利用HFSS设计平面等角螺旋天线概要
平面螺旋天线及宽带匹配网络的设计和仿真
平面螺旋天线及宽带匹配网络的设计和仿真徐 琰 张漠杰（上海航天局第八○二研究所 上海200090）摘要：本文介绍了阿基米德平面螺旋天线及微带渐变线阻抗变换器的原理和设计方法，运用以有限元法为原理的专业软件Ansoft HFSS 对该天线及宽带匹配网络进行仿真，并与测量结果进行比较，仿真结果与测量结果吻合。
关键词： 阿基米德平面螺旋天线 渐变线阻抗匹配 平衡馈电一、 平面螺旋天线1.1 阿基米德平面螺旋天线为了满足灵活性和通用性，常常要求天线能以令人满意的方向图、阻抗和极化特性工作于很宽的频带范围内。
线性振子天线的频带是很窄的，增加振子直径只能稍微展宽一些频带，一般很少能大于所设计的中心频率的百分之几。
天线的增益、方向图、输入阻抗等电特性参数在一个较宽的频带内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。
一般情况下，天线的性能参数是随频率变化的。
有一类天线，其几何形状完全由角度规定，性能与频率无关，这类天线称为非频变天线。
典型的天线有等角螺旋天线。
阿基米德平面螺旋天线不是一个真正意义上的非频变天线，但它也可以在很宽的频带内工作。
因为它不能满足截断要求，电流在工作区后并不明显的减小，螺旋天线被截断后方向图必受影响，因此必须在末端加载而避免波的反射。
阿基米德螺旋的半径随角度的变化均匀的增加，方程为φρρa +=0式中0ρ是起始半径，为螺旋增长率。
a本文设计的是双臂的阿基米德平面螺旋天线（如图1），两臂方程分别为φρρa +=011和)(022πφρρ++=a 。
用印刷电路技术来制造这种天线，使金属螺旋的宽度等于两条螺旋间的间隔宽度，形成自互补天线。
臂的宽度为：20102πρρa W =−=对于一个自互补天线结构，由巴比涅—布克（Babinet －Booker ）原理可求得，具有两个臂的无限大结构的输入阻抗为188.5欧。
图1 阿基米德平面螺旋天线在螺旋的周长为一个波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。
HFSS天线设计流程
HFSS天线设计流程
新建工程 设置求解类型 创建天线的结构模型 设置边界条件 设置激励方式 设置求解参数
• 包括设定求解频率和扫频参数 运行求解分析 数据后处理，查看求解结果
Optimetrics优化设计
1. 新建工程设计文件
Tools > Options > General Options
WIFI 天 线 和 射 频 电 路 设 计 培 训
HFSS天线设计概述
HFSS简介
HFSS是美国Ansoft 公司开发的全波三维电磁仿真软件，其全称为High Frequency Structure Simulator；该软件 采用有限元法，计算结果准确可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准
本征模求解—— Eigenmode • 主要用于腔体的谐振问题分析，计算谐振频率和谐振频率处对应的场分布等
瞬态求解器——Transient • 时域求解器，主要用于分析脉冲激励、TDR等
3. 天线结构建模
HFSS中创建天线结构模型 • HFSS中自带物体建模功能，支持创建各种复杂的物体 模型 • 同时还支持创建参数化的物体模型
• 射频和微波无源器件设计 • 天线、天线阵列设计 • 高速数字信号究和RCS仿真 • 计算SAR • 光电器件仿真设计
HFSS天线设计流程
新建工程 求解类型 天线结构建模 边界条件 激励方式
HFSS
天线设计 流程概述
求解和扫频设置 运行求解分析 数据后处理 参数扫描分析 优化设计
• 理想导体边界 • 有限导体边界 • 辐射边界 • 理想匹配层
4. 设置边界条件—天线设计中常用边界条件(1)
理想导体边界——Perfect E • 这种边界条件的电场矢量（E-Field）垂直于物体表面。 • HFSS中，有两种边界被自动设为理想导体边界条件: 任何与背景相关联的物体表面以 及材质为理想电导体（pec）的物体表面都会被自动设置为理想导体边界。 • 设计中，为了降低模型的复杂度，经常通过给物体表面分配理想导体边界条件的方式来 实现理想导体面。
利用HFSS设计平面等角螺旋天线
利用HFSS设计平面等角螺旋天线HFSS（高频结构模拟器）是一种电磁场仿真软件，广泛应用于无线通信、射频电子、天线设计等领域。
在设计平面等角螺旋天线时，可以使用HFSS来进行仿真、优化和分析。
下面将介绍利用HFSS设计平面等角螺旋天线的步骤和注意事项。
1.定义天线的几何结构：在HFSS中，首先需要定义天线的几何形状。
对于平面等角螺旋天线，可以使用直线段和弧段来描述螺旋的几何结构。
可以选择合适的参数，如螺旋半径、线宽和线距等，来定义螺旋天线的几何形状。
2. 设置边界条件和材料属性：在进行仿真之前，需要设置适当的边界条件和材料属性。
对于平面等角螺旋天线，一般使用PEC（Perfect Electric Conductor）作为边界条件，以确保电磁波在螺旋天线表面的反射和吸收很小。
此外，还需要为天线材料设置合适的电磁参数，如相对介电常数和损耗正切等。
3.设定频率范围和场激励：在HFSS中，可以设置所需的频率范围和场激励方式。
一般来说，平面等角螺旋天线用于宽频工作，因此可以选择一个合理的工作频率范围。
对于激励方式，可以选择点源激励，即在螺旋天线的发射端施加一个适当的电流源。
4. 进行电磁波分析：在设置好几何结构、边界条件、材料属性、频率范围和场激励之后，可以进行电磁波分析。
HFSS使用有限元方法来求解Maxwell方程组，得到电磁场分布、辐射特性等结果。
5.优化和调整参数：根据仿真结果，可以对平面等角螺旋天线的几何参数进行优化和调整。
例如，可以改变螺旋半径、线宽和线距，以优化天线的电磁性能，如增益、辐射方向性等。
6.分析和评估性能：经过优化和调整之后，可以再次进行电磁波分析，得到优化后的天线性能。
可以对比不同参数设置下的性能，如频率响应、辐射图案等，进行评估和选择最佳设计。
在设计平面等角螺旋天线时1.准确地定义几何参数：几何参数的准确定义对于仿真结果的准确性至关重要。
要仔细测量几何参数，并正确输入到HFSS中。
HFSS天线设计
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
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：
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
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。
请在HFSS中构建以下图形
一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计
一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计一种平面等角螺旋天线及其巴伦的设计夏成刚（华南理工大学电子与信息学院）摘要：本文设计了一种双臂平面等角螺旋天线，工作频率0.4-2GHz。
根据天线的平衡结构和宽带特性，设计了一种微带梯形结构的巴伦，以便采用50Ω同轴电缆馈电。
仿真计算结果显示天线及巴伦具有良好的圆极化及宽带特性。
关键词：螺旋天线；巴伦；设计Design of A Planar Equiangular Spiral Antenna and the Balun XIA cheng-gang（School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology）Abstract: In this paper，We designed a double-armed planar equianguar spiral antenna and fed by 50 ohm coaxial-cable ,it works at 0.4-2GHz.To match the balance structure an the wideband character of the antenna,its balun is microstrip line-parallel wire which is exponentially trapezia type。
Simulator results show that the proposed antenna is of good circular polarization and wideband characteristics.Key words: Spiral Antenna ，Balun，Design1 引言平面等角螺旋天线是一种宽频带天线，具有频带宽、尺寸小、重量轻、加工方便等优点，容易实现圆极化等优点，因而在超宽带及RFID等领域得以广泛应用。
利用HFSS设计平面等角螺旋天线概要
利用HFSS设计平面等角螺旋天线杜起飞北京理工大学电子工程系 100081摘要：本文介绍了一种双臂平面等角螺旋天线的设计过程，利用ANSOFT HFSS 对其结构进行了建模和仿真，工作频率为0.4GHz～3GHz，电压驻波比VSWR<2.0，增益Gain>5.0dB。
关键词：HFSS、等角螺旋天线、宽带匹配1. 引言天线的增益、输入阻抗、方向图等电特性参数在一个较宽的频段内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。
一般情况下，天线性能参数是随频率变化的。
有一类天线，它们的方向图和阻抗在相当宽的频带范围内与频率无关，这就是所谓的非频变天线。
本文所研究的是平面等角螺旋天线，它有很宽的工作频带，具有很好的应用前景，同时也是其它等角螺旋天线研究的基础。
2. 利用HFSS设计平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线在ANSOFT HFSS中的模型如图1所示。
它主要由平面螺旋辐射器、馈电电路板、普通反射腔和异形反射腔四部分组成。
2.1 平面等角螺旋天线图1 平面等角螺旋天线在HFSS中的模型图2 自补形平面等角螺旋天线平面等角螺旋天线如图2所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。
边缘1的方程为边缘1旋转角δρ1=ρ0eaφ，边缘2相对于a(φ−δ)ρ=ρe20，故其方程为。
天线另一臂的边缘应使结构对称，即一臂旋转半圈将于另一臂重合，因而有ρ3=ρ0ea(φ−π)和ρ4=ρ0ea(φ−δ−π)。
图中的结构是自补形，因而δ=π/2。
自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为：⎧ρ1=ρ0eaφ⎪π⎪ρ=ρea(φ−2⎪2 (1) 0⎨a(φ−π)⎪ρ3=ρ0e⎪πa(φ−π−)2⎪⎩ρ4=ρ0e- 74 - Ansoft2004对于自补形结构，方向图的对称性最好。
由于平面等角螺旋天线的表面边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的所有要求。
2.2 馈电电路板由于平面等角螺旋天线是平衡对称结构，其馈电系统也应采用平衡馈电方式。
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
等角螺旋天线
等角螺旋天线仿真分析Abstract:本文基于等角螺旋天线的基本原理，利用电磁让真软件HFSS构建并仿真分析了一个基本的等角螺旋天线。
通过仿真结果，得到了一个频带为442MHz~929MHz，频带内S参数小于-10dB的天线，并分别给出450MHz，670MHz，900MHz处的E、H面方向图。
关于结果的分析也列于最后。
1.引言螺旋天线属于非频变天线，具有可观的带宽比，通常都具有圆极化特性，半功率带宽一般约为70°~90°。
由于螺旋天线具有体积小，宽带宽的特性，因而广泛应用于国防，遥感等方面。
螺旋天线阵列还用于1~18GHz的军用飞行器方面。
2.天线设计本文仿真的等角螺旋天线如图1所示，可由4个公式表示定义每个支臂的内外半径r1=r0e aφ(1)r2=r0e a(φ-δ)(2)r2=r0e a(φ-π)(3)r2=r0e a(φ-π-δ)(4) 式中r0为φ=0时的矢径，a为一个常数，用于控制螺旋的张率。
用式(1)可以建立起图1所示的平面等角螺旋天线。
当δ=π/2时，图1所示的结构是自补的，在这种情况下，方向图对称性最好。
自补天线有如下特性：Z金属=Z空气=η/2=188.5Ω(5) 这就要求在HFSS中仿真的时候馈电对口阻抗大致设为188.5Ω。
等角螺旋天线工作频带的上限f u 由亏点结构决定，最小半径r0在馈电区的周长2πr0=λu=c/f u。
当然，螺旋在该店终止，连接到馈电传输线。
下限频率通过天线整体半径R来限制，使其约为f L的1/4波长。
实验发现半圈到三圈的螺旋对参数a和δ相对来说不敏感。
一圈半的螺旋约为最佳。
本文利用HFSS构建模型，并进行仿真分析。
构建的模型如图2所示。
仿真的天线最终选定参数如下：r0=27.5cm，a=0.27，n=0.92。
图1 平面等角螺旋天线几何模型图2 等角螺旋天线(a)斜视图(b)顶视图(c)侧视图3.仿真分析3.1 S参数图3所示为S参数仿真结果，由图可以看出，从442MHz~929MHz处，S参数都低于-10dB，说明此等角螺旋天线在次带宽内为通带。
螺旋天线的仿真设计微波课设要点
螺旋天线的仿真设计微波课设要点一、背景介绍螺旋天线是一种常用于微波通信和雷达系统中的天线。
它具有频带宽度大、辐射效率高、阻抗匹配良好、天线尺寸小等优点，是目前最为流行的微波天线类型之一。
因此，针对螺旋天线的仿真设计是非常有研究价值的。
在微波课设中，螺旋天线的仿真设计是一个非常重要的环节。
本文将介绍关于螺旋天线仿真设计的一些注意要点，旨在为微波课设中的学生提供帮助和指导。
二、仿真工具的选择对于螺旋天线的仿真设计，目前主要使用的工具有以下几个：1.Ansoft HFSS2.CST Microwave Studio3.FEKO针对这些工具的选择，主要需考虑仿真精度、仿真速度以及使用难度等因素。
以本文为例，我们选择使用 Ansoft HFSS 作为仿真工具。
三、螺旋天线的基本结构螺旋天线具有较为复杂的结构，主要包括螺距、半径、匝数、导线宽度和间距等参数。
其中，螺距和半径是影响天线辐射特性的重要参数。
螺旋天线的形式化表达式为：Z = A * exp(-j * b * p) * cos(p) + A * exp(j * b * p) * sin(p)其中，A 为天线辐射功率，b 为螺距，p 为方位角。
四、天线参数的建模针对螺旋天线的建模，我们可以使用不同的建模方法，如等效电路模型、仿真模型等。
在 Ansoft HFSS 中，我们可以使用 3D 宏模型进行建模。
在建模过程中，需要输入天线参数，并进行优化和调整。
这包括调整半径和螺距等参数，以实现更好的辐射效果和阻抗匹配。
五、天线仿真分析螺旋天线的仿真分析主要包括以下几个方面：1.带宽特性分析2.辐射特性分析3.阻抗匹配分析在分析过程中，需要对仿真结果进行分析和优化，以达到预期的结果。
同时，还需要根据仿真结果进行天线参数调整，使之达到更好的性能。
六、仿真结果分析与优化在仿真分析完成后，需要对仿真结果进行分析和优化。
这包括调整天线参数、优化辐射效果等。
具体来说，我们需要根据分析结果，对螺距和半径等参数进行调整，以实现更好的辐射效果和阻抗匹配。
(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。
画平面螺旋天线
画平面螺旋天线1.首先，画一个平面，以一个圆面为例吧2.然后，点击工具栏Draw/spiral，选择一个轴，这时弹出一个对话框，选择螺旋方向，半径，螺旋圈数3。
点击确定螺旋即可画好，然后在绕z轴旋转180度，可得双臂平面螺旋天线HFSS学习小结已经接触HFSS近两个月了，想用于材料电磁场屏蔽的设计和计算，不知是否可行，now have followed the example _heat sink in the chapter 9.0 _ EMC/EMI in full book 10.0 成功的做出了个结果，现在把看到别人的、自己知道的做一下总结：The main process : building 3D solid modeling; set boundaries and excitations ; analyze the result Before we build the modeling, we should think about what kind of method we use, there are three kinds of solution type: driven model; driven terminal; eigenmode 模式驱动(Driven)------计算以模式为基础的S参数.根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解,波导,天线等用这个模式多终端驱动(Driven Terminal)------计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数。
此时,根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解----微带类用这个比较多! 本征模(Eignemode)-----计算某一结构的本征模式或谐振.本征模解算器可以求出该结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式! Eignemode solver does not use ports and don’t support radiation boundaries. After launching the software, we should set tool options, included HFSS option and 3D modeler option Select the menu itemtool >option we can see those options Software will open a project by default First step is select solution type HFSS>solution type Set the units 3D modeler>units 单位可以在其它状态下改变3D modeler包括了与模型有关的操作和设置Set default material 在set 一次后的情况下其后建立的modeler 都是在此material 下的在default 的情况下history 的列表中按材料的种类进行分类建立模型过程中使用相对坐标会很方便，3D modeler>coordinate system > create> relative CS >Offset , 在建模过程中可能要使用很多相对坐标，在set相对坐标的时候，offset是相对于当前CS的位移，在3D Modeler>coordinate system>set working CS 可以选择使某个坐标为当前工作坐标，在history 的coordinate system 的列表中显示所有的坐标系，当前工作坐标将有个W的标记。
HFSS天线设计流程
2. 设置求解类型
模式驱动求解—— Driven Modal • 以模式为基础计算S参数，根据各模式场的入射功率和反射功率来计算S参数矩阵的解，多数情况都可以使用模式驱动求解类型。
终端驱动求解—— Driven Terminal • 以终端为基础计算多导体传输线端口的S参数；此时，根据传输线终端的电压和电流来计算S参数矩阵的解。eγ1l1Biblioteka ,0,0 [eγl]
=
0,
e
γ
2l2
,0
0,0,
eγ 3l3
[Sdeembed ] = [eγl ][S ][eγl ]
5.设置激励方式——波端口激励（5）
波端口大小
• 波端口四周默认的边界条件是理想导体边界 • 对于波导或同轴线这类横截面闭合的器件，端口截面四周
理想匹配层 VS 辐射边界条件 • 理想匹配层因为能够完全吸收入射的电磁波，零反射，因此计算结果更精确。 • 理想匹配层表面可以距离辐射体更近，差不多λ/8即可，而辐射边界表面和辐射体之间的距离一般需要大于λ/4 • 同一个问题，使用理想匹配层仿真速度要比辐射边界条件慢
4. 设置边界条件—天线设计中常用边界条件(3)
有限导体边界——Finite Conductivity • 实际天线结构的导体部分，通常都是使用良导体，如金属铜。使用有限导体边界，可以 实现把一个平面的边界条件设置为金属铝、金属铜等良导体。
4. 设置边界条件—天线设计中常用边界条件(2)
辐射边界条件——Radiation • 在使用HFSS进行天线设计时，必须定义辐射边界条件或者理想匹配层用以模拟开放的自由空间；设计中只有定义了辐射边 界条件或者理想匹配层之后，软件才会分析计算天线的远区场。 • 辐射边界条件也称为吸收边界条件（Absorbing Boundary Condition，简称ABC），用于模拟开放的自由空间；系统在辐射边界 处吸收了电磁波，本质上可以把边界看成是延伸到空间无限远处。 • 辐射边界条件是自由空间的近似，这种近似的准确程度取决于波的传播方向与辐射边界之间的角度，以及辐射源与边界之间 的距离。辐射边界和辐射物体表面的距离一般不小于λ/4
电缆局部放电宽带平面螺旋天线设计
电缆局部放电宽带平面螺旋天线设计杨浩亮中机国能电力工程有限公司邯郸分公司河北056000摘要:电缆局部放电检测是诊断XLPE电缆早期故障的有效方法。
当电缆发生局部放电时，在超高频段有丰富的频率分量，而宽带平面螺旋天线是检测超高频局部放电信号非常有效的传感器。
利用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对对数螺旋天线和阿基米德螺旋天线进行了仿真和分析，仿真结果表明两种天线在400MHZ～1GHZ有效工作频带内，都具有较高的灵敏度和优越的性能，能够满足各项性能指标的要求。
由于阿基米德螺旋天线具有较小的尺寸，较大的增益和结构简单的优点，并且便于安装使用，被用来检测XLPE电缆局部放电的超高频信号。
关键词：电缆局放平面螺旋天线Ansoft HFSS1. 引言XLPE电缆线路在城市供电电网中占有极其重要的地位。
X LPE 电缆的安全运行对整个电力系统的稳定至关重要，一旦发生故障，将引起所辖地区重大的停电事故，造成较大的经济和社会影响[1]。
而局部放电是电缆绝缘故障早期的主要表现形式，它既是引起绝缘劣化的主要原因之一，又是表征绝缘状况的主要特征量。
对电缆局部放电进行检测是定量分析绝缘劣化程度的有效方法之一[2]。
电缆局部放电检测是诊断XLPE电缆早期故障的有效方法。
局部放电的检测方法主要包括声测法、温度测量法等非电气测量法和差分法、电磁耦合法、电容耦合法、方向耦合传感器及超高频法等电气测量法。
超高频法是近年来发展起来的一项新技术，其原理是利用装设的天线传感器接收由电缆局放陡脉冲所激发并传播的超高频电磁波来检测局放信号。
它的主要优点有：抗低频干扰能力强，能对局放源进行定位，根据所测信号的频谱，可以区分不同的缺陷类型，同时可进行长期现场监测，灵敏度能满足工程要求[3]。
超高频法采用的传感器大致分为内置型和外置型两类。
内置型传感器可以获得较高的灵敏度,但是对制作安装的要求较高，最常用的就是电容耦合传感器。
外置型传感器的灵敏度较内置的差些,但是安装灵活,不影响设备的运行，安全性高，最常用的是天线传感器[4,5]。
2024版HFSS天线仿真实例系列教程1
导出报告
将仿真结果和优化过程导出为报告，供后续分析 和参考。
27
07
总结与展望
2024/1/29
28
教程内容回顾
2024/1/29
HFSS天线仿真基本原理
介绍了高频结构仿真（HFSS）的基本原理及其在天线设计中的应用。
天线设计基础
详细阐述了天线设计的基本概念，如辐射、方向性、增益等，以及常 见的天线类型和性能指标。
03
优化设计
根据分析结果，对天线设计进行优 化，如调整振子长度、改变馈电结
构等，以提高天线性能。
2024/1/29
02
结果分析
对仿真结果进行分析，包括S参数 曲线、辐射方向图、增益等性能指
标的评估。
04
再次仿真验证
对优化后的设计进行再次仿真验证， 确保性能达到预期要求。
19
05 微带天线仿真实例
2024/1/29
• 天线参数：描述天线性能的主要参数有方向图、增益、输入阻抗、驻波比、极化等。这些参数可以通过仿真或 测量得到，用于评估天线的性能优劣。
• 仿真模型：在天线仿真中，需要建立天线的三维模型并设置相应的边界条件和激励源。模型的准确性直接影响 到仿真结果的可靠性。因此，在建立模型时需要充分考虑天线的实际结构和工作环境。
求解参数设置
包括频率范围、收敛精度、最大迭代次数 等参数的设置。
B
C
自适应网格划分
根据模型复杂度和求解精度要求，自动调整 网格大小和密度。
并行计算支持
利用多核处理器或集群计算资源，加速求解 过程。
D
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03 天线设计原理及性能指标
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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。
Ansoft HFSS 在天馈系统教学实训中的应用
Ansoft HFSS 在天馈系统教学实训中的应用作者：吴香林余小兰刘大良来源：《现代职业教育.高职本科》 2016年第11期［摘要］针对目前高职院校狠抓教学改革，提高学生动手能力的问题，提出项目式教学模式，加强课程与工作之间的相关性。
应用AnsoftHFSS15软件分析、设计、仿真螺旋天线进行实例，代替抽象指标分析和天线实操教学模式，达到原理可视化、模型动态化、资源集约化的目的。
此教学模式对高职学生动手解决天馈系统工程实施及维护方面问题的能力得到了提升。
［关键词］HFSS；螺旋天线；课程改革；方向图［中图分类号］G434［文献标志码］A［文章编号］2096-0603（2016）31-0017-03天线在各种无线通信系统中都是必不可少的组成部分。
用来发射和接收无线电波的装置称为天线。
天线的主要功能是完成高频电流与空间无线电波之间的能量转换，又称为能量转换器。
通常我们把发射机或接收机与天线连接起来的系统称为馈线系统，由于馈线系统和天线的联系非常密切，因此我们把天线和馈线系统看成一个元件，统称为天线馈线系统，简称天馈系统。
天馈系统是用来接收和发射网络信号的装置。
天馈系统的应用及其广发，如2G/3G/4G移动通信、电视、Wifi、雷达、导航、气象等领域。
天馈系统技术是高职院校移动通信技术专业的一门基础课，本文应用AnsoftHFSS仿真软件结合项目式教学模式进行本门课程的实训内容教学，达到了良好的教学效果，显著提升了高职学生对天馈系统的探究兴趣，为进一步学习移动通信系统打下了坚实的基础。
一、HFSS软件介绍HFSS是高频结构仿真器（HighFrequencyStructureSimulator）的缩写，是美国Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件。
AnsoftHFSS提供了极高的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面、精确自适应的求解方式、拥有强大的后处理器来分析天线的电性能，能计算任意形状三维无源结构的S参数和驻波比等参量值。
hfss天线课程设计
hfss天线课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握HFSS软件的基本操作和天线设计原理；2. 学生能描述不同类型天线（如偶极子天线、螺旋天线等）的电磁特性；3. 学生能运用HFSS软件进行天线参数的仿真分析，如阻抗匹配、辐射图等。
技能目标：1. 学生能运用HFSS软件进行天线模型的构建和仿真实验；2. 学生能通过HFSS软件分析并优化天线设计，提高天线性能；3. 学生能运用所学知识解决实际问题，具备一定的创新设计能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过本课程的学习，培养对天线及电磁场领域的好奇心和兴趣；2. 学生能够认识到天线技术在通信、导航等国家重要领域的作用，增强国家使命感；3. 学生通过团队协作完成课程项目，培养沟通、合作和团队精神。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，以HFSS软件为工具，结合课本知识，培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生特点：学生具备一定的电磁场理论知识和计算机操作能力，对实际应用有较高的兴趣。
教学要求：教师需引导学生运用所学知识进行实际操作，注重培养学生的动手能力和解决问题的能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，因材施教，确保课程目标的实现。
通过课程学习，使学生能够将理论知识与实际应用相结合，提高综合素养。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. HFSS软件基本操作与界面介绍：使学生熟悉软件环境，掌握基本操作方法。
- 教材章节：第1章 HFSS软件概述与安装2. 天线设计原理及分类：介绍天线基本理论，分析各类天线的特点。
- 教材章节：第2章 天线原理与分类3. 天线仿真参数分析：学习天线性能参数，如阻抗匹配、辐射图等。
- 教材章节：第3章 天线性能参数4. HFSS天线建模与仿真：实际操作，构建天线模型，进行仿真实验。
- 教材章节：第4章 HFSS天线建模与仿真5. 天线优化与改进：学习优化方法，提高天线性能。
- 教材章节：第5章 天线优化与改进6. 课程项目实践：分组进行天线设计项目，培养团队协作和创新能力。
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利用HFSS设计平面等角螺旋天线
杜起飞
北京理工大学电子工程系 100081
摘要：本文介绍了一种双臂平面等角螺旋天线的设计过程，利用ANSOFT HFSS 对其结构进行了建模和仿真，工作频率为0.4GHz～3GHz，电压驻波比
VSWR<2.0，增益Gain>5.0dB。
关键词：HFSS、等角螺旋天线、宽带匹配
1. 引言
天线的增益、输入阻抗、方向图等电特性参数在一个较宽的频段内保持不变或变化较小的天线称为宽频带天线。
一般情况下，天线性能参数是随频率变化的。
有一类天线，它们的方向图和阻抗在相当宽的频带范围内与频率无关，这就是所谓的非频变天线。
本文所研究的是平面等角螺旋天线，它有很宽的工作频带，具有很好的应用前景，同时也是其它等角螺旋天线研究的基础。
2. 利用HFSS设计平面等角螺旋天线
平面等角螺旋天线在ANSOFT HFSS中的模型如图1所示。
它主要由平面螺旋辐射器、馈电电路板、普通反射腔和异形反射腔四部分组成。
2.1 平面等角螺旋天线
图1 平面等角螺旋天线在HFSS中的模型图2 自补形平面等角螺旋天线
平面等角螺旋天线如图2所示，金属臂的四条边缘均为平面等角螺旋线。
边缘1的方程为
边缘1旋转角δρ1=ρ0eaφ，边缘2相对于a(φ−δ)ρ=ρe20，故其方程为。
天线另一臂的边缘应使结构对称，即一臂旋转半圈将于另一臂重合，因而有ρ3=ρ0ea(φ−π)和ρ4=ρ0ea(φ−δ−π)。
图中的结构是自补形，因而δ=π/2。
自补形平面等角螺旋天线两臂的四条边缘曲线为：
⎧ρ1=ρ0eaφ
⎪π⎪ρ=ρea(φ−2⎪2 (1) 0⎨a(φ−π)⎪ρ3=ρ0e
⎪πa(φ−π−)2⎪⎩ρ4=ρ0e
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对于自补形结构，方向图的对称性最好。
由于平面等角螺旋天线的表面边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的所有要求。
2.2 馈电电路板
由于平面等角螺旋天线是平衡对称结构，其馈电系统也应采用平衡馈电方式。
同轴线是传统的超宽带馈电线，具有良好的宽频带特性，但其馈电方式为非平衡馈电，所以需要增加相应的非平衡馈电到平衡馈电转换电路即巴伦的设计。
最常用的匹配方法为指数渐变线匹配。
与双曲线渐变线、抛物渐变线、贝塞尔渐变线及切比雪夫渐变线相比较，当1/λ<0.5时，指数线的反射系数是最小的，而且频带极宽[1]。
因此，本文选用指数渐变的微带线到平行双线作为平面等角螺旋天线的馈电电路。
如图3所示，巴伦由不平衡的微带结构逐渐过渡到平衡馈电的平行双线结构，其中接地板和微带线均采用指数渐变方式，在工作频带内由输入端的50Ω变为输出端的140Ω
指数线阻抗变换器是指传输方向按指数规律变化
的传输线，即 [2][3]。
Z0(z)=Z0(0)eaz
(2)
假定渐变线长为L，变阻比为R，即
图3 指数渐变的微带线-双线结构示意图 Z0(L)=RZ0(0) (3)
则 a=1lnRL (4)
当L选定后，随频率增高，波长愈短，反射系数总的趋势是越来越小。
反射系数模的最大值为
Γ(0)=λlnR
4πL (5)
Γ(0)max的条件下，可由上式确定指数线的长度因此，当阻抗变换比R为已知，在满足反射系数模不超过某一定值
L=λlnR
4πΓ0max (6)
2.3 反射腔
理论和实践证明，普通反射腔的侧壁对天线轴比和增益的影响较大，因此在设计时，在允许的尺寸范围内，应使腔体直径尽可能大。
对于普通的平面等角螺旋天线，多在腔体内添入微波吸收材料，这样做可显著提高天线的驻波比、带宽和轴比特性，但是，天线的效率却大大下降，因此决定不加微波吸收材料。
但这会使天线方向图带宽变窄。
由于天线的能量主要集中在主辐射区，当频率改变时，它的主辐射区直径也随之改变。
如果能够使反射波在任意频率点，它到达平面螺旋辐射器表面所经过的路径的长度都等于该频率波长的二分之一，那么该天线仍然满足宽频带特性
思路，我们设计了如图1所示天线结构中的异形反射腔。
异形反射腔体设计一般满足以下几点:
⑴顶端直径d处的周长等于其所对应频率点的主辐射区的周长。
在这里，取为最高工作频率点的波长；
⑵顶端直径d处到平面螺旋辐射器表面的距离h等于其所对应频率点波长的四分之一。
在这里，取为最高工作频率点波长的四分之一；
⑶底端直径D处的周长的取值同⑴，在这里取为最低工作频率点的波长；
⑷底端到平面螺旋辐射器表面的距离的取值H同⑵，在这里取为最低工作频率点波长的四分之一。
[4]。
按照这种
3. 仿真结果
利用ANSOFT HFSS在0.4GHz～3GHz频率范围内对天线模型进行三维电磁场仿真。
在整个频率范围内，增益
Gain>5dB。
其中f=1.5GHz的远场方向图如图4所示。
最大增益约为7dB，半功率波瓣宽度为80°。
天线的电压驻波比曲线如图5所示。
⒋结论
图4 天线远场方向图f=1.5GHz
利用ANSOFT HFSS软件可以很方便的对天线进行建模仿真。
同时HFSS是一套具有高度的精确性和可靠性的微波CAD软件。
借助于它，可以缩短我们的设计时间，提高工作效率。
图5 电压驻波比曲线
参考文献：
[1] 顾瑞龙, 沈民谊. 微波技术与天线[M]. 北京: 国防工业出版社, 1980
[2] Hofer D, Tripp V. K. A low-profile broadband balun feed [J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, AP-S. Digest, 1993, 1 (1): 458-461 [3] 宋朝辉等. 一种平面等角螺旋天线及宽频带巴伦的研究[J]. 制导与引信,2003(6): 36-39
[4] 李连辉. 自补型阿基米德平面螺旋天线的设计与分析[J]. 遥测遥控, 2003(7): 31-36。