基于HFSS的4_24微带阵列天线的研究与设计_惠鹏飞
基于HFSS的4×24微带阵列天线的研究与设计
第５期基于ＨＦＳＳ的４×２４微带阵列天线的研究与设计３ＨＦＳＳ仿真设计结果及分析３．１ＨＦＳＳ仿真设计平台ＨＦＳＳ是Ａｎｓｏｆｔ公司推出的ｊ维电磁仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的ｉ维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。
ＨＦＳＳ软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场３Ｄ图和３ｄＢ带宽。
绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ｌｕｄｗｉｇ第三定义场分量和轴比。
使用ＨＦＳＳ可以计算：（１）基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；（２）端口特征阻抗和传输常数；（３）Ｓ参数和相应端口阻抗的归一化ｓ参数；（４）结构的本征模或谐振解。
而且，由ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ和ＡｎｓｏｆｔＤｅｓｉｇｎｅｒ构成的Ａｎｓｏｆｔ高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。
ｈｎｍ（ａ）矩形微带贴片模型（”２Ｘ４子阵形式图２插槽型微带贴片与子阵天线结构图３＿２阵列天线的整体仿真利用ＨＦＳＳ进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初值、运行仿真、参数调整优化等步骤。
在进行计算机建模之前，需要经过详细的理论分析过程，利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据，理论分析大体经历分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。
利用ＨＦＳＳ软件对由ＲＣＬ馈电网络的２Ｘ４微带子阵进行了仿真，建立的互维物理模型如图３所示，通过数据后处理就可以得出全向电场方向图和全向增益方向图，分别如图４和图５所示。
按照阵列天线方向图叠加原理和模块化的设计方法，可以得出４×２４结构微带阵列天线的整体Ｅ面和Ｈ面方向图，如图６所示。
通过２ｘ４微带子阵的全向电场方向图和全向增益方向图可知，天线最大估计电场强度为５．５Ｖ，天线最大估计增益为４ｄＢ。
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的小型宽带微带天线的研究与设计
图 3 贴片天线 H FSS 物理模型
h1 = 110mm、h2 = 115mm、fx = 7mm、fy = 4mm。 图 4为优化后的天线的驻波比。
图 4 优化后的驻波比曲线
由图 4可见在 2. 365~ 2. 490GH z频段内天线 的 VSWR< 2, 其 VSWR < 2的带宽约为 130MH z, 完全包含 ISM 2. 4G频段。
( School of Comm un ication and E lectron ic Eng ineering, Q iqih ar U n iversity, Q iq ihar 161006, Ch in a)
A bstract: T o study the m ob ile antenna o f m ultiple input and mu ltiple outpu,t and to satisfy the dem and for its sm all size and low- cast side, a tw o-t ier broadband rectangu lar antenna is designed, wh ich uses short film s to reduce its size. By using HFSS sim u lation , a physical m odel o f an tenna is set up, and som e specia l curves re lated to pattern, VSWR and ax ia l rat io are obtained, the param eters of antenna are opt im ized. T he antenna designed in th isw ay has advantages w ith sm a ll size, broadband and low-cast side. It can be used as w ireless LAN m ob ile term inal antenna w ith h igh value o f application in eng ineering. K ey words: m obile term ina;l m icrostrip antenna; H FSS sim ulat ion; w ire less LAN
基于HFSS仿真的设计型天线实验的研究
基于HFSS仿真的设计型天线实验的研究作者：程春霞孙文方苏博来源：《教育教学论坛》2018年第23期摘要：基于HFSS（High Frequency Structure Simulator）仿真软件设计了微带天线的仿真设计实验，通过合理的设计实验实施过程，有效地避免了实验实施过程中相互抄袭的问题，培养了学生独立研究的能力，提升了实验教学的效果。
通过仿真设计型实验不仅加深了学生对相关基础知识的认识，而且使学生熟悉了常用射频、天线工程设计软件，增加了学生工作和深造的竞争力。
关键词：HFSS；设计型；实验研究；天线中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）23-0276-03无线通信、射频识别已经渗透到民用、国防的各个方面，而天线是这些系统中必不可少的设备，因此也就需要了解天线结构和原理并能将其应用于具体的工程。
天线理论的基础是电磁场理论，其数值求解过程非常复杂，同时它又与工程联系紧密，必须配合必要的实验教学才能培养出兼具理论知识和工程实践能力的人才。
由于传统的天线实验所需的设备昂贵，而且对实验环境的要求较高，因此大多数高校的天线实验是测量天线特性的验证型实验[1，2]，而在研发设计领域，电磁仿真软件HFSS、CST、Microwave office等已成为重要的设计工具，为了满足工程设计的需求，很多高校开设了天线的仿真实验[3-9]。
HFSS是使用较早而且用户较多的一款全波三维电磁仿真软件，该软件的仿真模型可以直接导出加工，可以计算天线的回波损耗、驻波比、远场辐射方向图、输入阻抗等参数[10]。
本文利用HFSS软件进行天线的实验教学，通过合理的设计实验来避免仿真实验中学生相互抄袭，加强对学生实验过程的考核，使每一位学生通过实验都能加深对基础知识的理解、熟悉常用工程设计软件，提高实验教学的效果。
一、实验内容的设计设计型实验由教师提出微带天线的设计指标，学生根据指标完成从理论设计到仿真调试的过程。
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。
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4×24微带阵列天线的研究与设计
电结构的多元矩形微带 阵列 天线 。在ＨＦ Ｓ 真设计环境里 对天线进行 了物理建模 ，该微带阵列天线的方向图特性 Ｓ仿
良好 ，工 程 上 实 现 比较 方 便 。 关 键 词 ：微 带 阵列 天 线 ；模 块 化 设 计 ；Ｈ Ｓ 真 ；物 理 建 模 ；方 向图 Ｆ Ｓ仿 中图 分 类 号 ：Ｔ ８ ０１ Ｎ ２． 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０ ～ ８Ｘ（ １）５ ０ ０ — ４ ０ ７ ９ ４ ２ ００ — ０ ９ ０ ０
・
１ ０・
齐 齐 哈 尔 大 学 学 报
２１ ０ ０锭
激励 时 ，可 以采用 微带线馈 电和 同轴 线馈 电两种方案 。
当采用微带线 对 阵列天线 进行 馈 电时 ，微 带线和金 属辐射 贴片 在 同一 平面 内 ，在 工程加 工时带来 许多 方便 ，制作 简单且成 本低廉 。但 微带馈 线本身 会产生 辐射损耗 ，这种 附加 的损耗 会对 天线方 向性参数产生
Ｅ Ｏ ）厂 ）ｓ ｏ ） （ ， ＿ （ ， ・（ ，
式 中 ， ｆ Ｏ ） 阵 元 的方 向性 函数 ， ｓｏ ） 平面 阵 的 阵方 向性 函数 。平 面阵 因子 是两 个线 阵 因子 （， 为 （， 为
的乘 积 ，可 以利用 线 阵方 向性分 析 的结 论来 分 析平 面 阵列 的方 向性 。 １ ． 馈 电网络及 损耗 分析 ２ 天 线 只有 承载 高频 电 流才能 有 电磁 波辐 射 ，馈 线 指将 高频 交流 电能从 电路 的某一 段传 送 到另一段 所用 的设备 ，对 天线 的馈 电包 括对 单 元天 线 的馈 电和 阵列天 线 的馈 电两种 形 式 。当利 用传 输线对 阵列 结构进 行
以阵列 的中心为 坐标原 点 ，天线 在 轴 方 向和 ｙ轴方 向的单元 编号分 别 用 ｍ 和 表 示 。以原 点天线 单元为 相 位参 考点 ，为 了简 化 分 析 ，假设 阵列 中各 单元 间互 耦 影 响 可 以忽 略 不 计 ，各 单 元 激励 电 流为
24GHz微带阵列天线设计
• 194•24GHz微带阵列天线设计广东工贸职业技术学院 浙江大学深圳研究院 钟催林浙江大学深圳研究院 李振林广东工贸职业技术学院 曾洁琼【摘要】本文首先采用传输线法和腔模理论对矩形微带天线进行分析；针对设计指标详细讨论了各种因素对微带贴片天线性能的影响并完成了微带贴片天线阵元的设计方案。
最后 成功制作了矩形微带天线和矩形微带天线阵元 并将Ansoft HFSS的模拟结果与实测值进行比较得到了工程中厚基片天线制作的一些经验。
【关键词】阵列；天线；微带1.微带天线的设计微带天线的工作原理与设计：由于对于大多数工程应用来说，分析设计微带天线，一般利用简单的传输线模型和空腔模型。
因此本设计，可以先依据传输线模型和空腔模型给出的计算公式以及工程经验公式算出一个天线单元的基本参数。
一些相关的经验公式如下：(1)(2)(3)(4)式中L 为天线的长度，W 为天线的宽，c 为光在真空中的速度，εe 为天线基板的等效介电常数，εr 为基板介电常数。
依据上述公式得出天线单元的相关参数后，我们可以使用高频电磁数值仿真软件(本设计使用的是基于有限元法的HESS 软件)和微波电路设计软件（本设计采用基于矩量法的ADS 软件）对结果进行验证优化。
此设计中，介质基片我们选取的是Tconic RF-35，相对介电常数为3.5，基片厚度为0.5mm 。
由于采用小的介电常数可以减小谐振腔中储存的电磁能量，从而降低Q 值，展宽带宽。
另外，基片厚度太厚的话会激励起多的表面波模式，会降低需要方向的辐射，并且改变方向性。
所以一般毫米波段微带天线都会选取低介电常数的薄介质基片。
2.天线单元设计天线单元设计如图1所示。
天线单元采用微带馈电的方式，其中天线的宽W 和长L 可以根据前面所述的经验公式初步计算。
另外天线设计的输入阻抗也要合理，一般不能太大也不能太小：太大，为了阻抗匹配，馈电微带线的阻抗也要大，微带馈线的宽带就会过小，这会给加工精度带来困难；过小，馈电微带线宽度会较大，馈线引入的耗散将会加大，另外也不利于整个阵列的阻抗匹配。
基于HFSS的圆极化微带天线的设计和仿真
基于HFSS的圆极化微带天线的设计和仿真李登丰【摘要】This design of a circularly polarized microstrip antenna,using slotted surface of the ways to further reduce the antenna size and improve the overall performance of the antenna,high dielectric constant of dielectric substrate materials,by selecting the appropriate feed location and notching work to achieve circular polarization,the antenna using HFSS software for electromagnetic simulation and physical modeling,optimizing the parameters of the antenna,obtained VSWR,gain,axial ratio and other simulation curve.Simulation results show that the antenna gain and pattern characteristics of a good,significantly reduced the size of the antenna to meet the project needs.%设计了一种圆极化微带天线,采用表面开槽的方法来减小天线的尺寸和提高天线的整体性能,介质基板采用高介电常数的材料,通过选择适当的馈电位置和切角实现圆极化工作方式,利用HFSS软件对天线进行了电磁仿真和物理建模,优化了天线的各项参数,得出了驻波比、增益、轴比等仿真曲线。
基于HFSS的微带天线线阵仿真
基于HFSS的微带天线线阵仿真本文将介绍基于HFSS（High Frequency Simulation Software）的微带天线线阵仿真。
我们将确定文章类型为议论文，围绕HFSS技术和微带天线线阵仿真展开论述。
在无线通信领域，微带天线作为一种常见的天线类型，具有体积小、易于集成、易于共形等特点，被广泛应用于各种无线设备中。
为了优化微带天线的性能，常常需要对天线进行仿真和设计。
其中，HFSS是一款广泛使用的三维电磁仿真软件，可以用于微带天线的设计和仿真。
我们来了解一下HFSS的基本原理。
HFSS是一款基于有限元方法的电磁仿真软件，通过建立三维模型，对电磁场进行数值计算和仿真。
使用HFSS进行微带天线线阵仿真时，我们需要建立天线的三维模型，设置材料属性、边界条件和激励源等参数，然后进行计算和后处理。
在微带天线线阵仿真中，选用HFSS技术的原因主要有以下几点。
HFSS 可以精确地模拟电磁场分布和天线性能。
HFSS具有强大的网格划分功能，可以对复杂的微带天线结构进行精确的建模和仿真。
HFSS还提供了丰富的数据处理和可视化工具，方便用户对仿真结果进行分析和优化。
在进行微带天线线阵仿真时，需要注意以下几点。
需要对微带天线线阵的结构进行仔细设计，确保天线的性能符合要求。
在设置材料属性和边界条件时，需要充分考虑天线的实际情况，保证仿真的准确性。
在仿真过程中，需要对计算时间和计算精度进行合理控制，以获得最佳的仿真效果。
通过使用HFSS进行微带天线线阵仿真，我们可以获得以下成果。
我们可以得到天线的辐射特性和阻抗特性等关键性能参数。
我们可以观察到电磁场的分布情况，以及天线在不同频率和不同方向上的性能表现。
我们可以根据仿真结果对天线进行优化设计，提高天线的性能指标，例如增益、波束宽度、交叉极化等。
基于HFSS的微带天线线阵仿真是一种有效的天线设计和优化方法。
通过使用HFSS进行仿真和分析，我们可以快速地获得天线的性能参数和电磁场分布情况，从而更好地理解微带天线的性能和设计要点。
27617977_基于HFSS的微波技术与天线课程教学探索——以桂林理工大学信息科学与工程学院为例
Science&Technology Vision科技视界【摘要】微波技术与天线是电子信息类专业的一门专业基础课,理论性强、抽象概念多,按照传统教学方式直接讲授,会使初学者难以掌握和理解其本质含义,导致教学效果欠佳。
因此,如何形象且准确地将微波与天线的知识讲授给学生是这门课程教学的重要探索方向。
为此,文章将电磁仿真软件HFSS引入微波技术与天线课程教学中,借助HFSS直观界面以及强大功能,将抽象的理论概念以实际模型与形象的图形进行模拟与演示,不仅使学生可以深刻理解相关概念,还使学生明白了理论学习的重要性,提高了学生主动学习的积极性,从而提升教学效果。
【关键词】电磁仿真软件;微波技术与天线;教学效果DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2022.19.190引言微波技术与天线这门课程是通信工程、电子信息工程、电子科学与技术等专业的专业课程之一,也是无线通信从业人员的必修课程。
课程基于电磁场、电磁波理论,内容抽象,理论性强,对学生的物理、数学类基础有较高的要求,理解起来较为困难[1,2]。
同时天线的种类较多,如振子天线、天线阵、面天线等,各种天线的特性及应用情况都有所不同。
因此,如何让学生更容易理解和吸收微波技术理论和电磁波传输过程和特性具有非常重要的意义。
桂林理工大学信息科学与工程学院的微波技术与天线课程分为理论教学部分和实验教学部分。
通常理论教学部分采用较为传统的教学方式,对于电磁场和电磁波的理论知识,进行详细的推导讲解,学生难以完全接受掌握,学习兴趣不高,导致课堂教学效果不佳。
在实验教学部分,由于电磁波不可见、难以直接进行测量,且微波测量设备价格昂贵,容易损坏,无法从实物实验中增加学生对微波及天线的感性认识,从而也增加了课程的学习难度。
随着计算机技术的快速发展,利用电磁仿真软件对微波器件进行建模仿真,对天线辐射和电波传播过程进行模拟仿真变得越来越方便。
因此将电磁仿真软件应用到微波技术与天线的课程教学中,借助电磁仿真软件将抽象的概念可视化,让学生对电磁波的传播过程、天线的设计和辐射有更直观的认识,从而加强学生对微波器件和天线特性相关知识的理解,提高学生的工程实践和应用能力。
基于HFSS的天线设计
图1：微带天线的结构一、 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 e g 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。
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第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。
在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性良好，工程上实现比较方便。
关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1]。
微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。
微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。
利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。
本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。
1 微带阵列及馈电网络损耗分析1.1 微带阵列理论微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。
首先分析平面微带阵列天线的激励电流与电场分布情况，无论是线天线还是面天线，其辐射源都是高频电流源，天线系统将高频电流源的能量转换成电磁波的形式发射出去，讨论电流源的辐射场是分析天线的基础。
假设由若干相同的微带天线元组成的平面阵结构，建立三维坐标系分析阵列天线的场量分布情况。
以阵列的中心为坐标原点，天线在x 轴方向和y 轴方向的单元编号分别用m 和n 表示。
以原点天线单元为相位参考点，为了简化分析，假设阵列中各单元间互耦影响可以忽略不计，各单元激励电流为j()e xs ys m n mn I ψψ−+，天线阵在远区的辐射总场(,)E θϕ为()(,)(,)E f S θϕθϕθϕ⋅,=式中，(,)f θϕ为阵元的方向性函数，(,)S θϕ为平面阵的阵方向性函数。
平面阵因子是两个线阵因子的乘积，可以利用线阵方向性分析的结论来分析平面阵列的方向性。
1.2 馈电网络及损耗分析天线只有承载高频电流才能有电磁波辐射，馈线指将高频交流电能从电路的某一段传送到另一段所用 的设备，对天线的馈电包括对单元天线的馈电和阵列天线的馈电两种形式。
当利用传输线对阵列结构进行收稿日期：2010-06-06基金项目：齐齐哈尔市科技局工业攻关项目（GYGG-09011-2）作者简介：惠鹏飞（1980-）,男，辽宁凌源人，讲师，硕士，主要从事雷达极化信息处理的研究，weibo505@。
·10· 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2010年 激励时，可以采用微带线馈电和同轴线馈电两种方案。
当采用微带线对阵列天线进行馈电时，微带线和金属辐射贴片在同一平面内，在工程加工时带来许多方便，制作简单且成本低廉。
但微带馈线本身会产生辐射损耗，这种附加的损耗会对天线方向性参数产生不利影响，天线增益也会随之降低。
因此，通常要求微带线的线宽w 尽可能的窄，即w λ ，λ是电磁波的工作波长。
除此之外，天线的特性阻抗c Z 要高或者介质基片的厚度h 要小，介电常数r ε要尽可能的大。
恰当选择馈电点的位置可以实现天线的输入阻抗和馈线特性阻抗的匹配，如果将馈电点的位置沿着矩形贴片的两条边移动时，阵列天线的谐振电阻会发生变化[4]。
对于同轴馈电方式，馈源的模型可以表示为z 向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环，如果进行简化处理，可以忽略磁流环的作用，并且可以利用中心位于圆柱中心轴的电流片等效电流柱。
如果设计精度要求高，可以把接地板上的同轴开口作为TEM 波的激励源，而把圆柱探针的效应作为边界条件处理。
同轴馈电方式具有很多优势，首先，馈电点的位置可以在贴片内的任何位置进行选取，便于实现匹配。
其次，接地板和同轴电缆下方，可以有效地避免电缆对天线辐射的影响。
2 阵列天线的结构分析与设计2.1 设计指标及结构分析天线阵设计指标如下：天线结构为4×24，C 波段，工作频带MHz 300±f ，垂直线极化，H 面3 dB 宽度3≥D ，E 面3dB 宽度20≥D ，水平面副瓣电平20dB ≤−，垂直面副瓣电平15dB ≤−，天线增益26dB G ≥。
根据上述设计指标，结合天线工程领域的设计计算公式，我们可以采用模块化的设计方法实现4×24结构的大型微带阵列天线。
如果采用并联馈电形式的微带阵列天线，则由12个2×4结构的小型微带天线子阵可以组成4×24结构的大型微带阵列。
在水平方向上可以安排6个微带子阵，在垂直方向上可以安排2个微带子阵，则馈电网络采用2×6的同轴馈电结构，馈电网络的结构分布如图1所示。
图1 RCL 馈电网络系统框图2.2 2×4微带子阵天线的设计在设计微带阵列天线时，首先应该决定天线单元的结构形式，采用贴片式微带天线单元。
贴片式微带天线单元按照工作原理可以分为谐振式和行波式。
谐振式（也称驻波式）贴片微带天线作为阵元具有诸多优势，单元本身具有一定的方向性，效率较高，一般在90%以上，半功率波束宽度大致在80o ～100o之间。
贴片单元的结构采用插槽结构实现，贴片的长度L 、宽度W 由阻抗匹配和单元天线的谐振频率f 0决定，谐振频率f 0和谐振阻抗的改变可以通过调节插入宽度s 和插入深度N 来实现。
对于2×4结构的串并馈驻波子阵天线，可以采用上下排列方式，贴片的开槽和子阵天线的结构分布如图2所示。
各贴片单元尺寸相同，馈电点位置为贴片窄边的中心。
为了将馈线拐角对单元的影响降到最低，可以采用调节L 1来实现。
仿真二元子阵确定dH 使两单元保持同相，调节w 1达到匹配。
通过四元线阵的仿真调节T 型分支的L 2、w 2使频率为0f 时反射最小，两个四元线阵之间按电流幅比为0.7﹕1进行加权段设计。
下子阵与上子阵单元形式相同，但下子阵两个四元线阵之间对应的加权段按1﹕0.7设计，与上子阵的加权段构成镜像关系。
第5期基于HFSS的4×24微带阵列天线的研究与设计 ·11·3 HFSS仿真设计结果及分析3.1 HFSS仿真设计平台HFSS是Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。
HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽。
绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。
使用HFSS可以计算：（1）基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；（2）端口特征阻抗和传输常数；（3）S参数和相应端口阻抗的归一化S参数；（4）结构的本征模或谐振解。
而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。
图2 插槽型微带贴片与子阵天线结构图3.2 阵列天线的整体仿真利用HFSS进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初值、运行仿真、参数调整优化等步骤。
在进行计算机建模之前，需要经过详细的理论分析过程，利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据，理论分析大体经历分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。
利用HFSS软件对由RCL馈电网络的2×4微带子阵进行了仿真，建立的三维物理模型如图3所示，通过数据后处理就可以得出全向电场方向图和全向增益方向图，分别如图4和图5所示。
按照阵列天线方向图叠加原理和模块化的设计方法，可以得出4×24结构微带阵列天线的整体E面和H面方向图，如图6所示。
通过2×4微带子阵的全向电场方向图和全向增益方向图可知，天线最大估计电场强度为5.5 V，天线最大估计增益为4 dB。
从微带阵列天线的整体E面和H面方向图来看，H面副瓣为-20.2 dB，3 dB宽度为3.7D；E面副瓣为-16.1 dB，3 dB宽度为20.7D，满足工程上的设计要求。
图3 2×4微带子阵列物理模型 图4 天线全向电场方向图·12· 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 2010年图5 天线全向增益方向图 图6 整体结构E面和H面方向图4 结束语本文利用电磁场EDA设计软件HFSS对微带阵列天线进行了研究和设计，分析了微带线馈电方式和同轴线馈电方式馈线传输损耗及其对天线方向图的影响，设计了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。
首先在HFSS程序设计环境里构建了2×4微带天线子阵的物理模型，得出了全向增益方向图等特性曲线。
利用模块化的设计思想和方向图叠加原理构建了4×24结构的大型微带阵列天线，仿真结果表明，该阵列天线的各项参数指标满足工程设计要求，设计思想得到了很好的验证。
参考文献[1]宋小弟，冯恩信，傅君眉. 一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现[J]，西安电子科技大学学报：自然科学版，2009，36(6)：1108-1112.[2] 梁仙灵，钟顺时，汪伟. 高隔离度双极化微带天线直线阵的设计[J]. 电子学报，2005，33（3）：553-555.[3] 王亚洲，苏东林，肖永轩，等. 宽频带正方形微带贴片天线的设计[J]. 微波学报，2006，22（1）：29-31.[4] 宋顺斓，郑会利. 一种新型的全向宽频带微带阵列天线[J]. 空间电子技术，2007，1（4）：60-66.The research and design of 4×24 microstrip array antenna by HFSSHUI Peng-fei，XIA Ying，ZHOU Xi-quan，TAO Bai-rui，MIAO Feng-juan(School of Communication and Electronic Engineering, Qiqihar University,Heilongjiang Qiqihar 161006，China)Abstract: Microstrip array antenna fed by a microstrip feed line and coaxial feed in two ways, this paper HFSS software array antenna has been studied, analyzed the way two fed the antenna transmission loss and pattern of using the modular design method to achieve a coaxial feed structure based on multi-rectangular microstrip antenna array. In the HFSS simulation design environment, the physical modeling of the antenna, the microstrip array antenna pattern characteristics of good works to achieve more convenient.Key words: microstrip antenna array; modular design; HFSS simulation; physical modeling; pattern。