HFSS天线设计

天线性能是否 满足设计要求？
设置求解参数、求解频率 扫频设置
仿真设计完成
optimetrics 参数扫描分析
和优化设计
天线的加工与测试
天线的加工
• 印刷天线 • 刻蚀天线
感光膜
导电层 胶层 介质层
天线的测试
• 矢量网络分析仪
回波损耗
• 暗室
辐射方向图
课程总结
✓ 天线局部：分类、主要性能参数、馈电、特性 参数
〔0.5*subx+k, 0, -subh〕
X: -(subx+2k) Y: suby+k Z: subh +k
〔4*feedx, 0, -subh〕
X: -8*feedx Z:8*subh
设：f 2.4GHz 求：k ?
k 1 c
4
f
c 3108 m s f 2.4GHz=2.4109Hz
程度，定义为天线的辐射功率与输入功率之比：
A
Prad Pin
增益：
天线的增益是表征将输入给它的功率按特定的方向辐射的能力。
定义在一样输入功率、一样距离的条件下，天线在最大辐射方向
上的功率密度与无方向性天线在此方向上的辐射功率密度的比值，
其表达式为：
G AD
效率：
天线效率是表征天线将输入高频能量转换为无线电波能量的有效
〔-0.5*patchx, groundy+gap, 0〕 X: patchx Y: patchy 〔0.5*subx, 0, 0〕 X: groundx Y: -suby 〔-0.5*feedx, 0, 0〕 X: feedx Y: groundy+gap
空气盒
〔-0.5*subx, 0, 0〕 X: subx Y: suby Z: subh
绝对带宽： B fH fL
百分比带宽：
Bp
fH fc
fL
100%
比值带宽：
Br
fH fL
绝对带宽： B fH fL
百分比带宽：
Bp
fH fc
fL 100%
比值带宽：
Br
fH fL
通常情况下窄带天线的带宽用百分比带宽表示，而宽带天线的带宽那么 用比值带宽表示。假设一个低频工作于200 MHz，高频工作于1000 MHz 的宽带天线系统，那么称其为5:1带宽的通信系统。另外，在这种特定 比值的情况下，带宽具有特定的称谓，如带宽为2:1称为二倍频程，5:1 称为五倍频程。一般情况下，如果带宽比值在大于或等于二倍频程内， 天线的阻抗和方向图没有显著的变化，那么将其归类为宽带天线。
矢量位A为：A
0 Idl 4 r
e
j r
ez
在球坐标系中：Ar
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Az
cos
0 Idl 4 r
e jr
cos
A
Az
sin
0 Idl 4 r
e jr
sin
A 0
辐射的磁场强度：H 1 A
0
辐射的电场强度：E 1 H
j 0
哈密顿算符： x y z x y z
球坐标系下：
er re r sin e
k 1 c
4 4f
3108 4 2.4109
31.25103 m=31.25mm
2.45GHz矩形微带天线
微带天线设计经历公式
辐射单元宽度 辐射单元长度 有效介电常数 等效缝隙宽度
W
c 2f
r
2
1
1 2
L c 2L
2 f e
e
r 1
2
r 1(1 12 h
2
W
1
)2
L
e
0.412h
结论：辐射强度是角度的函数，与距离无关。
方向性系数：
方向性系数D是指在远场区的某一球面上天线的辐射强度与平均
辐射强度之比，即： D , U ,
U0
其中U0为平均辐射强度。
注意：通常所说的方向性系数指的是最大辐射方向上的方向性系
数,即：
D Umax U0
效率：
天线效率是表征天线将输入高频能量转换为无线电波能量的有效
请在HFSS中构建以以下图形
单位：mm
矩形单极子贴片天线
y
0
x
〔-0.5*subx, 0, 0〕 X: subx Y: suby Z: subh
subx=28mm suby=25mm subh=1.6mm groundy=5mm feedx=1mm gap=1mm patchx=14mm patchy=16mm
三维场方向图
方向图：
HPBW〔半功率波束宽度或 -3dB波束宽度〕：按半功率 电平点夹角定义的波束宽度。
FNBW〔第一零点波束宽度〕 按主瓣两侧第一零点夹角定 义的波束宽度。
主平面方向图
辐射强度：
每单位立体角内由天线辐射出的功率称为辐射强度U，单位为 W/Sr〔瓦/每立方弧度〕，其定义为：
U , S r, , r2
✓ 软件局部：HFSS软件使用方法、天线构造模型 创立、仿真流程与仿真分析、优化设计
✓ 加工与测试：天线的加工方法、加工流程、测 试设备、测试流程
➢ 根本天线构造
天线的定义： 发射和接收电磁波的无线电设备，是无线通信系统中的重要 一环，其性能直接影响通信系统的品质。
天线辐射原理图：
电根本振子的辐射场
实际应用中复杂的天线都是由电根本振子组成的，电根本振子的辐射 特性是复杂天线辐射特性的根底。 电根本振子〔电流源、电偶极子〕：是一段 dl , a dl 高频电流直 导线，导线上的电流处处等幅同相。 根据电流连续性原理，在电根本振子两端将同时积存大小相等、符号 相反的时变电荷。将电根本振子的中心放置于球坐标系的坐标原点， 并使长度dl沿着Z轴方向。
内容提要
➢ 电根本振子的辐射场
➢ 天线的主要性能参数
方向图 辐射强度 方向性系数 效率 增益 输入阻抗 回波损耗
➢ 根本天线构造
小结
HFSS天线设计中的主要性能指标：方向图、回波损耗 带宽、中心频率
天线的馈电方式：边馈、同轴馈电、CPW
天线的鼓励方式：波端口鼓励、集总端口鼓励 通常情况下，鼓励源 1 个，边界 3 个。
回波损耗：
回波损耗〔return loss〕是天线输入端口的入射波功率与反射波功 率之比，以对数形式来表示，单位是dB，其绝对值可以称为反射
损耗。其数值定义为： 10 lg Pin Pout
带宽：
带宽的定义方式很多，通常是指天线输入端电压驻波比系数小于 某一特定值所对应的频率范围。也可定义穿插极化电平的增加， 增益的起伏，方向图主瓣宽度的变化，旁瓣电平的变化或回波损 耗的变化等超过某一范围时所对应的频率变化范围为该天线的带 宽。 带宽的定义方法没有最好的方法，只有较为恰当的方法，应该在 特定的应用场合下，对所需的天线特性参数加以同等重要的考虑， 用同时满足多项指标的频率范围来确定天线带宽。
0.3
W
h
0.264
e 0.258 W h 0.8
馈电点位置
L1
L 2
(1
1)
e
同轴馈电的矩形微带天线
同轴馈电的矩形微带天线
天线的设计方法
天线的应用环境
优化
天线选型
仿真
天线指标
建模
到达要求？ 完成设计
HFSS天线设计流程
设置求解类型
求解结果 查看天线性能
建立天线构造模型 设置边界条件 设置鼓励方式
r
E
j
Idl 2r
0 0
sin 1
1 j r
1 2r
2
e
j
r
E 0
内容提要
➢ 电根本振子的辐射场
➢ 天线的主要性能参数
方向图 辐射强度 方向性系数 效率 增益 输入阻抗 回波损耗
➢ 根本天线构造
方向图：
天线的辐射场在固定距离上 随球坐标系的角坐标〔θ，ϕ〕 分布的图形称为天线的辐射 方向图或辐射波瓣图，简称 方向图。 完整的天线方向图应该用如 所示的三维立体方向图表示， 但是由于三维空间立体方向 图绘制复杂，工程上常用主 瓣轴的剖面图来表示。
程度，定义为天线的辐射功率与输入功率之比：
A
Prad Pin
增益：
天线的增益是表征将输入给它的功率按特定的方向辐射的能力。
定义在一样输入功率、一样距离的条件下，天线在最大辐射方向
上的功率密度与无方向性天线在此方向上的辐射功率密度的比值，
其表达式为：
G AD
输入阻抗：
天线的输入阻抗是指天线的输入端所呈现的阻抗值。天线的输入 端是指天线与馈线的连接处，天线通过馈线与发射机或接收机相 连。 由于阻抗匹配程度直接影响功率传输效率，且射频微波频段，馈 线的标准阻抗为50Ω，因此天线设计中，尽可能的把天线输入阻抗 设计在50Ω，以保证阻抗的匹配。
H 1 A 1 1
0
0 r2 sin r
电场强度：
Ar rA
0
er re r sin e
E
1 H j 0
1 j 0
1 r2 sin
r
0 0 r2H sin
解得： Hr 0 H 0
H
j
Idl 2r
sin 1
1 jr
e
j
r
Er
j
Idl 2 r2
0 0
cos
1
1 j r
e
j
天线设计与优化 — 天线根底
内容提要
➢ 电根本振子的辐射场
➢ 天线的主要性能参数
方向图 辐射强度 方向性系数 效率 增益 输入阻抗 回波损耗
➢ 根本天线构造
内容提要
➢ 电根本振子的辐射场
➢ 天线的主要性能参数
方向图 辐射强度 方向性系数 效率 增益 输入阻抗 回波损耗