03.HFSS天线远场特性分析实例

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【案例分析】经典HFSS仿真实例详解

【案例分析】经典HFSS仿真实例详解新朋友请点击上⽅RFsister关注我们关于仿真软件HFSS相信⼤家多少都有听过，这是⼀款⾮常强⼤好⽤的仿真软件，已经被应⽤于多个领域，当然，天线设计也离不开仿真软件。

本期⼩编为⼤家带来的是经典天线——对称振⼦天线仿真。

下⾯我们先来看看软件的简介。

HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，⽬前已被ANSYS公司收购；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⼯业标准。

HFSS提供了⼀简洁直观的⽤户设计界⾯、精确⾃适应的场解器、拥有空前电性能分析能⼒的功能强⼤后处理器，能计算任意形状三维⽆源结构的S参数和全波电磁场。

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。

下⾯我们先来看看建⽴HFSS⼯程的⼀般过程。

（1）⾸先第⼀步是运⾏Ansoft HFSS：（2）然后单击下图红框处图标，在当前⼯程中插⼊⼀个设计：（3）选择求解类型，如下图：（4）为建⽴模型设置合适的单位，如下图：（5）在3D窗⼝中建⽴模型。

（6）设置需要的辐射边界。

（7）如果选择激励求解或激励终端求解，则需要为模型设置激励。

（8）设置求解频率及扫频操作等。

（9）点击下图按钮，检查当前⼯程的有效性。

半波偶极子天线的hfss解析

半波偶极子天线的ＨＦＳＳ仿真设计Xxxxxxxxxxxxxxxxxxx一、实验目的：1.以一个简单的半波偶极子天线设计为例，加深对对称阵子天线的了解；2.熟悉HFSS软件分析和设计天线的基本方法及具体操作；3.利用HFSS软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理；4.通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。

二、实验步骤：本次实验设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。

天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。

天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4。

１、添加和定义设计变量参考指导书，在Add Property对话框中定义和添加如下变量：２、设计建模１）、创建偶极子天线模型首先创建一个沿Z轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为（0，0，gap/2），半径为dip_radius，长度为dip_length，材质为理想导体，模型命名为Dipole，如下：然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。

此时就创建出了偶极子的模型如下：2）、设置端口激励半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面，并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。

该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，因此顶点坐标为（0，-dip_radius，-gap/2），长度和宽度分别为2*dip_radius和gap。

如下：然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励。

由之前的理论分析可得，半波偶极子天线的输入阻抗为73.2Ω，为了达到良好的阻抗匹配，将负载阻抗也设置为73.2 Ω。

随后进行端口积分线的设置。

此处积分线为矩形下边缘中点到矩形上边缘中点。

3）、设置辐射边界条件要在仿真软件中计算分析天线的辐射场，必须先设置辐射边界条件。

本次设计中采用辐射边界和天线的距离为1/4个工作波长。

HFSS天线设计-有限元方法

建模过程：
（1）设置模型单位：3D Modeler>Units>选择cm>OK
2) 选择模型材料：在search 材料框中输入 rogers RT/等选择5880材料
3）建立基底：Draw>Box>在底部的坐标输入框中输入坐标,确认后在属性对话框中输入基底名称SUB1，键入CTRL+D，缩小全部显示基底
1 S11 VSWR 1 S11
VSWR 2, S11 10dB
由于天线与馈线的阻抗不匹配或者天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量反射，并与前行波干扰形成驻波。当完全匹配时，反射系数为0，驻波比为1，这是理想状态。
b)远区辐射场特性创建求解报告如图示：
如图设置输出参数
有关增益单位的定义：
四、HFSS的使用与实例
1、HFSS的安装：
依次安装: HFSS SCAP LIB 然后安装补丁：
见后图
并复制 license.lic to \Admin\
2、HFSS的应用：
以实例说明：
实例1：探针馈电的贴片天线
基底：10 by 9 cm 厚度：0.32 cm 相对介电常数：2.2
贴片：4 by 3 cm
12）创建辐射边界条件
首先选择真空材料 Draw>box>输入辐射边界的位置坐标（-5，-4.5,0）长宽高（10, 9, 3.32）确认命名为air， Ctrl+D 缩小观察尺寸
下边设置辐射边界条件：
Edit>select>faces> 选择air的5个面，除了底面。 HFSS>boundaries>radiation 命名为rad1, 确认即可

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。

基于HFSS的天线设计汇总

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。

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：的超宽带天线设计实例：一、一、建立工程建立工程菜单Project->Insert HFSS Design 二、二、设置求解模式设置求解模式菜单HFSS->Solution Type->天线为Driven Modal 三、三、天线模型建立天线模型建立 1、设置模型尺寸长度单位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. 超宽带平面天线结构图图1 超宽带平面天线结构图初步设计的超宽带平面天线尺寸表1 初步设计的超宽带平面天线尺寸w=16mm l=32mm h=0.8mm wd=1.5mm l1=12mm h1=11mm w1=3mm h2=20mm h3=4mm 微带线阻抗验证：1)、采用Agilent AppCAD计算计算2、采用LineCalc计算工具（ADS中的工具）中的工具）、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，详见下图变量，详见下图中全部变量，最终如下图4、建立模型、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。

用HFSS分析设计一种3厘米波段H面喇叭天线

y
为平面波或近似为平面波，那么用这种天线直接照射高损
x
耗材料涂层时，效果等效于雷达的远场照射情况，则可直接在近场测出材料的雷达波反射率。
喇叭天线是最简单和应用最广泛的微波天线之一。对
b a
LH
0
2ϕ 0
ϕ
Ey Hϕ Hρ ρ
r2 r1
于 H 面喇叭天线，采用图 1.1 所示的坐标时，场分布为：
z
[ ] E y
图 2.1
图 2.2 喇叭天线内部场分布示意图 Partners In Design
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Ansoft2004 年用户通讯
三测试结果
用最终仿真确定的尺寸加工得到的 H 面喇叭天线，配合小型矢量网络分析仪，对编号为 1#、2#的吸波材料涂层板进行测量。并把测得的结果与厂家提供参考值进行比较，分别如图 3.1、3.2 所示。
Ansoft2004 年用户通讯
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用 HFSS 分析设计一种 3 厘米波段 H 面喇叭天线
管绍朋
上海大学通信学院 200072
摘要：本文用 Ansoft 公司的三维仿真软件 HFSS 仿真、设计了一种 3 厘米波段 H 面喇叭天线，把该天线应用于高损耗材料雷达波反射率的近场测量，测得的结果与材料生产厂家提供的参考值比较,具有较好的一致性。从而使得高损耗材料雷达波反射率的测量仪器小型化以及现场进行测量成为可能。
3.1 1#涂层板的测量结果
3.2 2#涂层板的测量，该方案切实可行。相关测试设备实现小型化，可满足于工程上现场测量的要求。借助于 HFSS 的仿真，整个设计过程大大简化。节省了时间和成本，提高了效率。
参考文献 [1] Γ. 3.爱金堡等，《超高频天线》上册（汪茂光等译），人民邮电出版社，1980

hfss远场变量

hfss远场变量HFSS（High-Frequency Structural Simulator）是一种应用于高频电磁场仿真和分析的软件工具。

它是一种基于有限元分析（FEA）的数值计算方法，广泛应用于电磁学、微波器件设计、毫米波通信以及射频（RF）器件等领域。

HFSS可以模拟和分析各种电磁器件的行为，包括天线、波导、滤波器、耦合器等。

在HFSS模拟中，远场是指距离输电线路和辐射器件足够远的区域，此时场分布已经趋于稳定。

远场分析可以提供电磁辐射和波导损耗的模拟结果，同时也可以用于计算天线辐射图案、远场散射等。

在HFSS中，远场可以通过设置合适的边界条件和面细分（mesh）来进行模拟。

具体而言，HFSS提供了以下两种远场模拟方法：1. 边界条件模拟（Boundary Condition Simulation）：这种方法适用于射频器件的远场分析，在这种情况下，常用的边界条件有无穷远边界条件和辐射边界条件。

无穷远边界条件在一定距离外设定场的边界条件，它可以模拟辐射情况。

而辐射边界条件则可用于确定边界处的电磁场强度和辐射方向。

通过设定这些边界条件，HFSS可以计算出器件的远场响应。

2. 场点远场模式模拟（Field Points Far-Field Mode Simulation）：这种方法适用于天线或者辐射源的远场模拟。

在这种情况下，HFSS会在设定的远场范围内自动生成一组场点。

然后，可以使用圆柱面或球面面源方法，将辐射场点上的电磁场分析为球波或柱波，从而得到器件的远场分布。

此外，HFSS还提供了改进的高效模型适配（Advanced Efficient Model Adaptation，AEMA）和快速多极积分（Fast Multipole Method，FMM）等方法来加速远场模拟的计算过程。

远场分析的结果可以通过各种图表和数据来展示，例如远场辐射图案、辐射功率、辐射效率和远场电磁场分布等。

这些结果可以帮助工程师更好地了解器件的性能，并优化设计。

HFSS天线设计-有限元方法(1)

3、dB dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率）是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。 [例7] 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为 3.9dB。 [例8] 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6 dB。
设置端口名p1,点击下一步
终端数目：1 从终端线中选择new line 出现下列对话框，并在底部的坐标输入框中输入矢量线的位置坐标始点（-0.34,0，-0.5）长度为（-0.09,0,0）确认，下一步到完成即可。
说明两点：
（1）两种波端口加法： Wave port：假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立的激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦。 Lumped port：这种激励避免建立一个同轴或者波导激励，从而在一定程度上减轻了模型量，也减少了计算时间。Lumpport也可以用一个面来代表，要注意的是对该port的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要与其他金属（或者电面）相连，否则结果记忆出错。（2）本例中波端口新线的定义位置示意
（-5，-4.5, 0）回车（10, 9， 0.32）回车
键入Sub1
键入Ctrl+D
4）建立infinite ground：Draw>Rectangle>在底部的坐标输入框中输入坐标,确认后在属性对话框中输入地的名称inf_gnd，Ok, 然后键入 CTRL+D，缩小全部显示基底
（-5，-4.5, 0）回车
（-7，-4.5, 0）回车（12, 9， 0.32）回车
键入Sub1

HFSS天线仿真实验报告

HFSS天线仿真实验报告[键入公司名称] [键入文档标题]通信0905杨巨U2009138922012-3-7半波偶极子天线仿真实验报告一、实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图特性等4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法二、实验仪器1、装有windows系统的PC一台2、HFSS13.0软件3、截图软件三、实验原理1、首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。

2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。

一臂的导线半径为a，长度为l。

两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。

对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。

3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。

取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为：式中，Im为天线上波腹点的电流；k=w/c为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心店对称；超过半波长就会出现反相电流。

4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。

利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。

电流元I(z)dz所产生的辐射场为图2 对称振子辐射场的计算如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为其中5、方向函数四、实验步骤1、设计变量设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。

提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化2、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。

其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。

3、设置端口激励半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。

基于HFSS的Monopole天线分析

Monopole天线分析1：改变天线与Ground的空间距离Ground的尺寸：100MM*40MM；天线MONOPOLE离Ground的距离是6MM，高度是4MM;天线的尺寸是：10*40MM。

S11如上图所示。

低频的带宽（按S11 -6DB）1.019GHZ-0.828GHZ=171MHZ高频的带宽（按S11 -6DB）1.796GHZ-1.624GHZ=174MHZGround的尺寸：100MM*40MM；天线MONOPOLE离Ground的距离是6MM，高度是3MM;天线的尺寸是：10*40MM。

S11如上图所示。

低频的带宽（按S11 -6DB）1.017GHZ-0.831GHZ=166MHZ高频的带宽（按S11 -6DB）1.785GHZ-1.611GHZ=174MHZGround的尺寸：100MM*40MM；天线MONOPOLE离Ground的距离是6MM，高度是0MM;与Ground同一平面，天线的尺寸是：10*40MM。

S11如上图所示。

低频的带宽（按S11 -6DB）1.036GHZ-0.837GHZ=199MHZ高频的带宽（按S11 -6DB）1.847GHZ-1.653GHZ=194MHZ从上面可以看出高度对于MONOPOLE的性能影响并不大。

Ground的尺寸：100MM*40MM；天线MONOPOLE离Ground的距离是4MM，高度是0MM;与Ground同一平面，天线的尺寸是：10*40MM。

S11如上图所示。

低频的带宽（按S11 -6DB）1.015GHZ-0.860GHZ=155MHZ高频的带宽（按S11 -6DB）1.911GHZ-1.723GHZ=188MHZ从上面看.天线距离Ground近了，带宽在低频处明显的窄了；而且S11图也明显的浅了。

天线性能在高低频都变差了；Ground的尺寸：100MM*40MM；天线MONOPOLE离Ground的距离是2MM，高度是0MM;与Ground同一平面，天线的尺寸是：10*40MM。

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
2024/1/29
11
03 天线设计原理及性能指标
2024/1/29
12

AnsysHFSS在天线罩电气性能分析中的应用研究

AnsysHFSS在天线罩电气性能分析中的应用研究ANSYS 2011中国用户大会优秀论文Ansys HFSS在天线罩电性能分析中的应用研究吴秉横，刘元云（上海无线电设备研究所上海 200438）[ 摘要 ] 为实现天线罩电气性能参数的精确仿真，利用基于有限元方法的Ansys HFSS软件对天线罩进行仿真分析。

该仿真方法建模方便、便于更改，完全模拟天线罩的实际工作状态，具有计算精度高、可靠性强等特点，有效解决了传统的高频近似算法分析天线罩电性能自身具有的精度偏低等问题。

[ 关键词]天线罩几何建模电性能仿真Application Study of Radome’s Electric Property Analysisby Ansys HFSSWu Bing-heng, Liu Yuan-yun(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai, 200438)[Abstract] The Ansys HFSS software based on finite element method (FEM) is used in order to achieve the accurate simulation of radome’s electric property parameters. By this method, the modelis easy to found and modify. This method can simulate the radome’s actual operationcondition completely and has the characteristic of high calculation precision and reliability.Besides, the simulation method can effectively resolve the problem of low calculationprecision which is existed in the traditional high-frequency algorithm when used in analyzingthe electric property.[Keyword] radome; geometric model; electric property simulation1引言随着武器装备的发展，对天线罩的电性能设计提出了越来越高的要求，传统的几何光学、物理光学等近似算法由于精度偏低、误差偏大等缺点，已难以满足天线罩的设计分析要求，成为天线罩设计的重要瓶颈之一。

hfss设计天线范例

第二章创建项目本章中你的目标是：√保存一个新项目。

√把一个新的HFSS设计加到已建的项目√为项目选择一种求解方式√设置设计使用的长度单位时间：完成这章的内容总共大约要5分钟。

一.打开HFSS并保存一个新项目1.双击桌面上的HFSS9图标，这样就可以启动HFSS。

启动后的程序工作环境如图：图2－1 HFSS工作界面1．打开File选项(alt+F),单击Save as。

2．找到合适的目录，键入项目名hfopt_ismantenna。

图2－2 保存HFSS项目二.加入一个新的HFSS设计1．在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。

( 或直接点击图标。

)一个新的工程被加入到hfopt_ismantenna项目中，默认名为HFSSModel n。

图2－3 加入新的HFSS设计2．为设计重命名。

在项目树中选中HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击Rename项，将设计重命名为hfopt_ismantenna。

图2－4 更改设计名三.选择一种求解方式1．在HFSS菜单上，点击Solution Type选项.2．选择源激励方式，在Solution Type 对话框中选中Driven Mode项。

图2－5 选择求解类型图2－6 选择源激励方式四.设置设计使用的长度单位1.在3D Modeler菜单上，点击Units选项.2.选择长度单位，在Set Model Units 对话框中选中mm项。

图2－5 选择长度单位图2－6 选择mm作为长度单位第三章构造模型本章中你的目标是：√建立物理模型。

√设置变量。

√设置模型材料参数√设置边界条件和激励源√设置求解条件时间：完成这章的内容总共大约要35分钟。

一.建立物理模型1．画长方体。

在Draw菜单中，点击Box选项（或直接点击图标）；图3－1 通过菜单加入一个Box2．输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标为(x=-22.5mm,y=-22.5mm,z=0.0mm); 按下Enter键后输入三边长度：x方向45mm, y方向45mm, z方向5mm。

(word完整版)HFSS_V13天线仿真基本操作指南

(word完整版)HFSS_V13天线仿真基本操作指南HFSS v13。

0高频仿真软件操作指南目录第一章创建工程 Project一、前期准备第二章创建模型 3DModeler一、绘制常见规则形状二、常用操作三、几种常见天线第三章参数及条件设置(材料参数、边界条件和激励源等） Setting一、设置材料参数二、设置辐射边界条件三、设置端口激励源四、特定边界设置第四章设置求解项并分析 Analyze一、设置分析Add Solution Setup二、确认设置并分析Validation Check Analyze All第五章查看结果 Results一、3D极化图(3D Polar Plot）二、3D直角图(3D Rectangular Plot）三、辐射方向图（Radiation Pattern)四、驻波比（VSWR)五、矩阵数据（Matrix Date)一、前期准备1、运行HFSS后，左侧工程管理栏会自动创建一个新工程：Project n 。

由主菜单选File 〉 Save as，保存到一个方便安全的文件夹，并命名。

(命名可包括下划线、字母和数字,也可以在Validation Check之前、设置分析和辐射场之后保存并命名)2、插入HFSS设计由主菜单选Project > Insert HFSS Design 或点击图标，（大口径的由主菜单选Project > Insert HFSS—IE Design）则一个新的项目自动加入到工程列表中，同时会出现3D画图窗口，上侧出现很多画图快捷图标。

3、选择求解类型由主菜单选HFSS 〉 Solution Type（求解类型）,选择Driven Model或Driven Terminal（常用）。

注：若模型中有类似于耦合传输线求耦合问题的模型一定要用Driven Terminal，Driven Model适于其他模型,不过一般TEM模式（同轴、微带)传输的单终端模型一般用Driven Terminal 分析。

HFSS软件在天线仿真分析与优化中的应用

HFSS软件在天线仿真分析与优化中的应用朱秀娥【期刊名称】《《福建师大福清分校学报》》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】6页(P39-44)【关键词】天线仿真; HFSS软件; 优化; 八木天线; 平面螺旋天线【作者】朱秀娥【作者单位】福建师范大学协和学院信息技术系福建福州 350117【正文语种】中文【中图分类】TN82天线作为无线电系统的耳目，在通信工程、电磁分析中是不可或缺的部分，对天线进行理论分析和实际应用是电子信息工程、通信工程等专业的学生必须具备的能力[1-3].由于硬件教学条件的限制，天线课程的教学主要以理论知识传授为主，根据麦克斯韦方程的求解推导出一系列的公式和结论出来，教学过程枯燥，学生兴趣点不高，且结果不够直观.为了增强学生的学习氛围并更好地掌握课堂知识，在天线的课堂上可以引入HFSS 仿真软件平台，使用HFSS 仿真软件不仅可以模拟和分析各种类型的天线，还可以在天线的设计与优化中起到重要的作用，它是学习天线和电磁场相关课程不可缺少的软件.论文提出将HFSS 软件引入天线课的课堂中，通过对八木天线和平面螺旋天线的分析与优化设计，介绍HFSS 仿真软件的使用过程和在具体天线中的参数优化设计，使大家对天线的性能参数有更深层次的理解；并且该软件在微波及相关电磁场分析中都可以得到充分的运用.1 HFSS 软件简介HFSS 软件是一款三维电磁场仿真软件.切向矢量有限元法可用于解决任何三维射频和微波器件的电磁场分布.利用HFSS 可以为天线和天线阵列提供全面的仿真分析和优化设计，其适用范围包括面天线、波导、线天线、天线阵列、雷达反射截面等几方面.准确计算天线的各种参数，包括2D、3D 的远场辐射方向图、天线增益、方向系数、轴比、天线阻抗、电压驻波比、S 参数等.工程实践表明，HFSS 软件的仿真结果与真实天线的实测结果基本吻合[4].由于真实天线的制作与测试耗时长、费用高，而借助电磁仿真技术可节约设计成本、提高设计精度和效率[4].通过HFSS 仿真软件的学习，可以让学生对天线的设计分析与优化有直观的视觉认识，反之，学会了HFSS 软件的使用方法，也可以进一步促进学生对天线理论知识的认知，为他们今后从事相关工作打好基础.2 基于HFSS 仿真软件的天线实验实例分析设计在理解典型天线的理论方法和设计方法的基础上，利用HFSS 软件对工作中心频率为1GHz 的引向天线的仿真分析与优化设计和工作中心频率为3GHz 的平面螺旋天线的仿真分析，并对仿真结果进行分析、比较，进一步加深对天线基本理论的理解，对天线的性能参数有直观的认识.2.1 引向天线的HFSS 仿真分析与优化该天线又称八木天线，是由日本八木和宇田在1927 年发明的.它作为一种经典天线，被广泛应用于无线通信，通常由一个有源振子、一个反射器和几个平行排列的引向器构成.八木天线可以看成是由长度接近于半个波长的对称振子组成的天线阵，因此可得到比单个半波振子更强的方向性.引向天线的结构图如图1所示.该模型中Z 轴为天线阵列的阵轴，并包含4个引向振子.要求工作的中心频率为1GHz，波长为300mm，依据该天线的理论分析，设置相关参量大小为：反射振子的半轴长度为75mm；有源振子的半轴长度为65mm；引向振子的长度为54mm；引向天线的振子半径为2.5mm；反射振子与有源振子之间的间距为48mm，引向振子与有源振子之间的间距以及各引向振子之间的间距均为50mm.图1 引向天线建模结构图在计算辐射特性时，HFSS 软件模拟实际的自由空间，类似于将天线放置在微波暗室中.从理论上讲，从暗室中的天线辐射的能量不应该反射回来.它吸收天线辐射的能量，并提供计算远场的数据.在引向天线模型中的外围的圆柱形盒子就相当于这个暗室.空气盒子的设置有两个关键：一个是形状，一个是大小.形状要求反射尽可能低，然后空气盒子的表面应平行于模型表面，以使来自天线辐射出来的电磁波尽可能垂直地入射到空气盒子的内表面，尽可能防止反射的发生.从理论上讲，盒子尺寸越大那么就越接近于理想自由空间，如果盒子尺寸是无限大的，那么模型就处在一个理想自由空间中，可是空气盒子越大，则计算量越大越难，仿真越慢.一般而言，要求空气盒子距离天线的最近辐射面的距离大于等于1/4 波长.论文中两个例子的空气盒子采用的形状都是圆柱形的.本例子中的引向天线的空气盒子的半径为160mm，高度为450mm.首先要验证仿真结果的正确性，在Project工作区中选中Result 项→Solution→Data →Convergence，view 选择plot，看是否收敛到红线以下，假如未收敛到红线以下，需重新仿真，假如收敛，才可以按照以下步骤进一步查看结果.图2 引向天线仿真结果正确性的验证图天线的频带特性可以通过查看激励端口S11 的扫频分析结果和电压驻波比来得到.回波损耗S11 和电压驻波比VSWR 可以通过公式直接换算，所以S11 参数和电压驻波比VSWR 只需要分析一种参数即可.论文选择观察回波损耗S11.在天线领域，通常只要求研究输入端口的散射情况，即输入端口的反射功率和入射功率的比值，S11 越小，则反射系数就越小，功率利用率则越高.下图是本例引向天线的S11 参数的扫频曲线.端口阻抗设置为50Ω.图3 引向天线回波损耗的扫频曲线从图中所示天线的S11 参数的扫频曲线可以看出，该天线阵的谐振点为0.95GHz.这与我们预期的中心工作频率1GHz 仍有一定的差距，因此我们需要对设计进行优化，以达到天线谐振频率为1GHz 的要求.根据八木天线的原理和经验，八木天线的谐振频率主要由有源振子的长度L0 决定，另一方面反射器与有源振子的距离dR 也影响着天线频带特性.因此，在进行优化之前，应该扫描和分析这两个参数，以获得它们对天线谐振频率的影响关系.然后有针对性地进行优化设计.但当其他变量固定时，反射器与有源振子两者的间距dR 对天线的谐振频率的影响不大[6].所以论文仅扫描分析有源振子的长度L0对天线频带特性的影响.八木天线的谐振频率与有源振子的长度密切相关，当L0 为65mm 的时候，其谐振频率为0.95GHz 左右，因此想将谐振频率提高到1GHz，应该减少有源振子的长度，在指定L0为优化变量的前提下，在HFSS 软件中，添加优化设置，如图4 和图5 所示，利用HFSS 软件的优化设计功能，对变量L0 进行扫描和分析，得到如下图6 优化结果.图4 优化设置1图5 优化设置2图6 优化分析结果数据从上图可见，HFSS 的优化设计一共进行了20 次的迭代计算，其中第9 次的迭代计算的目标函数S11 的数值最小，为13.245dB，此时对应变量L0 的值为62.700mm.在优化结果中应用参数并查看优化的S11参数指标.从图7 可以看出，S11 的最小值位于1GHz 处，最小值为13.2dB，并且实现了引向天线在1GHz 时发生谐振，满足了设计要求.图7 优化后的引向天线的S11 参数扫频曲线根据优化数据，重新使用HFSS 软件对引向天线进行仿真，可以获得该天线阵的回波损耗（S11）、输入阻抗（Zin）及远场区的3D方向图、2D 方向图等.各个参数的仿真结果如图所示.从图8、图9、图10 可以看出八木天线的最大辐射方向矢沿着天线的轴向，所以该天线是属于端射型天线的一种，且八木天线的前后比高，绝大多数磁场能量都被反射振子反射到轴线前端.其最大辐射方向的增益为11.1dB.另外从图11 中可以得到天线阵的输入端阻抗为33.64+j8.89Ω.图8 以dB 为单位的三维方向图图9 以倍数为单位的三维方向图图10 以分贝为单位的二维方向图图11 引向天线的阻抗特性曲线2.2 平面螺旋天线的HFSS 仿真分析在现代通信中，通常要求天线具有更宽的工作频带特性甚至要求是多模通信，因此通常希望天线的特性在宽频带上保持恒定.具有10∶1 或有更宽频带带宽的天线称为非频变天线.平面等角螺旋天线就是一种非频变天线，其两个等角螺旋臂上电流在经过一个波长的臂长后，能够迅速减少，那么其有效作用区在周长约为一个波长的范围内，该特性符合终端效应弱的条件，并且能够形成非频变特性.其上限频率由螺旋臂的起始半径决定，其下限频率由螺旋臂的最大半径决定.平面螺旋天线建模结构图如图12 所示.其中空气盒子的半径为50mm，高度为100mm，关于原点中心对称.圆柱形的介质基板的材料为硅，半径为20mm，高度为1mm.生成的两个螺旋臂的曲线方程坐标分别为：图12 平面螺旋天线模型结构图在HFSS 软件中建模后仿真计算可得到如下结果图.图13 平面螺旋天线S11 参数的扫频曲线从回波损耗的变化趋势可以看出，随着平面螺旋天线工作频率的增大，S11 参数的变化趋势是减小的，因为频率越高，有效半径越小，末端的截断效应损失越少，相应的回波损耗也就越小.图14 平面螺旋天线的阻抗特性曲线从图14 可以看出，平面螺旋天线在中心频率为1.7GHz 和2.6GHz 的谐振点工作.在这两个谐振点上，输入阻抗是纯电阻，这有利于天线输入的阻抗匹配.但是在并联谐振点1.7GHz 附近时，其输入阻抗太大，不利于天线的能量传播，所以通常选择在2.6GHz 左右.由于平面螺旋天线的性能参数跟螺旋臂的生成参数紧密相关，不再详细介绍其优化过程.从图15、16 可以直观清晰地看出，在不同的频率的信号作用下，平面螺旋天线的有效作用区的变化趋势，频率越高，则其有效作用区越接近中心点，频率越低，则其有效作用区越远离中心点，其末端截断后的损耗也就越大.天线表面电流在通过有效作用区域后迅速衰减，有效作用区域在距离中心点的周长为一个波长的区域. 图15 3GHz 时的天线表面电流分布图16 1GHz 时的天线表面电流分布3 结语通过上面两种不同天线的分析可以得出利用HFSS 仿真软件可以很好地、很直观地、很具体地分析天线的一些性能参数，包括回波损耗、阻抗特性、远场区的三维方向图和二维方向图、天线表面电流分布图等.对于结构上造成的工作中心频率有所偏差的问题也可以通过结构参数优化的办法得以改善.这从很大程度上帮助学生以及工程人员对理论性极强、分析极其复杂的天线系统的理解，在现实的天线的设计分析中也有重要的意义.【相关文献】[1] 高建平,屈乐乐,杨天虹.电磁波工程基础[M].北京：北京航空航天大学出版社,2015.[2] 陈波,王志敏,杨峰.电磁场与波课程中天线教学创新实验设计[J].实验科学与技术,2011,9(2)：19-21+90.[3] 刘亮元,贺达红.电磁场与电磁波仿真实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(5)：30-32.[4] 屈乐乐,杨天虹.基于HFSS 仿真软件的天线实验课程研究[J].实验技术与管理2016,33(7)：129-132.[5] 侯维娜,邵建兴.Anosoft HFSS 仿真软件在天线教学实践中的应用[J].数字通信,2009,19(4)：87-89.[6] 冯奎胜,李娜，等.Ansoft HFSS 入门教程与仿真实例[M].北京：电子工业出版社,2013.[7] 李莉.天线与电波传播[M].北京：科学出版社,2013.。

hfss远场变量

hfss远场变量HFSS是一种非常流行的电磁场仿真软件，它能够帮助工程师和设计师模拟和优化各种无线通信设备、天线和微波电路。

在HFSS中，远场变量是非常重要的概念，它能够帮助用户了解电磁场在远离天线或器件的地方是如何变化的。

在本文中，我们将深入探讨HFSS中远场变量的相关知识。

在HFSS中，远场是指远离源头的电磁场。

在大多数应用中，我们通常关注的是远场的特性，因为它们能够提供更多有用的信息。

HFSS能够帮助用户计算和分析远场的各种参数，如辐射方向图、辐射功率密度、远场场强等。

这些参数对于设计和优化天线、微波器件等具有重要意义。

远场变量在HFSS中主要包括辐射方向图、辐射功率密度和远场场强。

辐射方向图是指天线或器件在远场中的辐射特性，它可以告诉我们信号的辐射方向、辐射强度分布等信息。

辐射功率密度则是指单位面积或单位体积内的辐射功率，它可以帮助用户评估设备的辐射效率。

远场场强是指在远场中的电磁场强度，它可以帮助用户了解信号在远场的衰减情况。

在HFSS中，用户可以通过设置远场监视器来计算和分析远场变量。

远场监视器是一种用来捕捉远场参数的工具，用户可以根据需要设置监视器的位置和参数。

通过远场监视器，用户可以得到天线或器件在远场中的各种参数，并根据这些参数进行优化和改进设计。

远场变量在HFSS中的应用非常广泛。

例如，在天线设计中，用户可以通过分析远场变量来评估天线的辐射性能，优化天线的指向性和增益。

在微波器件设计中，用户可以通过远场变量来评估器件的辐射功率密度，改善器件的辐射效率。

远场变量的分析和应用可以帮助用户更好地理解电磁场的特性，指导设计和优化工作。

总的来说，HFSS中的远场变量是一种非常重要的概念，它能够帮助用户分析和优化电磁场的远场特性。

通过对远场变量的深入了解和应用，用户可以更好地设计和优化各种无线通信设备、天线和微波器件。

希望本文能够帮助读者更好地理解HFSS中远场变量的相关知识，指导实际的工程和设计工作。