Design",也可以按右鍵copy/paste)。
Property Window:對所選定的component設定property
3D Modeler Window:建立3D模型的繪制區域
History Tree:紀錄在3D Modeler Window建立模型的過程中,所有執行過的動作,便於修改、恢復、component選定...等操作
如果看不到以上幾個視窗畫面,可以從View  Project Manager設定顯示。
Tools  Options  General Options  選擇"Project Options"頁,可以設定"Extend Project Tree on Insert"來默認展開project tree與否若要HFSS默認 自動開啟一個新的HFSS design,可以從"Insert a design type"內設定
1.2 Select a Solution TypeHFSS  Solution Type  Driven Modal
稍後的分析,所需要做的設定內容會依這裡的"Solution Type"而決定。
這些solution type差異在哪裡? HFSS提供一種on-line help方法,先按"Shift+F1"讓滑鼠游標出現問號,然後指向HFSS  Solution Type 點一下,就會看到說明。一般Wave port使用[Driven Modal],Lump port使用[Driven Terminal]
1.3 Set the Drawing Units3D Modeler  Unites
                                               
1.4 Save the New ProjectFile  Save As
  • Create the Model

此例總共要畫兩個長方體(Box),兩個長方形(Rectangle),一個圓柱體(Cylinder),一個圓形(Circle),兩個多邊形(三角形)
2.1 Draw BoxDraw  Box
按下Box icon後,按Tab鍵移到畫面下方的座標區(或用游標移),先輸入基準中心座標,再輸入相對座標,然後會自動跳出properties設定窗。
(軟體會於第二次輸入座標時,模式將自動由"Absolute"改成"Relative")
如果按下Box icon後,並沒看到座標輸入區,請從View  Status Bar打開顯示設定。
2.2 Set Properties of Box
"Command"標籤頁裡有我們剛剛設定的座標值(幾何位置與尺寸),可以確認與修改。
"Attribute"標籤頁裡,可以設定名稱、材料、顏色、透明度...等參數。在此,我們把此長方體命名為"dielectric",透明度定為0.8。材料採用默認值:"vacuum"=空心體。
3D Modeler默認的材質,可由工具列內,選"Select"更改設定
圖形如下所示,此時在"History Tree"內看到新建的"dielectric" object,歸類在"vacuum"材質底下。
"History Tree"內,是以材質來分類的。(ref to step 3.2)
Ctrl+D或是可以fit all view。
      Alt+按滑鼠左鍵拖移,可以3D立體旋轉檢視
      Shift+按滑鼠左鍵拖移,可以平移(move)
2.3 Draw RectangleDraw  Rectangle
2.4 Set Properties of Rectangle
在此,我們把此長方體命名為"gnd_plane",透明度定為0.8
請注意:"Attribute"內的"name"欄位,命名不可有空格(space)。
2.5 重複step2.3~2.4,另外畫一個名為"patch"的長方形
整個完成的圖形如下所示
正規設計patch antenna的步驟,patch size與ground plane size並非任意畫,再靠模擬軟體最佳化,事實上是有式子可以計算的。首先,利用下面公式,由介電係數與天線操作頻寬(諧振頻點),先算出patch寬
再用以下的式子,定義出適合的ground plane size;(ground plane的長與寬,要大於patch size六倍板厚)
以上式子的推導的結果,與用HFSS做出來的結果相同嗎?? 詳見sec. 5.5討論
2.6 Draw CylinderDraw  Cylinder
按下Cylinder icon後,按Tab鍵移到畫面下方的座標區(或用游標移),先輸入圓心座標,再輸入相對座標(高與半徑),然後會自動跳出properties設定窗。
2.7 Set Properties of Cylinder
"Command"標籤頁裡有我們剛剛設定的座標值(幾何位置與尺寸),可以確認與修改。"Attribute"標籤頁裡,把此圓柱體命名為"feed",透明度定為0.8,材料選"copper"。
察看"copper"材質的特性為:介電係數relative permittivity=1、導磁率relative permeability=0.99、loss tangent=0, 非常近似於理想導體"pec"。(另外,"lead"特性與"copper"也是很相似的)
"feed"(饋線)是用來輸入天線訊號(能量)的路徑,這是一個專用說法。
2.8 重複step2.1~2.2,另外畫一個名為"air"的長方體,作為背景空間
在HFSS v11以後的版本,有一個Draw  Region 功能可以用來自動畫air box
2.9 Draw CircleDraw  Circle   
"Attribute"標籤頁裡,把此圓形命名為"port",透明度定為0.8
2.10 在ground plane割一個洞出來(port),好通過feed connector
在"History Tree",先按住"Ctrl"複選"gnd_plane"與"port",然後從主選單3D Modeler  Boolean  Subtract,或是按滑鼠右鍵快捷鍵選擇"Subtract"
"Subtract"對話框左邊是減法操作後還續存的物體,右邊是要減去的部份,此次"Clone tool objects ..."必須勾選,因為此處我們只是要在gnd_plane上裁出和port一樣大小的洞,但保留port這個component本身。
可以利用選擇 顯示/隱藏 特定的component,便於檢視。我們先隱藏"air"與"dielectric"看看
因為在做"Subtract"有勾選"Clone tool objects...",所以執行減法後,在project manager內的SheetsUnassigned路徑下,仍然可以看到"port"此項。
2.11 Draw Spline:Draw  Spline
按下Spline icon後,先在3D Modeler視窗內,按滑鼠右鍵選擇Set Edge Type  Straight,再按Tab鍵移到畫面下方的座標區(或用游標移),輸入如下四個座標(0,0,0)(6,0,0)(0,6,0)(0,0,0),待曲線閉合後,再到繪圖區按滑鼠右鍵選擇"Done"結束曲線繪圖,然後會自動跳出properties設定窗。
"Attribute"標籤頁裡,把此三角形命名為"chamcut1",透明度定為0.8
2.12 把這個三角形移到patch的邊角:Edit  Arrange  Move
move from (0,0,0) to (-16,-16,5)
複製這個三角形到patch的另一邊角:Edit  Duplicate  Around Axis
以Z軸旋轉180度複製一份,連同原來的,共兩份。
複製的物體會自動命名為chamcut1_1,我們可以從"History Tree"中選定,然後在"Property Window"內把名稱改成"chamcut2"
2.13 仿2.10步驟,把chamcut1、chamcut2從patch中割去,但這一次"Clone tool objects ..."不必須勾選
至此,整個patch antenna幾何圖形完成
chamcut在切割後,藏到patch的subtract操作下了
從後面陸續的模擬實驗中會發現,patch切邊角是有特定作用的,可以讓microstrip patch antenna原本很窄的頻帶略為放寬,但這三角切邊也不能太大,如果ChamSize > DielectHight,會造成S11 plot上看到兩個諧振頻點(see step 4.6.5)
  • Set Up and Generate Solutions  

3.1 Set Variables  
1. 設定gnd_plane:
從"History Tree"中,展開gnd_plane前的"+",直到看見"CreateRectangle",點滑鼠右鍵選"Properties" (或是直接在"Command窗口"修改),把Position的(-45mm,-45mm,0mm)改成(PlaneStart,PlaneStart,0)。
因為PlaneStart第一次出現,HFSS會自動跳出變數定義框,我們將PlaneStart定義為 -45mm。
再修改XSize、YSize,把原來的90mm、90mm改成PlaneSize、PlaneSize,且定義變數PlaneSize=90mm
"Add Variable"定義的value,記得要寫單位(mm)
2. 設定dielectric:
從"History Tree"中,展開vacuum  dielectric前的"+",直到看見"CreateBox",點滑鼠右鍵選"Properties",把Position的(-22.5mm,-22.5mm,0)改成(DielectStart,DielectStart,0)。
XSize、YSize定義成DielectSize=45mm,ZSize定義成DielectHight=5mm。
3. 設定patch:PatchStart=-16mm,PatchSize=32mm,DielectHight=5mm
4. 設定feed:FeedLocation=8mm,DielectHight=5mm
5. 設定port:FeedLocation=8mm
6. 設定chamcut1大小變量:多邊形的變數修改比較麻煩,需要針對每一邊的(Point1, Point2)個別設定,定義ChamSize=6mm
7. 設定chamcut1位移變量:
從"History Tree"中,展開patch  subtract  chamcut1前的"+",直到看見"Move",點滑鼠右鍵選"Properties",把Move Vector的(-16mm,-16mm,5mm)改成(PatchStart,PatchStart,DielectHight)。
目前為止的所有變數設定,可以從"Project Window"選定patch antenna design,按滑鼠右鍵選"Design Properties"就可以看到:
8. 建立變量之間的相對關係:直接在"Properties"對話框內修改
    將PlaneStart設為-PlaneSize/2
     將DielectStart設為-DielectSize/2
    將PatchStart設為-PatchSize/2
3.2 Set Material  
剛剛我們已經在step 2.7把"feed"設定為"copper"。
air的材質則維持默認"vacuum"。
另外還有一個需要設定材料的是"dielectric",可以從"History Tree"選定"dielectric",按滑鼠右鍵選擇"Assign Material",會出現材料選擇對話框。
介電係數是一個會隨頻率變化的參數,但在SIwave與HFSS內都把它視為constant。如果想要設定一個可以隨頻率變化介電係數的材質,在上圖的[Select Definition]按[ViewEdit Materials],再按[Set Frequency Dependency...],選擇[Djordjevic-Sarkar Model Input]。新建的材質還可以[Export to Library
當"dielectric"設定完材質為"Rogers 4003"後,我們在"History Tree"內可以看到,產生了一個"Roger 4003"的材質分支,"dielectric" component被歸類在底下
3.3 Assign Boundary and Radiation  
  • 背景空間邊界條件

在"History Tree"內選定"air",按滑鼠右鍵選擇Assign Boundary  Radiation
此時HFSS系統會提示為此邊界命名,我們把此邊界命名為"air"。
背景材料設定成"輻射邊界條件",以模擬一個允許波進入空間輻射無限遠的表面。
  • 導體平面邊界條件

在"History Tree"內複選"gnd_plane"與"patch",按滑鼠右鍵選擇Assign Boundary  Finite Conductivity。此時HFSS系統會跳出一個設定視窗並為此邊界命名,使用默認設定值即可。
"Finite Conductivity"(有限電導邊界),以是一種導電率和導磁率均為頻率函數的有耗材料;若是選擇"Perfect E"(理想電邊界),則是指理想的電導体邊界。後者模擬結果的S11會較低
  • 為"port"設置激發源

在"History Tree"內選定要當port的sheet,按滑鼠右鍵選擇Assign Excitation  Lumped port。此時HFSS系統會跳出一個設定對話框並為此port命名,我們將名稱設為"port",其他使用默認設定值即可,按"下一步"。
"Wave port"與"Lumped port"都是常用的激發源,前者用於整個平面的激發(如wave guide的輸入面),後者用於某個點的激發(如feed)
Wave port相當於用波導做輸入,它的截面就是波導的截面,波的截面的長寬決定它的cut-off frequency,所以wave port不能設置太小,不然就會有cut off影響
在"Integration Line"中選擇"New Line",按"下一步"
因為在step 1.2的solution type選擇[Driven Modal],所以這裡會出現一個要求指定"積分線"(create line)的設定步驟。
出現一個"Create Line"的訊息框,按下Tab鍵切換到座標參數設置區,輸入起始座標(0mm, 9.5mm,0mm),激發源向量(0mm, -1mm, 0mm),表示一個從gnd_plane往feed的激發源向量。
再按一次"下一步",再按一次"完成"。至此,整個邊界條件與激發源已經設定完成,可以在project manager看到剛剛設定的東西。
3.4 Add Solution Setup
  • 從Project Manager,以滑鼠右鍵按[Analysis],選Analysis  Add Solution Setup,在"Solution Setup"對話框中,選"General"頁,"Solution Frequency"設定頻率2.45GHz (在此頻點基礎上進行計算),最大疊代次數10,最大誤差0.001

-- 只有"Solution Type"為Driven Solution Type,在step 3.4.1中才會出現"Solution Frequency"設定。如果只要看一個固定頻率的特性,step 3.4.1設定即可;如果需要看一個頻率範圍的特性,則需要繼續在step 3.4.2中"Edit Sweep"設定頻率範圍。
-- "Maximum Number of Passes" 表示mesh refinement cycles的最大次數;值設越大模擬越精準,但計算時間與耗用的記憶體也越多,建議取10以下即可。而Maximum Delta S取0.01
  "Solution Frequency"只影響Initial Mesh的切法,通常只會影響mesh收斂的時間,也就是要mesh re-cycles幾次才能讓Delta S小於[Maximum Delta S];一般取"Solution Frequency"約為0.5/tr
[Solve Ports Only]是用來做design pre-check,可以看port field,通常不勾選
  • 上一步驟設定完成後,在Analysis下會出現剛剛設定的"Setup1"頻點設定項目,選定後按滑鼠右鍵選擇"Add Sweep",進入"Edit Sweep"設定框,選定掃頻方式"Fast",掃頻範圍2G~3GHz,"Linear Count" Type

我們目標在設計一個2.45GHz的天線,一般掃描頻寬會設的寬一點(比方1G~4GHz、Count=100~200),上圖只設2G~3GHz、Count=20是因為後面step 4.6~4.7會做參數最佳化計算,掃頻範圍設定小一點可以節省分析時間。
[Sweep Type] 選[Discrete]會掃的比較準確,但花費較久時間,所以5GHz內的頻寬適用;[Fast]適用於特性振盪的頻段;[Interpolating]適用於寬頻帶掃頻(10GHz~),但對於特性振盪的頻段,模擬結果會有失真。有經驗的工程師,可能會分頻段採用不同的[Sweep Type] 。
3.5 Validation Check and Analyze  
  • HFSS  Validation Check

  • HFSS  Analyze All ,即可開始求解

計算進行中,Process Window會有進度條,當計算完成時,Message Manager會出現如下訊息,可以按滑鼠右鍵清除message。
目前為止,還沒設定"參數變化求解"(見下一節說明),也就是沒有執行"Optimetrics Analysis",所以執行Analyze速度很快,一下就跑完了。
  • Compare and Optimize the Design  

4.1 Check S11 Plot (Return Loss)  
  • 從Project Manager中的"Results",按右鍵選擇"Create Report",跳出"Create Report"對話框如下,按OK

  • 接著出現"Traces"對話框,先選"Y"頁,設定步驟如下順序,最後按"Done"

  • 從"XY Plot"觀察此patch antenna的S11 (Return Loss)在2.58G~2.6GHz最小,表示這個天線適合使用於2.5G~2.6GHz,比我們所希望的2.45GHz大了一些,step 5.1將會討論如何修正。這圖是在天線設計上很常見的評量方式。

當"XY Plot"彈出來後,從主選單下拉Report2D  Mark All Traces,可以標出最大與最小值所在的頻點。
4.2 Far-Field Radiation Pattern  
  • 遠輻射場設定:後面步驟會以這裡的設定,畫出2D與3D的Far-Field

選"Infinite Sphere"頁,設定球面極座標角度範圍
  • 類似step 4.1.1,但Create Report對話框設定略有不同,請選擇"Far Fields"與"Radiation Pattern"

  • 接著出現"Trace"對話框,Solution選"Setup1Sweep1",先選"Sweeps"頁,把Theta設"Primary Sweep" type,Freq的頻點選2.58G~2.6GHz

再選"Mag"頁,設定如下後,再按"Add Trace",再按"Done"結束
產生的2D Radiation Pattern如下
初次看這個圖的人,可能搞不懂這是什麼東西? 筆者建議先做完下面step 4.3,再回頭來看這個圖就會懂了。這個圖說穿了,就是從"Theta軸"對step 4.3.3的立體方向圖(蘋果圖, 表示天線遠場輻射效果的3D圖)的Theta-Y橫切面。(不同顏色的線,表示從不同的"Phi"角度,對"Theta軸"切出來的橫切面)
至此,應該不難理解為何在"Infinite Sphere"設定,設Theta=0~360 deg,但Phi=0~180 deg就可以畫出一個完整的3D Plot (see step4.3.3)。因為Phi只要從0~180 deg變化,配合Theta=0~360 deg就可以掃出整個3D空間。
patch antenna的主瓣方向,是與patch surface垂直的,所以可以把step 4.2.1步驟中,設定"Phi"的"Step Size"改成90 deg,也就是只要看Phi=0 deg、90 deg就可掌握此天線的radiation pattern特性。
4.3 3D Far-Field Plot  
  • 類似4.1.1,但Create Report對話框設定略有不同,請選擇"Far Fields"與"3D Polar Plot"

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  • 接著出現"Trace"對話框,選"Mag"頁,設定如下後,按"Add Trace",再按"Done"

Solution選"Setip1:LastAdaptive"或"Sweep"都可以;前者會以step 3.4.1的Solution Frequency設定為準,後者則可以選擇step 3.4.2的頻率範圍中的任一頻點設定
  • "3D Polar Plot"視窗會跳出來,即可看到天線輻射的3D效果,一個很可愛的蘋果圖。

不管是2D的Radiation Pattern或3D輻射場型,都可以看出microstrip patch antenna的後瓣(backlobe)比前瓣小,所以這類的天線是很適合作手機天線的,可以讓對外輻射場較強,對人腦方向輻射的成份較少。

4.4 Far-Field Overlays  
  • 在"History Tree"選定patch,按右鍵選"Mag_E"

  • "Create Field Plot"對話框都採用默認值,按"Done"返回

  • 此時在project manager內可以看到"E Field",想看電場在patch平面上的動態效果,按右鍵選"Animate"

Swept variable選擇"Phase",如下設定後按OK
4.5 Smith Chart
  • 史密斯圖是複數阻抗計算工具,用來設計阻抗匹配。

把"反射係數"在複數平面的正交座標表示(X、Y軸分別表示反射係數實部與虛部),透過對阻抗正規化轉換(normalize),把"正規化阻抗"座標合進原"反射係數"複數平面單位圓範圍裡,即形成史密斯圖。
天線設計一樣要注意阻抗匹配設計,因為接到發射機或接收機的天線,其輸入阻抗即等效為發射機或接收機的負載,故天線特性阻抗與發射機或接收機端阻抗是否匹配,決定了導行波與輻射波之間能量轉換的好壞,與發射機阻抗匹配的天線,才能將發射訊號的能量大部分轉換成輻射波發送出去。
天線輸入端電壓與電流的比值,定義為"天線輸入阻抗"。若此電壓與電流同相位,則阻抗為純量(電阻),而一般的電壓與電流常存在相位差,所以阻抗為複數(電阻+電抗)。
  • 類似4.1.1,但Create Report對話框設定略有不同,請選擇"Modal Solution Data"與"Smith Chart"

  • 在"Polar"頁內,"Category"選"S Parameter",按"Add Trace",然後按"Done"

  • 就可以看到Smith Chart如下(2GHz ~ 3GHz)

4.6 Parametric Analyze:隨著patch pattern大小參數變化,觀察天線的特性會如何變化??  
  • 最佳化求解時的變動參數設定:HFSS  Optimetrics Analysis  Add Parametric  

    或從Projector Manager內,滑鼠右鍵點"Optimetrics",選擇Add  Parametric
點擊"Add"按鈕,依下圖步驟1~5,從"Add/Edit Sweep"對話窗內新增"ChamSize"與"PatchSize"參數的設定;求解最佳化即以調整這兩個參數的組合去滿足目標函數達到期望值
按OK回到"Setup Sweep Analysis"視窗,點"Tab"頁可以看到我們剛剛設定的3x3=9種參數組合
  • 新增輸出變數(可當求解最佳化的目標函數):延續上一步驟,點"Calculations"頁

按"Edit Calculation",出現如下的"Output Variables"對話框。依數字次序設定操作,最後按"Add"就可以添加一組S11輸出變數設定。(S11 is the input reflection coefficient of "port")
同樣操作次序的設定,再添加兩組AxiaRatio、cost輸出變數設定。
軸比(Axial Ratio),代表天線的極化程度。圓極化天線一般要求F/B<3dB,線極化天線F/B=10*log{前向功率密度/後向功率密度},要求的典型值為18~30dB
定義:電場的方向就是天線的極化方向。當來波的極化方向與接收天線極化方向不一致時,接收到的訊號會較小,也就是發生"極化損失"。用圓極化天線接受線極化波或用線極化天線接收圓極化波,也存在極化損失。最極端的情況是,發射天線與接收天線的極化方向完全正交,此時天線將完全接收不到訊號,稱為"極化完全隔離"
按"Add"把最後一項"cost"也鍵入後,按"Done"回到"Setup Sweep Analysis"視窗
在Calculation選項內選擇"S11_mag",然後按"確定"返回
  • 掃描參數求解:這次Analyze會跑比較久一些

執行中Process Window會出現兩個進度條,一是總進度,一是掃某一組(ChamSize、PatchSize)參數的進度
如果PC的資源不夠,執行此步驟過程中可能會出現莫名的Error Message,請加大記憶體、關掉其他的應用程式或是縮減分析頻寬與掃描count數目。
  • 查看求解結果:

下圖所示的"圖形解"結果,是在X軸座標為"ChamSize","PatchSize"=31mm的條件下,如果按"Set Other Sweep Variable Value"更改PatchSize成其他值,會發現整個S11曲線變化很大喔。
從下圖的"表格解"結果所示,在"ChamSize"=7mm,"PatchSize"=33mm的條件下,在2.45GHz的S11最小,這是因為越大的patch size,所形成的駐波的頻點越低。
行文至此,請先複製此HFSS design,我們下面要更改不同的設定,做一些實驗
  • 分析與討論

若想得到在2.45GHz最小S11的天線設計參數,選擇上圖的第9列參數組合,然後按右邊的"Apply"按鍵,這樣"ChamSize"=7mm,"PatchSize"=33mm的參數即會被套用於此HFSS design,再重新跑一次"Analyze",看看S11圖會變成什麼樣子??
S11最小的頻率從2.58GHz移到2.44GHz,符合設計期望,但為何出現雙諧振頻點(S11圖雙波谷)?
這是因為此時的ChamSize大於介質基板厚度DielectHight太多了,所以對patch切邊角的效果太過,導致不止天線工作頻帶被放寬(拉開),還拉開太過產生了兩個諧振頻點。
S11圖有兩個波谷,表示patch的幾何形狀形成兩個駐波點。試著把patch兩個斜切的邊角補上,並設PatchSize=31mm(縮小一點),可得到下圖結果:S11最低點在頻率在2.44GHz。
各位是否注意到:我們為了維持單諧振頻點,把patch兩個斜切的邊角補上,結果導致諧振頻點些微左移,所以我們又略縮小PatchSize,以維持天線諧振頻率在4.5GHz附近,但發現S11卻增加了,真是順了姑意,逆了嫂意,該怎麼辦呢? (ref. sec. 5.3)
4.7 Optimize Solution:
1. 定義求最佳化的變數範圍
仿3.1步驟8,打開此Project的Properties對話框,但這一次勾選"Optimization",並且在"PatchSize"、"ChamSize"的"Include"欄打勾;且設定"PatchSize"的Min=30mm,Max=30.5mm,"ChamSize"的Min=5mm,Max=5.5mm。
2. 遠輻射場設定:我們會以這遠輻射場的特性,作為最佳化的評估標準(目標函數),而且主要關心在Phi=0 deg,Theta=0 deg的特性
3. 設定最佳化的目標函數期望值與變數的初始值
設定目標函數為"cost",最佳化的期望值為[0,0](實部與虛部),即表示軸比值=1是我們期望的,可接受誤差0.01
  "Max. No. of"是什麼? 與步驟3.4 "Maximum Number of Passes"有什麼關係? 值設大一點好嗎?
  這裡的"Calc. Context"是什麼意思? 為何會自動帶入遠輻射場的設定"Infinite Sphere 1",這是因為"cost"的Category是設定"Axial Ratio"嗎??
再點選"Variables"頁,勾選變數的"Override"欄位,並設定ChamSize、PatchSize的初始值為5.1mm、30.1mm,在按一下右下方的"Advanced",按"確定"返回。
此時在project manager內的"Optimetrics"下,可以看到兩個設定了,分別是"OptimizationSetup1"、 "ParametricSetup1"。
4. 最佳化求解
5. 查看求解結果
以此次執行來說,最接近cost=(0,0)的是第六次(ChamSize=51.048mm、PatchSize=30.1075mm)的執行結果,但仍然距離期望值差0.24,故並不滿足要求。
執行結果會每次不同,若結果不能滿足要求,message manager還會告訴你"這次結果不能滿足目標要求,再執行一次可能會更好"。
 
  • 分析與討論  

從前面step 4.7.5的例子,可以了解微帶貼片天線的Patch Size,影響了天線的操作頻帶,這是因為patch的幾何長度=波長/2,所以Patch Size越小,天線的頻帶越高(駐波頻點越高),除此之外,其他參數的改變會對天線性能產生什麼影響呢? 我們繼續從step 4.6.1,進行一些不同的設定,看看其它參數對天線性能的影響
5.1 改變饋線位置  
  • 設定FeedLocation=6mm~10mm,PatchSize=32mm,ChamSize=6mm,DielectHight=5mm

  • 查看結果:FeedLocation=7mm時,S11最小。

饋線所擺放的位置,會影響S11反射損失,也許我們可以靠調整饋線最佳位置,來改善因縮小patch size所造成的S11反射損失增大的問題
另外,假如我們把板厚(substrate thickness)的變化一起列入考慮,FeedLocation還是7mm最好嗎?
5.2 改變介質基板厚度與介電係數  
  • 設定FeedLocation=6~8mm,PatchSize=32mm,ChamSize=6mm,DielectHight=1~2mm,材質選選"FR4_epoxy"
  • 當FeedLocation=8mm,PatchSize=32mm,DielectHight=2mm,得到S11=0.85最小,選第9列按"Apply"

再跑一次分析結果如下
上圖的雙諧振頻點是因為patch被切角的關係,雖然補上切角就可以得到單一頻帶的patch antenna,但這不是最好的解法,因為對patch切角的目的是為了增加天線帶寬,所以我們保留對patch的切角,但把ChamSize改小成2mm就好。
5.3 同時考慮Patch Size、Substrate Thickness、Feed Location,對頻帶與S11做最佳化  
先從期望的操作頻帶(2.45GHz)把patch size定下(29.5mm)、ChamSize=2mm,然後同時考慮板厚、feed位置的參數組合,做天線的最佳化。
  • Set parameter range:DielectHight=1~2mm,FeedLocation=7~9mm

  • Check analyze result, and apply the optimum parameter, DielectHight=1mm、FeedLocation=9mm to the design

  • The final result of S11:諧振頻率在2.4GHz,S11最小-13.2dB

結果確實比step4.6.5更好,S11從-9.5dB變-13.2dB。
   
5.4 把feed移到patch中心  
  • PatchSize=29.5mm, ChamSize=2mm, DielectHight=1mm、FeedLocation=0mm

試試把feed放到patch中心,看看S11與輻射場型圖會有什麼變化
  • 諧振頻點(頻帶)升到4.76GHz,幾乎增加一倍,但S11 return loss也變大。

這是因為feed point往patch中心放,激勵訊號往patch板邊走看到的幾何長度距離幾乎減半,所以諧振頻點(頻帶)就往右移動了。
考慮patch antenna的操作頻帶,不只看patch size大小,而是從feed point到edge of patch的有效距離
  • 輻射場型變的不規則,而較明顯的差異在
    -- 從原本圓球體的場型,變成類似方體,但這不太規則的原因多少與方型patch邊腳背切掉有關
    -- 準Z軸方向的輻射場原本是最強,現在反而下凹變弱,這點讀者可以想想為什麼??

5.5 為什麼教科書的公式與HFSS模擬的結果不同?  
  • Refer to Constantine A. Balanis, "Antenna Theory - Analysis and Design, Third Edition", p.819~820, 2005

  • 如果我們希望設計一個工作頻率是2.4GHz的天線,依HFSS模擬的結果,如下所示:定義一個29mm*29mm的正方形patch antenna,板厚1.6mm的堆疊高度,FR4介電係數4.25,天線諧振頻率正好在2.4GHz。

但如果照公式算,想得到f=2.4GHz,應該設計W=38mm才對,怎麼會是29mm??? 哪一個值才是對的??
  • 問題出在該公式,只是算Rectangular patch antenna的W,但另外還有L參數需要計算,前提是W不等於L,有些書是建議W/L=1.5(這比值與PCB基板的介電係數有關)。

假設我們把patch改成下圖所示:W=38mm,L=29mm
  
再模擬一次的結果如下所示,同樣可以得到諧振頻率在2.4GHz的天線,但操作頻帶稍微寬一些,且S11值高(差)一些
參考資料:Optimization of Patch Antenna

这个真需要。
很好,希望能做成PDF文档。
这个真需要。
patch%2064.jpg
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