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T u t o r i a l HF S S 1 Antena Patch de Microfita HFSSv10 ( download do arquivo de simulação ) Uma antena de microfita é uma antena popular impressa, de banda estreita, para enlaces de microondas, e que requerem cobertura semi-hemisférica. Devido à sua configuração plana e facilidade de integração com a tecnologia de microfita, as antenas patch de microfita tem sido muito estudadas e utilizadas como elementos de arranjos. Neste tutorial, uma antena patch de microfita de 2.4 GHz alimentada por uma linha de microfita sobre um substrato de permissividade de 2.2 é estudada. Os seguintes tópicos são abordados: • • • • • •
Instalação do Modelo Alimentação por Waveport Caixa de Ar e Condições de Contorno Meshing Análise / Configuração de Varredura Plotagem de Resultados
* Os resultados experimentais e fotos da antena fabricada estão aqui.
Instalação do Modelo Primeiro, o modelo da antena de microfita tem que ser desenhado no HFSS. É constituído de um substrato retangular e uma camada de metal traçada, como mostrado na FIG. 1. Nota-se que um transformador de ¼ de comprimento de onda foi usado para combinar o patch com uma linha de alimentação de 50 Ohm. As dimensões da antena, podem ser encontradas no arquivo de simulação HFSS.
Figura 1. Layout da antena mostrando o substrato e o traçado do patch metálico.
Configurando a Waveport
A fim de excitar a estrutura uma fonte de excitação tem que ser escolhida. Para esta simulação uma waveport será usada. A waveport vai excitar o primeiro modo da linha microstrip (quasi-TEM) e, em seguida, o HFSS vai usar esse campo para excitar toda a estrutura. A fim de obter um resultado preciso, a waveport tem de ser definida adequadamente, se ela for muito pequena o campo será truncado (a impedância característica será incorretamente calculada) e, se ela for muito grande um modo de guia de ondas pode aparecer. Por favor, consulte o tutorial sobre como definir uma waveport para mais informações. Uma vez que a altura do substrato é 1.57 mm e a largura da linha de alimentação é 4,84 mm, o tamanho da waveport escolhida é de 5 mm de altura por 50 mm de largura. Após o retângulo da waveport ser desenhado, a excitação é atribuída a ele. Na seção de análise deste tutorial, será mostrado que esse tamanho da waveport modela com precisão o modo da microfita desejada.
Caixa de Ar (AIRBOX) e condições de contorno (Boundary Conditions) Uma caixa de ar tem de ser definida no modelo de espaço aberto de modo que a radiação a partir da estrutura é absorvida e não refletida de volta. A caixa de ar deve ser de um quarto de comprimento de onda da frequência de interesse na direção do campo radiado. Nas direções, onde a radiação é mínima, esta condição de ¼ de comprimento de onda não tem que ser cumprida e um "espaço" de ar não precisa mesmo ter de ser definido. Uma vez que a radiação da antena está concentrada no lado largo, a caixa retangular encerra a estrutura; é apenas necessário que a altura da caixa de ar seja de 31,25 milímetros (um quarto de onda de 2,4 GHz). A antena com a caixa de ar e a waveport configurada é mostrada na FIG. 2.
Figura 2. Layout de antena mostrando a caixa de ar e a waveport.
Meshing Uma articulação manual deve ser realizada na caixa de ar para obter resultados precisos para as propriedades da antena, tais como a eficiência, diretividade e padrão de radiação. Deve propagar na caixa de ar de lambda/10. Para esta estrutura o comprimento da malha inicial para a caixa de ar criada foi de 12,5 mm (lambda/10 em 2,4 GHz). FIG. 3 mostra a janela de propriedades da malha.
Figura 3. Malha janela de configuração.
Análise / Configuração da varredura Frequência da solução: 2.4 GHz Máximo # de passos: 15 Máximo Delta S: 0.02 Além disso, na guia Options do Setup Solution, o Minimun Convergentes Passes foi alterada para 3. Um Fast Sweep (varredura rápida) a partir de 1 GHz a 5 GHz (401 pontos) será escolhido, a frequência da solução deve alinhar dentro da faixa de varredura de frequência e em torno da banda passante (ou seja, cerca de 2,4 GHz). Além disso, o campo de dados é salvo para cada ponto da frequência de varredura, dados de campo precisam ser salvos, a fim de fazer qualquer pósprocessamento de campo. Antes de executar a simulação, uma configuração em Solution Setup adicional foi acrescentada marcando Solve Ports Only para verificar a configuração da waveport. Este Port Only Setup foi executado e o resultado do modo da porta é mostrado na Fig. 4; uma impedância característica de 50,7 Ohm foi obtida.
Figura 4. Mostrando o campo elétrico do modo da porta.
Plotagem dos Resultados A perda de retorno resultante da estrutura é mostrada na FIG. 5.
Figura 5. Perda de retorno da antena de 1 GHz a 5 GHz.
A partir da fig. 5 vemos que, a ressonância fundamental da antena ocorre a 2,36 GHz, com uma perda de retorno -29,43 dB. Em seguida, a face de topo do substrato foi selecionada e o Electric Field Vector foi plotado para 2,36 GHz. A plotagem do campo é mostrada na FIG. 6 que também mostra a distribuição do campo esperada de meio comprimento de onda.
Figura 6. Distribuição do campo E na antena para 2,36 GHz.
Para plotar os padrões de campo distante da antena, uma configuração de campo distante tem que ser criada. Dois serão criados, um para o plano-E e plano-H do padrão bidimensional e outro para o padrão tridimensional. Para criar cada configuração de campo distante siga HFSS>Radiation>Insert Far-Field Setup>Infinite Sphere. Para o padrão bidimensional, os valores padrão tem que ser mudados; Phi deve começar a 0 ° e parar a 90 graus com um tamanho de passo de 90 graus. Para o padrão tridimensional, os valores padrão podem ser usados. A FIG. 7 mostra o padrão bidimensional e a FIG. 8 mostra o padrão tridimensional. Para obter a eficiência de radiação, ganho de pico, etc., siga HFSS>Radiation>Compute Antenna/Max Param e escolha 2,36 GHz como frequência de interesse.
Figura 7. Plano-E (azul) e plane-H (vermelho); padrões de campo distante.
Figura 8. Padrão de campo distante tridimensional.
Texto original com todos os direitos reservados: http://www.emtalk.com/tut_1.htm Traduzido, de forma singela, por Betoven Oliveira de Andrade -Traduza textos úteis à área de Telecom e ajude a comunidade de língua portuguesa19/10/2013
