基于ANSYS HFSS软件的Wi-fi天线设计与优化
基于HFSS的超宽带天线的仿真设计
基于HFSS的超宽带天线的仿真设计超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术在通信、雷达、生命科学以及计算机网络等领域都有着重要的应用。
为了实现超宽带通信，需要设计优化的超宽带天线。
本文介绍了基于HFSS软件的超宽带天线的仿真设计。
首先，超宽带天线的设计需要考虑其频率范围和辐射特性。
超宽带天线能够在多个频段内工作，其辐射波形应该符合超宽带信号的要求。
因此，我们需要设计一种在整个频率范围内都能够辐射信号的天线。
在超宽带天线设计中，一种常见的方法是采用螺旋天线。
螺旋天线是一种能够产生圆极化辐射的天线，其具有较宽的频带。
通过调整螺旋天线的尺寸和参数，可以实现在超宽带频率范围内的工作。
使用HFSS软件进行超宽带天线的设计和仿真。
HFSS是一种电磁场仿真软件，能够帮助工程师分析和解决各种无线电频率设备的问题。
使用HFSS软件，可以对超宽带天线进行三维电磁场模拟，并获得其频率响应、辐射图案等参数。
在使用HFSS软件进行仿真设计时，首先需要生成天线的三维模型。
可以通过绘制天线的结构和几何形状，或通过导入CAD文件生成。
在建模过程中，需要注意准确的尺寸和几何参数。
接下来，需要通过设置边界条件和材料参数来定义仿真模型。
在超宽带天线的仿真中，可以采用均匀网格和适当的边界条件来提高计算效率和准确度。
完成模型设置后，可以进行频率扫描仿真来获得天线的频率响应。
通过设置所需的频率范围和步进值，可以获取超宽带天线在整个频率范围内的响应特性。
然后，进行辐射特性的仿真。
通过设置天线的激励条件，可以得到天线的辐射图案和增益等参数。
辐射图案是描述天线辐射能力的重要指标，可以通过HFSS软件进行仿真和分析。
在得到仿真结果后，可以对超宽带天线的性能进行评估和优化。
可以根据仿真结果对天线的尺寸、结构和材料进行调整，以达到设计要求。
总之，基于HFSS的超宽带天线的仿真设计可以帮助工程师实现高效、准确的天线设计。
通过HFSS软件的仿真分析，可以获得超宽带天线的频率响应、辐射图案等各种性能指标，为超宽带通信和其他应用领域提供支持。
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计随着无线通信技术的快速开展，无线通信已经广泛应用到雷达"移动通信"卫星定位"无线局域网络"卫星电视等诸多领域!而天线那么是无线通信系统号发射和接收的关键局部，它直接影响着无线通信的性。
随着移动通信中跳频"扩频等通信技术的开展，同时为了满足与多个终端的通信要求，实现多系统共用和收发共用等功能，这就要求天线在不同频段下工作。
因此天线的多频段通信技术成为现代无线通信领域迫切需要研究的问题。
微带天线有多种馈电方式，其中同轴线馈电是一种最常用的馈电方式!同轴线馈电是将同轴插座安装在接地板上，本文在一种常用的2.45GHz同轴馈电微带天线的根底上，利用HFSS三维电磁仿真软件合理设计同轴馈电的位置及改变辐射贴片的尺寸，使天线获得一个新的谐振频率，大小为1.9GHz，且输入阻抗为50Ω左右，并且对仿真结果进展了详细的分析。
最后根据仿真结果制作天线实物，在实际的电磁环境下对天线的驻波比进展测试，得到较好的效果。
1 2. 45 GHz同轴馈电微带天线参数一种常用的2. 45 GHz同轴馈电微带天线的原理图如图1和图2所示图1 中L0为辐射贴片X 轴长度，L0 = 27．9 mm; W0为辐射贴片Y 轴长度宽度，W0 = 40 mm; L1为同轴馈电点离辐射贴片中心距离，L1 = 6.6 mm。
图2 中介质基片厚度H = 1．6 mm; 介质基片介电常数ε = 4.4。
2双频微带天线设计在2．45 GHz 微带天线中的辐射贴片在X 轴方向的长度为27．9 mm，同轴线馈电点( A 点) 离辐射贴片中心距离为6．6 mm。
只需在此根底上分析给出微带天线的辐射贴片在Y 轴方向的长度和同轴线馈电点( B 点) 的位置，能够使天线能够工作于9 GHz，然后过A 点和B 点的垂直相交点( C 点) 即为需要找到的双频馈电点。
X 轴上的A 点为激发2．45 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为50 Ω左右，由于A 点位于辐射贴片Y 轴方向的中心线上，因此不会激发Y 轴上的工作频率。
基于HFSS的微带天线设计科研报告
基于HFSS的微带天线设计科研报告1.科研背景天线作为无线收发系统的一部分，其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。
近年来置天线在移动终端数日益庞大的同时功能也日益强大,对天线的网络看盖及小型化也有了更高的要求。
由于不同的通信网络间的频段差异较大，所以怎样使天线能够涵盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计置天线的主要问题。
微带天线具有体积小，重重轻，剖面薄，易于加工等诸多优点，得到广泛的研究与应用。
在无线通信技术中，对天线的带宽有了更高的要求;而电路集成度提高，系统对天线的体积有了更高的要求。
微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，随着科技的进步、空间技术的发展和低剖面天线的需求，使微带天线进一步发展。
和普通的天线相比，微带天线有这些优点:体积小，重里轻，低剖面，能与载体共形;易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。
2.研究理论依据天线是-个用于发送和接收电磁波的重要的无线电设备，没有天线就没有无线电通信。
不同种类的天线适用于不同用途，不同场合，不同频率，不同要求等不同情况;天线种类繁多，可按照-定特征进行分类:根据用途分类，可分为通信天线，雷达天线等;根据工作频段分类，可分为短波天线，超短波天线，微波天线等。
2.1天线的基本概念天线无处不在o所有的无线电设备都需要使用无线电波来开展的工作，天线在作发射时，它将电路中的高频电流转换为极化的电磁波，发射向规定的方向;作接收时，则将来自特定方向的极化的电磁波转换为电路中的高频电流。
所以天线的功能主要功能有:(1)能量转换对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能里或传输线上的导行波能里尽可能多地转换为空间的电磁波能里辐射出去。
对于接收天线，传输到接收机上的由天线接收的电磁能里应尽可能转换为电路中的高频电流能里;天线和发射机或接收机应该尽可能良好的匹配。
(2)定向辐射或接收发射及接受天线的辐射电磁能里应集中在指定的方向，尽可能的不接收来自其它方向的电磁波，不要将能里损失在别的方向上，否则接收所需信号的同时，还有可能接收到不同方向的其它信号，造成不必要的干扰。
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款广泛应用于天线设计领域的电磁仿真软件。
本文将基于HFSS进行双频微带天线的仿真和设计，包括仿真模型构建、参数设置、频率扫描、天线设计优化等内容。
以下是对于每个步骤的详细介绍。
首先，在HFSS软件中创建一个新的项目，然后选择"Design Type"为"Antenna"。
接下来，根据双频微带天线的特点，构建天线的几何结构。
双频微带天线通常由一个辐射贴片和一个馈电贴片组成。
辐射贴片的几何结构决定了辐射频率，馈电贴片的几何结构决定了馈电频率。
根据具体的设计要求，可以选择矩形、圆形或其他形状的贴片。
在构建天线的几何结构后，需要设置天线的材料属性。
可以选择常见的介质材料，如FR-4、Rogers等，然后设置其相对介电常数和损耗因子。
这些参数对天线的性能有重要影响，需要根据具体的设计需求进行调整。
完成材料属性设置后，需要定义辐射贴片和馈电贴片的端口。
通常，辐射贴片和馈电贴片的接地为共地，但其余部分分开。
可以通过选择适当的面来定义每个端口。
然后，设置端口的激励类型和激励参数。
常见的激励类型有电流激励和电压激励，而激励参数包括频率、幅度和相位等。
在设置好端口后，可以进行频率扫描，以获取天线的频率响应。
可以选择在一定范围内进行频率扫描，也可以单独指定感兴趣的频率点。
通过分析结果可以得到辐射和馈电贴片的共振频率，以及频率响应的带宽等信息。
如果设计的频率不满足要求，可以对几何结构和材料参数进行调整，然后重新进行频率扫描。
当天线的频率响应满足要求后，可以进行天线设计的优化。
优化的目标通常包括增加天线的增益、改善天线的辐射效率、扩展天线的带宽等。
可以通过对辐射贴片的长度、宽度、形状等进行调整，或者对馈电贴片的长度和宽度进行调整。
优化过程中，可以通过设置参数范围和优化目标，使用HFSS内置的优化算法进行自动优化。
Ansoft HFSS在天线设计中的应用
微波电路 � � � � � 滤波器－腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器 电磁兼容（EMC）/电磁干涉（EMI）－电磁屏蔽、耦合、近/远场辐射 连接器－同轴、SFP/XFP、底板、转换器 波导－滤波器、谐振器、转换器、耦合器 半导体/GAAs－螺旋导体、变压器
�
信号完整性/调整数字电路 � � � � 封装－BGA、QFP、flip-chip PCB 板－功率/地板、网格地板、底板 连接器－SFP/XFP、VHDM、GBX、NexLev、同轴 转换器－Differential/Single-ended 过孔
7
Maxwell 方程有积分和差分两种形式，因此也各有算法相对应。矩量法（ MOM ）是求 解积分方程的一种算法， 它通过求得散射体上的电流从而推出整个空间的场， 因此它只需在 散射体上划分网格。而时域有限差分法（FDTD）和有限元是求解差分方程的算法。它们直 接求解整个空间的场从而得到整个空间的场。直接求解整个空间的场？Are you crazy?好吧， 我承认求解整个空间的场是不可能的， 但不代表这种算法只存在于想像中。 总有聪明的人想 出聪明的办法来，他们人为的在散射体周围放置一种吸收边界，类似于暗室的吸波材料， 来 波入射到上面就被吸收， 因此不会有反射干扰到吸收边界之内的场， 由求得的近场则可以推 得整个空间的场。 还有一个分支是图上没有表达出来的，那就是时域、频域之分。时域有限差分法顾名思 义是时域算法，与之类似的还有 CST 采用的有限积分法。而矩量法和有限元法则属于频域 算法。至于具体的原理就不多说了，我们只要知道时域算法适用于宽频带，而频域算法适用 于窄频带就好。 另外， 我们还要知道为什么这几种算法为什么称为低频算法。 称为低频算法并不意味只 能计算很低的频率。 这主要是因为这种算法假设工作波长远远大于结构体的尺寸， 所以在对 结构离散化的时候就不能忽略细节问题，是一种严格的分析方法。而与之对应的高频算法， 则是假设工作波长远远小于结构体的尺寸， 这样就可以在计算的时候做一些近似。 比如一个 球面上的散射问题，由于有上面的假设，则可以把球面的某个区域等效为一个平面来求解。 既然是讲 HFSS 的，那我们还是主要来了解一下有限元这种算法的几个主要术语吧。 � � FEM－finite element method 有限元; Element － 单 元 指 有 限 元 法 中 对 整 体 问 题 细 分 后 的 小 个 体 。 HFSS 中 采 用”tetrahedral”（四面体）elements; � Meshing－网格剖分，即对求解空间细分、然后定义所有四面体单元顶点位置的过 程。我们必须给予 HFSS 的自适应网格剖分技术充分的肯定。我认为在电磁仿真软 件中最重要的不是算法，而是网格剖分。模型易建，算法成熟，直接决定最后的计 算精度的是网格对模型离散化的效果。可以把网格看作模型和算法之间的桥梁， 它 使算法得以实用化，而不是只存在于文献中的大量让人头痛的公式。HFSS 初始网 格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格 可以快速解计算并提供场解信息， 以区分出高场强或大梯度的场分布区域。 然后只 在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确
基于HFSS的微带天线设计与仿真
N o 16 D ec1
文章编号: 167226413 (2009) 0620040203
基于H F SS 的微带天线设计与仿真
来雪梅, 王代华, 张 哲
(中北大学, 山西 太原 030051)
摘要: 针对专用冲击波测试系统中微带天线的特性要求, 利用仿真软件H FSS 建立天线模型, 并对模型进行仿 真优化, 得到了最佳的天线参数。同时为该系统设计了中心频率为214 GH z的微带天线, 采用矢量网络分析仪 对天线的各参数进行了实测, 实测结果与仿真结果吻合, 验证了设计的有效性。 关键词: 微带天线; H FSS 软件; 仿真 中图分类号: TN 82 文献标识码: A
仿真曲线吻合较好。设计的天线在2149 GH z处的反射 系数达到- 31 dB、V SW R 值为1109、输入阻抗为Z in= 471293+ 6107j , 说明了本设计的有效性。
图 6 实测的V SW R 曲线图
图 4 仿真得到的史密斯圆图
图 5 实测的反射系数曲线图
4 结论 讨论了微带天线的设计原理, 根据天线尺寸的计
的波长为125 mm。综合考虑天线设计参ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ及环境适应
性要求, 最终选定介质基板厚度h= 018 mm , Εr= 414, 材料为 FR 4。 贴片和接地板材料为铜, 铜箔的厚度为
T , 其电导率为Ρ= 1157×107 s m。由式 (1) 可得: W ≤
38 mm。该值是微带天线宽度的最大值, 经过仿真、优
算公式, 分析了不同尺寸参数对微带天线的性能影响。 设计了中心频率为214 GH z的微带天线, 利用H FSS 软 件建立天线模型, 得出了天线特性的仿真曲线。 采用 矢量网络分析仪对设计的天线进行实测, 实测曲线与
基于HFSS矩形微带天线阵的设计与优化
式1-3
L L 2L
e
0
/ r 2L
c 1 2L 2 f0 e
式1-4
1.3 介质基板尺寸的确定：
LG L 0.2 g WG W 0.2 g
式 1-5 式1-6
2 馈电方式的选择
馈电方式在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。 矩形微带贴片天线有两种 馈电方式，一种是同轴探针馈电，又称背馈，另一种是微带线馈电，又称侧面馈 电。 同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高 增益微带 阵列 天线。 本文选用 基于 微带线 的嵌入馈 电， 如图 表 4 所示。
图表 11 微带阵列天线的增益图形
图表 12 微带阵列天线的驻波比图形
结语
在充分考虑到节约成本和降低制作难度的情况下， 对微带贴片天线阵列进行 设计，不仅大大提高了贴片天线的性能，而且得到了令人满意的结果。使方向增 益提高到 10dB，当系统的谐振频率为 24GHz 时，相对带宽达到了 3%。而且， 可以根据不同需要，把阵列设计为 N×18 单元等各种形式。另外，HFSS 作为 一款高频电磁场仿真软件，由于其强大的功能，大大简化了阵列设计的过程，提 高了工作效率，成为高频领域工作者强有力的设计工具之一。
一 微带天线的基本介绍以及辐射原理
目前，由于分析微带天线的方法不同，对它的物理结构以及辐射原理有不同 的理论。这里为简单起见以矩形贴片微带天线为例。
1 矩形微带天线的结构
图表 1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地三部 分组成。与天线性能相关的参数包括辐射源的长度 L、辐射元的宽度 W、介质层 的厚度 h、介质的相对介电常数 损耗正切 、介质的长度 LG 和宽度 WG。图 2 所 示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的。
(完整版)HFSS天线设计实例
HFSS 天线设计实例这是一种采用同轴线馈电的圆极化微带天线切角实现圆极化设计目标!（具体参数可能不精确，望大家谅解）主要讲解HFSS操作步骤!GPS微带天线:介质板:厚度:2mm,介电常数：2。
2，大小:100mm*100mm工作频率：1.59GHz，圆极化（左旋还是右旋这里不讲了哈),天线辐射在上半平面覆盖！50欧同轴线馈电，1、计算参数首先根据经验公式计算出天线的基本参数，便于下一步建立模型。
贴片单元长度、宽度(正方形贴片长宽相等)、馈电点位置，分离单元长度.下表是经HFSS分析后选择的一组参数：2、建立模型首先画出基板50mm*50mm*2mm 的基板起名为substrate介电常数设置为如图2。
2的,可以调整color颜色和transparent透明度便于观察按Ctrl+D可以快速的使模型全可见！按住Ctrl+Alt键,拖动鼠标可以使3D模型自由旋转同理，我们画贴片：1、在基板上画出边长65mm(假设用公式算出的是这么多）的正方形2、起名为patch，颜色选绿色,透明度设为0。
5画切角是比较麻烦的1、用画线条工具,画三线段,坐标分别是0。
5.0, 5。
0。
0, 0.0。
02、移动三角形，选中polyline1，选菜旦里edit\Arrange\move，先确定坐标原点或任一点为基准点，将三角形移动到左上角和贴片边沿齐平.3、复制三角形，选中polyline1，选菜单里edit\arrange\duplicate\around axis，相对坐标轴复制，角度换成180，然后在右下角就出现了相对称的另一个三角形.4、从patch上切掉对角上的分离单元polyline1和polyline1_1：选中patch、polyline1和polyline1_1，选菜单里3D modeler\Boolean\Subtract把polyline1和polyline1_1从patch上切掉最后剩下先在介质板底面画一个100mm＊100mm的正方形作为导电地板。
基于HFSS的天线设计
一、 实验目的●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。
◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz ，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。
●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。
二、 实验原理1、微带天线简介微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。
微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。
图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。
与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L 、辐射源的宽度W 、介质层的厚度h 、介质的相对介电常数r ε和损耗正切δtan 、介质层的长度LG 和宽度WG 。
图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。
对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有2/g λ的改变，而在宽度W方向上保持不变，如图2（a ）所示，在长度L 方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。
从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
（a ）俯视图 （b ）侧视图图2 矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为e L ，则有2/g e L λ=式中，g λ表示波导波长，有eg ελλ/0=式中，0λ表示自由空间波长，e ε表示有效介电常数，且21)121(2121-+-++=W h r r e εεε 式中，r ε表示介质的相对介电常数，h 表示介质层厚度，W 表示微带贴片的宽度。
基于HFSS的天线设计研究及其应用
基于HFSS的天线设计研究及其应用随着移动通信和互联网的飞速发展，无线通信技术已经成为了人类生活中不可或缺的一部分。
在无线通信技术中，天线作为信号的传输介质，既是重要的硬件设施，也是必不可少的组成部分。
因此，天线设计的质量对于无线通信技术的性能和实用性具有重要的决定性作用。
本文将介绍一种基于HFSS的天线设计方法，并探讨其在实际应用中的优缺点和未来发展方向。
一、HFSS介绍HFSS（High Frequency Structure Simulator）是美国ANSYS公司开发的一款高频电磁仿真软件，主要用来解决射频、微波、毫米波以及光电领域中的电磁场问题。
HFSS不仅有较高的精度与可靠性，而且具有强大的CAD能力和优秀的后处理功能。
在无线通信技术中，天线设计是非常重要的，能够深入了解和熟悉HFSS软件的使用方法，对于天线设计工程师来说是非常必要的。
二、HFSS在天线设计中的应用在天线设计中，HFSS可以帮助设计人员计算各种天线的参数，包括阻抗、谐振频率、增益、方向性等等，并生成天线图形，进而优化和改善天线性能。
1、天线参数计算在进行天线设计之前，需要确定一些基本的天线参数，如天线的工作频率、阻抗、增益、波束宽度等。
这些参数与天线的结构和电学性质密切相关。
HFSS可以通过分析天线的结构和材料等属性，快速计算出几乎所有的天线参数。
设计人员通过对这些参数的控制和优化，可以提高天线的性能。
2、天线模型设计在开始天线的设计过程时，需要首先绘制天线的模型图。
HFSS可以根据天线的结构和尺寸等要素自动生成天线的三维模型。
这有助于设计人员在后续的优化和改进过程中，更精确地分析天线性能和做出相应的调整。
3、天线参数优化一旦天线的模型和基本参数确定后，接下来是对天线性能进行优化。
在实际的天线设计中，往往需要根据具体的应用场景修改或调整天线的工作频率、波束宽度或者增益等参数。
通过HFSS，设计人员可以快速地对天线的各种参数进行调整，并通过仿真和分析来确认优化后的结果。
基于HFSS的天线设计流程
基于HFSS的天线设计流程HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种用于高频电磁场仿真的软件工具，常用于天线设计领域。
以下是基于HFSS的天线设计流程，详述了设计前的准备、模型建立、仿真和优化等关键步骤。
一、设计准备1.需求分析：明确天线设计的要求，如频率范围、增益、方向性等。
2.材料选择：根据设计要求选择合适的材料，如介电常数、磁导率等。
二、模型建立1.创建天线几何体：使用HFSS的建模工具，绘制天线的几何形状，如导线、片状、贴片等。
2.导入材料参数：为天线几何体设置材料参数，指定介电常数和磁导率等参数。
3.锁定边界条件：确定边界条件，如天线周围是否存在接地平面或闭合结构等。
三、仿真设置1.电磁辐射频率范围：设定天线的工作频率范围。
2.网格划分：对天线模型进行网格划分，使得模型细节得到准确表达。
3.求解器设置：选择合适的求解器类型和参数，如自适应网格细化程度、计算精度等。
4.激励方式：选择天线的激励方式，如电流激励、电压激励等，设定激励位置和幅度。
四、仿真分析1.获取S参数：运行仿真分析，获得天线的S参数，即反射系数和传输系数。
2.方向图：计算天线的方向图，分析天线的辐射花样和辐射功率密度。
3.阻抗匹配：根据S参数结果，优化天线的匹配网络，以提高天线的输入阻抗匹配度。
五、优化设计1.参数化：对天线的关键参数进行参数化设置，方便后续的优化建模。
2.参数扫描分析：对参数进行范围扫描分析，观察参数变化对天线性能的影响。
3.优化算法：根据优化目标，选择合适的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等。
4.优化迭代：根据优化算法计算出新的参数组合，重新运行仿真，比较新的性能结果。
5.反馈分析：根据优化结果进行反馈分析，调整参数范围，直至达到设计要求。
六、仿真验证1.原型制作：根据优化结果，制作实际天线样机。
2.测量验证：通过测试设备对样机进行测量，比较测量结果与仿真结果的一致性。
基于hfss的超宽带天线的仿真设计
基于hfss的超宽带天线的仿真设计基于HFSS的超宽带天线的仿真设计学生姓名:学号:学院(系):2014年06月基于HFSS的超宽带天线的仿真设计摘要:超宽带通信技术以其高速率、抗多径效应和低成本等一般窄带系统无法比拟的优势成为最具竞争力和发展前景的技术之一。
作为系统的重要组成部分，超宽带天线的设计引起了越来越多的关注。
与传统的宽带天线相比，超宽带天线的设计更具有挑战性，这是由于天线除了需要具有超宽的工作频带(3.1GHz-10.6GHz)，还要能够保持尺寸的紧凑,价格的低廉,并且易于与平面大规模电路集成。
同时，由于在超宽带频段中还存在着一些窄带通信系统是使用的频段，因此，这就要求尽量避免潜在的电磁干扰。
本文主要基于HFSS仿真及分析超带宽天线。
关键词:HFSS 超宽带天线电磁干扰1、超宽带天线的特点以及研究背景无论是军事通信还是民用通信都对天线的宽频性提出了更高的要求，特别是UWB通信中，要求天线的带宽达3.1GHz-10.6GHz。
在超宽带天线的应用中，要求天线具有尺寸小，便于集成等特性。
因此，设计出能够与射频通信电路集成的平面微带天线就成为本文的主要研究目标。
此外，在FCC规定的3.1GHz-10.6GHz频段中，还存在的IEEE 802.16 Wimax系统(3.3GHz-3.6GHz)、C波段卫星通信系统(3.7GHz-4.2GHz)、IEEE 802.11bWLAN/HIPERLAN系统(5.15GHz-5.825GHz)。
因此，如何解决这些已经存在的系统与UWB 频段的电磁兼容问题，是本文研究的一个重中之重。
超宽带天线因为其频带特别宽，容易受到频带范围内其它窄带信号的干扰，如果窄带信号的所在的固定频率已知，那么可以用射频滤波技术来滤除这些干扰信号。
假如一个超宽带接收机，同时兼有高功率的窄带系统，高功率的窄带信号就会对超宽带接收机的信号进行干扰。
有时候希望把超宽带天线和具有高灵敏度的窄带接收机结合在一起，这样在一定环境里，超宽带系统就容易受到窄带接收机的干扰。
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由安捷伦（Ansys）公司开发的一款高频电磁仿真软件，主要用于分析和设计高频、射频和微波器件。
在无线通信领域中，微带天线是一种常用的天线类型，具有结构简单、制作工艺方便等优点，因此在各种无线通信系统中得到广泛应用。
矩形微带天线是一种常见的微带天线形式，其结构简单，易于制作。
它主要由导线带、底座和贴片构成。
导线带通常是由金属材料制成，贴片是指附在底座上的绝缘材料，贴片的尺寸和形状决定着微带天线的频率特性。
HFSS软件可以通过建立几何模型、定义材料属性和设置边界条件等步骤来对矩形微带天线进行仿真。
需要根据实际要设计的微带天线的尺寸和形状，在软件中建立一个几何模型。
然后，根据天线的材料特性，设置相应的材料属性。
接下来，需要定义天线的边界条件，例如接地平面和边界面的特性等。
然后，软件会自动求解出微带天线的电磁场分布和频率特性。
根据仿真结果，可以优化天线的设计参数，以达到所要求的性能指标。
对于矩形微带天线来说，设计的关键参数主要有频率、带宽、辐射方向图和增益等。
通过HFSS软件的仿真和优化，可以为设计者提供参考和指导，帮助其快速实现设计目标。
可以通过调整天线的尺寸和形状来实现所需的工作频率；通过优化导线带和贴片的尺寸和位置，可以增加微带天线的带宽；通过调整导线带的长度和宽度，可以改变微带天线的辐射方向图和增益。
通过不断调整和优化，最终得到满足需求的微带天线设计。
通过HFSS软件的矩形微带天线仿真与设计，可以准确分析天线的电磁场分布和频率特性，帮助设计者优化天线的尺寸和形状，实现所需的性能指标。
这种仿真与设计方法既提高了天线设计的效率，又降低了开发成本，对于无线通信系统的设计和建设具有重要意义。
基于HFSS的天线设计流程
天线设计流程：1.确定设计目标2.查阅资料，确定形状，给出结构图（变量形式）3.仿真建模、求解4.优化设计，确定变量值5.版图，加工，测试设计目标：设计并实现一款超宽带天线，天线馈电方式采用50Ohm微带线进行馈电，天线在3.1-10.6GHz频段范围内满足S11<-10dB，天线辐射方向图为全向。
天线介质基板采用选用介质板FR-4，其相对介电常数为4.4，厚度为h=0.8mm。
基于HFSS13.0的超宽带天线设计实例：一、建立工程菜单Project->Insert HFSS Design二、设置求解模式菜单HFSS->Solution Type->天线为Driven Modal三、天线模型建立1、设置模型尺寸长度单位菜单Modeler->Units->mm->OK单位一般设置为毫米mm。
2、天线模型结构本例天线采用的模型如图1所示，其详细结构尺寸见表1.图1超宽带平面天线结构图表1初步设计的超宽带平面天线尺寸微带线阻抗验证：1)、采用Agilent AppCAD计算2、采用LineCalc计算工具（ADS中的工具）3、输入设计参量菜单Project->Project Variables或者HFSS->Design Properties点击Add，输入w=16mm变量，详见下图依次输入表1中全部变量，最终如下图4、建立模型（1）创建介质板FR4（a）在菜单栏中点击Draw>Box，在模型窗口任意创建Box1（b）双击模型窗口左侧的Box1，改名为Substrate，在点击Material后面的按钮，选择Edit，搜索FR4，选择FR4_epoxy点击确定。
（c）双击模型窗口左侧Substrate的子目录Createbox，修改介质板大小及厚度。
介质板长l=32mm，宽w=16mm，厚h=0.8mm，如下图所示，点击确定。
（2）创建微带馈线（a）在菜单栏中点击Draw>Rectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1（b）双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为microstrip，点击确定。
基于HFSS的超宽带天线仿真设计
基于HFSS的超宽带天线仿真设计超宽带技术（uhra-wideband/UWB）是一种新型无线通信技术，它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有Ghz量级的带宽。
不同于普通的载波调制，直接在时域中进行信号操作，所以UWB方式占用带宽非常宽，且频谱功率密度极小，具有通常扩频通信的特点。
在与其他系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其他系统干扰的优点。
摆脱了传统通信技术中在带宽和通信质量之间取舍两难的境地，在频率资料日益紧张的今天这种优势显得尤为突出。
这种优势使得超宽带技术首先在雷达等军用领域得到较为广泛的应用。
近年来，超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视，在雷达跟踪、无线通信、穿透障碍物成像、武器控制系统、测距、精确定位等领域大展拳脚，它的应用也从军用领域逐渐过渡到民用领域。
由于超宽带系统的特点，对超宽带天线的特性又提出了不同于一般天线的要求。
本着对知识的求真探索的精神，设计出性能优良的超宽带天线，得要从实际实验出发，但现实条件有限：一是天线测试场地要求较高，难以满足；二是天线测量设备昂贵，院校测量设备有限；三是天线种类繁多，很多天线的制作要求较高，周期较长等，降低了实验的可实施性。
所以AnsoftHFSS、CSTMICROWA VESTUDIO等为代表的电磁仿真软件应运而生，解决了实际实验中一系列问题。
下面将利用HFSS软件进行超宽带天线仿真实验并进行优化设计。
HFSS仿真软件的介绍高频结构仿真器（HighFrequencyStructureSimu-lator）是美国Asoft公司开发的一款电磁仿真软件。
这是一款用于解决复杂电磁学问题的计算机辅助设计软件。
HFSS是一种基于有限元分析法的电磁仿真辅助软件。
它的计算结果非常准确，是业界公认的可靠的电磁仿真软件。
采用图形用户界面，界面简洁直观，操作简单。
在仿真过程中，用户创建或者导入相关模型并设置边界条件和激励等，软件就能自动进行仿真计算并得到用户需要的相关结果。
基于HFSS的无线传感器网络节点微带天线设计与仿真
Ａｂｓｒ ｃ ： ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ａ ｉｔｏ ｒｎ ｉｌ ｆｍｉ ｒ ｓｒｐ ａ ｔｎｎ ａ ｒ ｃａ ｕ ａ ｃ ｏ ｔｉ ｎｔｎ ａ ｉ ｅ ｉ ｎ ｄ． ｔ ａ ｔ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｒ ｄ ａｉ ｎ ｐ ｃｐ ｅ ｏ ｃ ｏ ｔｉ ｎ ｅ ａ， ｅ ｔｎｇ ｌ ｒｍｉｒ ｓｒｐ ａ ｅ ｎ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｉ
（ 南京理工大学 自动化学院 ， 南京 ２０ ９ ） １０４
摘 要 ： 根据微带天线的辐射原理， 设计一种谐振频率为 ２４ Ｈ 的矩形微带天线， ． Ｇｚ ７ 并对微带天线频带的展宽方法进行了研
究。通过附加贴 片来修改等效谐振电路 ， 使其具有多个谐振点 ， 从而扩展 阻抗带宽 ， 仿真结果表明该天线的阻抗带宽达到了 １ ％ ２ （０ Ｈ ） ３０Ｍ ｚ 。该天线具有体积小 、 宽频带 和低抛面等特点 ， 为无线传感 网络节点 的终端天线 ， 可作 具有一定的工程应用价值 。
第３ ５卷 第 １ 期
２１ ０ ２年 ２月
电 子 器 件
Ｃ ｉｅｅ Ｊ ｕｎ ｌｏ ｌｃｒｎ Ｄｅ ｉ ｓ ｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ ｅ ｔ ｖ ｅ Ｅ ｏ ｃ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ １ １３ ． Ｆｅ ２ ２ ｂ． ０１
Ｄｅｉｎ ａ ｄ Ｓｍｕ ａｉｎ ｏ ｉｅｅｓＳ ｎ ｏ ｔ ｒ ｏ ｅＭ ｉｒ ｓｒ ｔｎ ａｂ Ｓ ｓｇ ｎ ｉ ｌｔ ｆＷ ｒ ｌ ｅ ｓ ｒＮｅｗｏ ｋ Ｎ ｄ ｃ ｏｔｉ Ａｎｅ ｎ ｙ ＨＦ Ｓ ｏ ｓ ｐ
关键 词 ： 无线传感器网络节点； 微带天线 ； 附加贴片； 宽频带
中图分 类号 ： Ｎ ２ Ｔ ８
文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０５ ９９ （０２ ０ — ０６ ０ １０ — ４０ ２１ ）１ ０２ — ４
基于HFSS仿真软件的天线设计与调优
基于HFSS仿真软件的天线设计与调优天线是如今无线通信设备中不可或缺的一部分，通过天线将电磁波转换成信号，实现无线通信。
天线的设计和调优是影响无线通信设备性能的关键因素，优秀的天线设计能够提高通信质量和传输速率，从而提高用户体验和设备性能。
而基于HFSS仿真软件的天线设计与调优已经成为了当今设计领域的重要工具。
一、HFSS仿真软件简介高频结构模拟软件（High-Frequency Structure Simulator，HFSS）是美国ANSYS公司研发的一款专门用于高频电磁场仿真分析的电磁场仿真软件，主要用于电磁场分析、天线设计、微波电路设计和系统分析。
HFSS具有完整的三维数值电磁场求解器，可以方便地进行电磁波计算和分析。
其模拟精度高，支持多种材料和内置模型库等多种功能。
二、天线设计基础知识天线的设计主要涉及天线结构的选择、频率范围、辐射模式等基本参数，其中，基本参数包括天线的阻抗匹配、辐射方向、增益和效率等指标。
天线结构的选择天线的结构形式多种多样，可分为线性天线和非线性天线两类。
在选择天线的结构时，需要考虑天线的形状、尺寸和材料等因素。
线性天线一般采用金属丝或金属棒等导体实现，包括单极天线、双极天线、饰片天线、圆极化天线、螺旋极化天线等，非线性天线则更加复杂，如各种周期性天线、基于共振现象的天线等。
天线频率范围天线设计时需要确定天线的频率范围，通常以天线的带宽作为衡量标准，可根据实际需求选择不同的工作频段。
天线的增益和效率天线的增益和效率是天线性能的重要指标。
增益是指天线在辐射方向上将输入功率转换成辐射功率的能力，而效率是指天线对输入功率的利用率。
三、基于HFSS仿真软件的天线设计与调优HFSS仿真软件能够提供准确的天线模型和全波分析，可以帮助工程师们在仿真环境中预测和优化天线性能。
下面我们将介绍基于HFSS仿真软件的天线设计和调优的主要流程。
1. 建立天线模型在HFSS软件中，用户需要准确的建立天线模型。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于ANSYS HFSS软件的Wi-fi天线设计与优化摘要：本文通过分析实际当中Wi-fi技术的技术要求，包括天线增益、辐射方向、工程实际情况等因素。
建立了基本的模型，通过ANSYS HFSS软件进行电磁场有限元方法（FEM）仿真分析并优化，最终采用双层微带阵列的结构，顶层材料为Rogers TMM(4)的介质板，底层为空气层。
在微带天线中介质板的介电常数和损耗对整个天线的增益和损耗的影响很大，是一个必须要考虑的要求。
由于空气的介电常数低，损耗小，不仅减小了损耗，提高了增益，拓宽了带宽，而且在一定程度上降低了工程中对优良介质板的要求。
关键字：ANSYS HFSS软件；微带天线；辐射增益；有限元法Abstract:This article through the analysis the requirements of wi-fi technology technical in practical application, including the antenna gain, radiation direction, the engineering actual situation and other factors. Basic model is established by ANSYS HFSS software electromagnetic field finite element method (FEM) simulation analysis and optimization, eventually adopt double-layer microstrip array structure, top material to Rogers TMM (4) of medium plate, the bottom as the air layer. Dielectric constant and loss of medium plate in the microstrip antenna affect the whole antenna gain and loss is very evident, is a must to consider requirements. Due to the dielectric constant is low and the air loss is small, not only reduced the loss, improve the gain, broaden the bandwidth, and to a certain extent, reduces the demand for excellent medium plate in engineering.Key words: ANSYS HFSS；microstrip antenna；antenna gain；finite element method (FEM)引言近代以来移动通信技术迅猛发展，并且越来越普及，Wi-fi技术是现代无线通信技术的重要组成部分。
微带天线由于其剖面低，方向性好，制作可行性高，成本低，可贴合于物体表面以及容易组阵等特点，受到了很广范的青睐；因此Wi-fi技术和微带天线技术是近年来研究的热点。
ANSYS HFSS软件是ANSYS公司推出的基于自适应网格剖分技术的三维电磁场仿真软件。
是目前高频设计的主要设计和分析工具，在射频产品研制过程中正日益发挥着越来越重要的作用。
应用HFSS软件设计天线可以自动的得到各种天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图等。
使用ANSYS HFSS可以计算[1]：1）将结构划分为有限元网格（自适应网格剖分）；2）在每一个激励端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式；3）假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式；4）由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵。
协同其他ANSYS系列的仿真软件例如Ansoft Designer可以设计各种有源和无源的器件。
ANSYS HFSS是目前微波工程设计的主流软件。
如何更好地学习和利用ANSYS HFSS软件技术，从而充分发挥软件的效率，减小工程设计的劳动程度，提高工程设计效率是目前我们所要解决的主要问题。
1天线模型的计算和分析1.1天线辐射元的设计用传输线模式法来分析微带天线的辐射原理，设辐射元的长为L,宽为W，介质基片的厚度为h，现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线在传输线的两端断开形成开路，由于基片厚度h ＜＜λ，场沿h方向均匀分布，在宽度W方向没有变化，而仅在长度L方向上有变化，在两个开路端，电场均可以分解为垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反因而反相而相抵消，两水平分量所产生的分量方向产生的远区场相同而同相叠加。
微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列[2]。
宽度W 由下式近似取得[3]120122r c W f ε-+⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式1-1长度L 由下式近似取得[3] 121111222r r e h w εεε-+-⎛⎫++ ⎪⎝⎭= 式1-2()()()()0.3/0.2640.4120.258/0.8e e W h L W h εε++∆=-+ 式1-30222e L L L L L λ∆∆-∆== 式1-4通过计算和ANSYS HFSS 软件仿真得到单个辐射元的模型和辐射元上的电场分布图如图1-1所示图1-1 单个辐射元的模型及电场分布1.2匹配网络的设计本例当中需要用一个3dB 的等分功分器来连接两个辐射元和外部激励。
功分器为一个三端口网络，如图1-2所示，设输入端电阻为Z1，两个输出端的电阻为Z2和Z3，因为是等分功分器结构是对称的，所以Z2和Z3相等，为使端口１和端口２、３之间无反射，根据传输线原理，应使R2=21Z Zin ⨯及R3=32Z Zin ⨯，为了不发生反射所以Zin1∥Zin2=Z1[4]。
在微带线中不同的线宽对应着的不同的阻抗，根据上述换算关系在ANSYS HFSS 上建立了３维模型，通过ANSYS HFSS 对三端口散射参数的计算优化确定了功分器的外型尺寸。
图1-2 功分器原理示意图图1-3 基于ANSYS HFSS的功分器建模1.3天线整体的设计有了辐射元和匹配网络的设计，对于整体而言就是二者的结合，结合实际要求，通过利用ANSYS HFSS 软件进行一系列的仿真优化，最后选取了用双层微带阵列的结构。
图1-4 优化后的天线模型及辐射元电场分布2 天线模型的优化结果分析在天线设计的指标中，辐射方向、工作带宽、辐射增益、电压驻波比VSWR以及输入端口的行波反射系数S11是必须考虑的几个重要方面。
ANSYS HFSS软件基于自适应网格剖分技术，用户可以很方便的设置材料类型、边界条件和物理尺寸对任意的三维模型进行全波分析求解，进行求解分析。
ANSYS HFSS 软件可以计算出各种主要的天线设计参数。
2.1天线增益参数的分析天线的辐射方向和增益可以表征天线辐射能量的集束能力和天线从传输线获得的输入功率转化成辐射功率的效率，不仅关系到电磁波传输的方向范围和距离范围，而且关系到天线的发射能力和接收灵敏度。
在微带天线中影响天增益的因素包括以下几个方面1 介质基板的损耗大小；2 天线辐射的表面波损耗；3 方向性的强弱；4 匹配网络和输入端的匹配情况；5 天线结构的导体损耗。
图1-1所示结构一为单个辐射元，其介质为材料为Rogers TMM(4)，相对介电常数为4.5，损耗正切0.002；图1-4所示结构二为二元天线阵列，相对于结构一有两点不同，一是采用了组阵的方式增强了方向性，增加了发射方向上的增益。
二是增加了空气介质层，空气的损耗正切几乎为0，减小了天线的损耗，也可以增加增益。
通过图2-1和图2-2的对比验证了以上两点。
图2-1 单层一元天线增益图图2-2 双层阵列天线增益图图2-3 单层一元天线二维方向图图2-4双层阵列天线二维方向图如图2-1和图2-3所示，单层一元天线水平波瓣宽度100度，垂直波瓣宽度95度，增益7.5dB。
而图2-2和图2-4所示，双层阵列天线水平波瓣宽度90度，垂直波瓣宽度35度，增益11.2dB。
优化的效果还是比较显著的。
2.2天线反射参数的分析在微波电路中，电压和电流由于高频特性的原因已经不能描述电路的特点，并且难以测量。
为了表征微波电路的特性需要用能在微波频率下直接测量的散射参数[5]。
也简称S参数，具体到天线领域，由于只需要研究输入端口的情况，只需要散射参数的一种，就是S11参数，表示的是输入端口的反射和入射的比值。
普通意义上的S11和电压驻波比VSWR是可以相互换算的，也就是说有时候S11和电压驻波比VSWR只需要观察一种就可以了，本文选择观察S11.。
通常S11在实际意义上不仅可以表示输入功率的利用率，而且还可以根据不同频率下的S11观察元件的工作带宽。
S11越小功率的利用率越大，一般取S11在-15dB以下。
本例中的微带天线是一种谐振天线，一般只能工作在谐振频率附近，频带比较窄。
为了实际的需要，拓宽微带天线的带宽的研究是当今的一个发展方向。
一般情况下介质板的厚度和介电常数是影响微带天线工作带宽的主要因素。
本文通过增加使用空气介质层从而加大介质厚度，对工作带宽的拓宽起到了很好地效果。
图2-3 单层一元天线S11参数图2-4 双层阵列天线S11参数经过ANSYS HFSS软件对天线的S11进行求解，自动得出了S11的曲线图，进而进行一定的改进和优化，如图2-3所示单层一元天线S11小于-15dB以下的带宽在20M左右。
而图2-4所示是改进后的双层阵列天线S11小于-15dB以下的带宽已经接近了100M。
已经完全可以满足Wi-fi天线的对带宽的实际要求。
3 结束语经过对比改进前后两种结构天线的基于ANSYS HFSS软件有限元法的计算结果，可以发现通过使用空气介质层和阻阵的方法对于改善天线增益和拓宽频率带宽的优势是非常明显的。
而且空气介质层可以更加方便于实际的调试，本文提出的双层阵列天线具有很大的实用价值。
利用ANSYS HFSS进行仿真设计可以在基于计算机的情况下就可以对设计的结果进行分析和优化，并且ANSYS HFSS软件自带的计算功能可以大大降低了设计难度。
可以降低设计成本，缩短设计周期。
参考文献[1] 谢拥军.HFSS原理与工程应用[M].北京:科学出版社2009[2] 王增和. 天线与电波传播[M]. 北京:机械工业出版社,2005.[3] I.J.鲍尔. 微带天线[M]. 北京: 电子工业出版社, 1985.[4] 刘学观,郭辉萍. 微波技术与天线[M] . 西安:西安电子科技大学出版社,2004.[5] 廖承恩.微波技术基础[M] .西安:西安电子科技大学出版社,2003 .278。