HFSS天线设计
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导线，导线上的电流处处等幅同相。 根据电流连续性原理，在电基本振子两端将同时积存大小相等、符号
相反的时变电荷。将电基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。
0 Idl j r 矢量位A为：A e ez 4 r
在球坐标系中： Ar Az cos
天线设计与优化 — 天线基础
内容提要
电基本振子的辐射场 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
基本天线结构
内容提要
电基本振子的辐射场 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
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。
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。 绝对带宽：
B fH fL
fH fL 100% fc
百分比带宽： Bp 比值带宽：
内容提要
电基本振子的辐射场 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
基本天线结构
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 天线的激励方式：波端口激励、集总端口激励 通常情况下，激励源 1 个，边界 3 个。
0 Idl j r e cos 4 r Idl A Az sin 0 e j r sin 4 r
A 0
1 辐射的磁场强度：H A
0
辐射的电场强度：E
1 j 0
H
哈密顿算符： x y z x y z
设置求解参数、求解频率 扫频设置
仿真设计完成
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 • 暗室 回波损耗
辐射方向图
课程总结
天线部分：分类、主要性能参数、馈电、特性
参数
软件部分：HFSS软件使用方法、天线结构模型 创建、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
k ? 设：f 2.4GHz 求：
X: -8*feedx Z:8*subh
1 k 4
c f
c 3 108 m
s f 2.4GHz=2.4 109 Hz
1 c 3 108 3 k 31.25 10 m=31.25mm 9 4 4 f 4 2.4 10
（-0.5*subx, 0, 0） X: subx Y: suby Z: subh
空气盒
（-0.5*subx, 0, 0） X: subx Y: suby Z: subh （0.5*subx+k, 0, -subh）
X: -(subx+2k) Y: suby+k Z: subh +k
（4*feedx, 0, -subh）
基本天线结构
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：
电基本振子的辐射场
实际应用中复杂的天线都是由电基本振子组成的，电基本振子的辐射 特性是复杂天线辐射特性的基础。
电基本振子（电流源、电偶极子）：是一段 dl , a dl 高频电流直
球坐标系下：
er 1 1 H A
re rA
re 0
r sin e 0
r sin e r 2 H sin
0
电场强度：
1 0 r 2 sin r Ar
er 1 1 1 E H j 0 j 0 r 2 sin r 0
请在HFSS中构建以下图形
单位：mm
矩形单极子贴片天线
subx=28mm
suby=25mm subh=1.6mm
y
groundy=5mm
feedx=1mm gap=1mm patchx=14mm patchy=16mm
0
x
（-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
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 程度，定义为天线的辐射功率与输入功率之比：
Prad A 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。 定义在相同输入功率、相同距离的条件下，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：
2.45GHz矩形微带天线
微带天线设计经验公式
辐射单元宽度
辐射单元长度 有效介电常数
等效缝隙宽度
c r 1 W 2f 2 c L 2 L 2 f e
1 2
h 1 e (1 12 ) 2 2 2 W e 0.3 W h 0.264 L 0.412h e 0.258 W h 0.8
E j E 0
内容提要
电基本振子的辐射场 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
基本天线结构
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。
Br
fH fL
绝对带宽：
B fH fL
fH fL 100% fc
百分比带宽： Bp 比值带宽：
wk.baidu.com
Br
fH fL
通常情况下窄带天线的带宽用百分比带宽表示，而宽带天线的带宽则用 比值带宽表示。若一个低频工作于200 MHz，高频工作于1000 MHz的宽 带天线系统，则称其为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，则将其归类为宽带天线。
r 1 r 1
馈电点位置
L1
L 1 (1 ) 2 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
达到要求？
天线选型
仿真
天线指标
建模
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
建立天线结构模型 天线性能是否 满足设计要求？ 设置边界条件 设置激励方式 optimetrics 参数扫描分析 和优化设计
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, , r 2
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 U max U0
效率：
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。也可定义交叉极化电平的增加， 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
liuqs@tju.edu.cn
解得： H r 0 H 0
Er j
Idl 2 r 2 Idl 2 r
0 1 j r cos 1 e 0 j r 0 1 1 sin 1 2 2 e j r 0 j r r
H j
Idl 1 j r sin 1 e 2 r j r
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 程度，定义为天线的辐射功率与输入功率之比：
Prad A 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。 定义在相同输入功率、相同距离的条件下，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：
相反的时变电荷。将电基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。
0 Idl j r 矢量位A为：A e ez 4 r
在球坐标系中： Ar Az cos
天线设计与优化 — 天线基础
内容提要
电基本振子的辐射场 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
基本天线结构
内容提要
电基本振子的辐射场 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
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。
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。 绝对带宽：
B fH fL
fH fL 100% fc
百分比带宽： Bp 比值带宽：
内容提要
电基本振子的辐射场 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
基本天线结构
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 天线的激励方式：波端口激励、集总端口激励 通常情况下，激励源 1 个，边界 3 个。
0 Idl j r e cos 4 r Idl A Az sin 0 e j r sin 4 r
A 0
1 辐射的磁场强度：H A
0
辐射的电场强度：E
1 j 0
H
哈密顿算符： x y z x y z
设置求解参数、求解频率 扫频设置
仿真设计完成
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 • 暗室 回波损耗
辐射方向图
课程总结
天线部分：分类、主要性能参数、馈电、特性
参数
软件部分：HFSS软件使用方法、天线结构模型 创建、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
k ? 设：f 2.4GHz 求：
X: -8*feedx Z:8*subh
1 k 4
c f
c 3 108 m
s f 2.4GHz=2.4 109 Hz
1 c 3 108 3 k 31.25 10 m=31.25mm 9 4 4 f 4 2.4 10
（-0.5*subx, 0, 0） X: subx Y: suby Z: subh
空气盒
（-0.5*subx, 0, 0） X: subx Y: suby Z: subh （0.5*subx+k, 0, -subh）
X: -(subx+2k) Y: suby+k Z: subh +k
（4*feedx, 0, -subh）
基本天线结构
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：
电基本振子的辐射场
实际应用中复杂的天线都是由电基本振子组成的，电基本振子的辐射 特性是复杂天线辐射特性的基础。
电基本振子（电流源、电偶极子）：是一段 dl , a dl 高频电流直
球坐标系下：
er 1 1 H A
re rA
re 0
r sin e 0
r sin e r 2 H sin
0
电场强度：
1 0 r 2 sin r Ar
er 1 1 1 E H j 0 j 0 r 2 sin r 0
请在HFSS中构建以下图形
单位：mm
矩形单极子贴片天线
subx=28mm
suby=25mm subh=1.6mm
y
groundy=5mm
feedx=1mm gap=1mm patchx=14mm patchy=16mm
0
x
（-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
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 程度，定义为天线的辐射功率与输入功率之比：
Prad A 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。 定义在相同输入功率、相同距离的条件下，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：
2.45GHz矩形微带天线
微带天线设计经验公式
辐射单元宽度
辐射单元长度 有效介电常数
等效缝隙宽度
c r 1 W 2f 2 c L 2 L 2 f e
1 2
h 1 e (1 12 ) 2 2 2 W e 0.3 W h 0.264 L 0.412h e 0.258 W h 0.8
E j E 0
内容提要
电基本振子的辐射场 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
基本天线结构
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。
Br
fH fL
绝对带宽：
B fH fL
fH fL 100% fc
百分比带宽： Bp 比值带宽：
wk.baidu.com
Br
fH fL
通常情况下窄带天线的带宽用百分比带宽表示，而宽带天线的带宽则用 比值带宽表示。若一个低频工作于200 MHz，高频工作于1000 MHz的宽 带天线系统，则称其为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，则将其归类为宽带天线。
r 1 r 1
馈电点位置
L1
L 1 (1 ) 2 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
达到要求？
天线选型
仿真
天线指标
建模
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
建立天线结构模型 天线性能是否 满足设计要求？ 设置边界条件 设置激励方式 optimetrics 参数扫描分析 和优化设计
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, , r 2
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 U max U0
效率：
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。也可定义交叉极化电平的增加， 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
liuqs@tju.edu.cn
解得： H r 0 H 0
Er j
Idl 2 r 2 Idl 2 r
0 1 j r cos 1 e 0 j r 0 1 1 sin 1 2 2 e j r 0 j r r
H j
Idl 1 j r sin 1 e 2 r j r
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 程度，定义为天线的辐射功率与输入功率之比：
Prad A 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。 定义在相同输入功率、相同距离的条件下，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：