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利用HFSS-API设计指数渐变传输线

API 利用 设计 指数 渐变
2023-09-11 14:15:47 时间

学个Antenna是以天线仿真和调试为主，理论原理为辅的干货天线技术专栏，包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。

​摘要：

上节学个Antenna：HFSS脚本建模入门一文中，对HFSS的脚本录制和利用matlab-hfssapi建模进行了入门介绍，今天我们就利用HFSS-API来设计指数渐变传输线，实现宽带高性能的阻抗匹配。

本文使用的电磁仿真软件为ANSYS Electronics Desktop Version 2017.2.0

微带线尺寸计算

David M. Pozar. 微波工程[M]. 电子工业出版社, 2006.

已知基板的厚度，介电常数和微带线的线宽可以利用微波射频网的微带线特征阻抗计算器进行特性阻抗的快速计算。那么已知基板的厚度，介电常数和微带线的特性阻抗，如何计算其对应的线宽呢？

​http://www.mwrf.net/tool/rf/2015/16294.html

相应的理论公式已在上面的微波工程一书中详细阐述，现摘取部分关键内容如下：

  • 先计算等效介电常数：

  • 对于给定的特性阻抗

​和介电常数

，比值

​可求得：

已知基板介电常数、厚度，以及需要得到的微带线阻抗值可以根据上述理论公式进行Matlab代码编写：

1 function W=microstrip_Zcal(Er,H,Z0)
2 %Unit：mm，GHz，ohm
3 %计算中间变量
4 A=Z0/60*sqrt((Er+1)/2)+(Er-1)/(Er+1)*(0.23+0.11/Er);
5 B=377*pi/(2*Z0*sqrt(Er));
6 W_d_A=8*exp(A)/(exp(2*A)-2);
7 W_d_B=2/pi*(B-1-log(2*B-1)+(Er-1)/(2*Er)*(log(B-1)+0.39-0.61/Er));
8 if(W_d_A<2)
9 W_d=W_d_A;
10 else
11 W_d=W_d_B;
12 end
13 %计算微带线宽度
14 W=W_d*H;
15 end

  • 对于介电常数3.66、厚度1mm的基板，100欧姆微带线理论计算的线宽为0.5467mm

  • 对于介电常数2.2、厚度0.508mm的基板，50欧姆微带线理论计算的线宽为1.5652mm

指数渐变传输线理论

多节匹配变换器的理论这里不做过多阐述。如下图所示，若传输线各位置的特性阻抗按一定规律进行渐变，则可以通过改变渐变的类型得到不同的通带特性。本节对指数渐变传输线进行分析和建模。

​

对应上述图示，指数渐变传输线满足：

​因为

​，因此有

​结合小反射理论推导出输入端的反射系数：

​为了降低低频率处的失配，渐变传输线的长度应该大于介质中的半波长，即为

​微带线渐变传输线的HFSS-API快速设计

有了前二节的理论支撑，在限定长度

​的情况下，已知负载阻抗为

​，输入端参考阻抗为

​，微带线各位置的特性阻抗值可以确定，接着反向计算微带线线宽。

代码仅供参考，笔者自行根据个人习惯自行修改过hfssapi文件，参数传入等存在差异

1 clear;clc;
2 %参数输入
3 Z0=50;ZL=100;%Z0：输入的参考阻抗，ZL：负载阻抗
4 lambda=300/3;%自定义工作频率下限的波长：mm
5 L=50;%渐变传输线的长度：mm
6 L0=linspace(0,L,251);tot_num=length(L0);
7 dL=L0(2)-L0(1);%离散化的传输线，每节的长度
8 %指数渐变传输线
9 a=1/L*log(ZL/Z0);
10 Z=Z0*exp(a*L0);
11 plot(L0,Z);%获取m文件当前路径
13p1=mfilename('fullpath');
14 i=findstr(p1,'\');
15 p1=p1(1:i(end));
16 pp=strcat(p1,'hfssapi');
17 %与m文件同级的文件夹中的hfssapi加入到路径中
18 addpath([pp '/3dmodeler']);
19 addpath([pp '/general']);
20 addpath([pp '/analysis']);
21 addpath([pp '/boundary/']);
22 %vbs脚本路径
23 tmpScriptFile = 'C:\Users\Dell\Desktop\exp_transmissionLine.vbs';
24 %计算微带线的线宽：mm
25 Er=2.2;H=0.508;Wcal=zeros(1,tot_num);
26 for num=1:tot_num
27 zcal=Z(num);
28 Wcal(num)=microstrip_Zcal(Er,H,zcal);
29 End
30
31 %vbs脚本建模：此处引用hfssapi为自己修改过后的，参数传入有差异；
32 %不可直接复制运行，当作伪代码，仅供参考
33 %建立HFSS模型文件.
34 fid = fopen(tmpScriptFile, 'wt');
35 % 建立一个新的HFSS project和design.
36 hfssNewProject(fid);
37 hfssInsertDesign(fid, 'gradually_changed_tri_transmissionLine');
38 % 创建新的Polyline
39 Points=zeros(2*tot_num,3);
40 for num=1:tot_num
41 Points(num,1:3)=[-Wcal(num)/2,(num-1)*dL,0];
42 End
43 Points((tot_num+1):end,1)=abs(flipud(Points(1:tot_num,1)));
44 Points((tot_num+1):end,2)=flipud(Points(1:tot_num,2));
45 Points((tot_num+1):end,3)=flipud(Points(1:tot_num,3));
46 hfssPolyline(fid, 'exp_transmissionLine', Points, 'mm', 1, 'Line', [255, 255, 0],0)
47 hfssSetColor(fid, 'exp_transmissionLine', [255,255,0]);
48 hfssSetTransparency(fid, {'exp_transmissionLine'}, 0);
49 hfssAssignPE(fid, 'Line', {'exp_transmissionLine'});
50
51 % Create the substrate
52 hfssBox(fid, 'substrate',[-40/2,0,0],[40,L,-H],'mm',1);
53 hfssAssignMaterial(fid, 'substrate', 'Rogers RT/duroid 5880 (tm)');
54 hfssSetTransparency(fid, {'substrate'}, 0.2);
55
56 % Create the ground
57 hfssRectangle(fid, 'GroundPlane', 'Z', [-40/2,0,-H],40,L, 'mm',1);
58 hfssSetColor(fid, 'GroundPlane', [192, 192, 192]);
59 hfssSetTransparency(fid, {'GroundPlane'}, 0.4);
60 hfssAssignPE(fid, 'PerfE_Ground', {'GroundPlane'});
61
62 %------------空气盒------------%
63 hfssBox(fid, 'AirBox', [-40/2-lambda/4,0,-H-lambda/4],[40+lambda/2, L, H+lambda/2], 'mm',1);
64 hfssSetTransparency(fid, {'AirBox'}, 0.9);
65 hfssAssignRadiation(fid, 'Rad1', 'AirBox');
66 %-----------设置端口---------------%
67 hfssRectangle(fid, 'waveport1', 'Y', [-Wcal(1)*6/2,0,-H],5*H,Wcal(1)*6, 'mm',1);
68 hfssRectangle(fid, 'waveport2', 'Y', [-Wcal(end)*6/2,L,-H],5*H,Wcal(end)*6, 'mm',1);
69 hfssSetColor(fid, 'waveport1', [255, 0, 0]); hfssSetColor(fid, 'waveport2', [255, 0, 0]);
70 hfssAssignWavePort(fid, 'Port1', 'waveport1', 1, false, [0,0,-H], [0,L,-H], 'mm');
71 hfssAssignWavePort(fid, 'Port2', 'waveport2', 1, false, [0,0,0], [0,L,0], 'mm');
72 %-----------改变积分终点--------------%
73 hfssInsertSolution(fid, 'Setup3000MHz', 3, 0.02, 15);
74 hfssInterpolatingSweep(fid, 'Sweep3to10GHz', 'Setup3000MHz',3, 10,351);
75
76 % Close the HFSS Script File.
77 fclose(fid);
78
79 function W=microstrip_Zcal(Er,H,Z0)
80 %Unit：mm，GHz，ohm
81 %计算中间变量
82 A=Z0/60*sqrt((Er+1)/2)+(Er-1)/(Er+1)*(0.23+0.11/Er);
83 B=377*pi/(2*Z0*sqrt(Er));
84 W_d_A=8*exp(A)/(exp(2*A)-2);
85 W_d_B=2/pi*(B-1-log(2*B-1)+(Er-1)/(2*Er)*(log(B-1)+0.39-0.61/Er));
86 if(W_d_A<2)
87 W_d=W_d_A;
88 else
89 W_d=W_d_B;
90 end
91 %计算微带线宽度
92 W=W_d*H;93 end

这里直接给出可执行的vbs脚本文件，vbs脚本建模的好处就是不管对方是用hfss15还是hfss18，都可以通过下面图片的操作，Run script进行模型的复构。

​微带线渐变传输线HFSS仿真结果

资源分享：查看原文末尾

原文链接：学个Antenna：利用HFSS-API设计指数渐变传输线 - RFASK射频问问

END

作者：微波天线工程师

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