基于HFSS的Ka波段微带阵列天线仿真
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。
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
一、前言
微带天线，即微带感应力天线，是一种先进的电磁发射天线，它采用微细空心管及其他微带元件，广泛应用于宽带、多址无线通信、脉冲定位系统、脉冲探测系统等许多应用中。
以HFSS为工具，设计微带感应力天线，能够更加直观地分析微带天线的性能，从而帮助我们了解微带天线的传输特性，并根据实际应用需求实现天线高效性能设计。
二、微波仿真HFSS的设计步骤：
1、首先，选择好所采用的HFSS软件，确定需要分析的微带感应力天线的构型，并建立计算模型。
2、根据相关理论，计算出微带天线的基本参数，如振子长度、空心管半径和微带宽度等，以及天线的振荡频率、相位阶跃和频带宽等。
3、设置相应的仿真网格，根据天线实际的构形，划分仿真区域，确定网格大小和步长，以达到较高的空间分辨率，从而获得更准确的仿真结果。
4、设置仿真参考电路，根据计算出的微带天线振子长度、空心管半径和微带宽度等，及其传输特性，利用HFSS软件设置好参考模型，以及仿真频率。
5、开启仿真计算，间接计算和直接计算，从而获得微带感应力天线的S参数，用于评估微带天线的性能。
Ka波段微带环行器设计与HFSS仿真
态下 由端 口 １ 激励起 的驻波场 。 当端 口 ２ 和３ 开路 时， 其 电压与输入 电压反相 ， 其值约为输入 电压的
Ａｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ＨＦ Ｓ Ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ 【 ｅ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ． ｉ ｎｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｒ ｎｇ ａ ｅｏ ｆ３ １ － ４ ０ ＧＨｚ ，ｔ ｈ ｅｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓｉ ｎ ｓ ｅ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎｌ ｏ ｓ ｓ ０ ． ３ ｄ Ｂ，
１引言
近年来随着我 国雷达技术 、电子对抗技术、通
讯 、相 控雷 达尤其 是集 成 电路 的发 展 ，对 微 带环行 器 的需求大 大增加 。为满 足这 一需 要 ，我 们研 制 了 工 作于 Ｋａ波段微带环 行器 ， 其在集成 电路 中起 阻抗 匹配和 去耦作 用 ，器件具 有体 积小 、重量 轻 、性能 好 、便 于实现 单片 混合集 成等特 点 ，在满足 客 户需
ＶＳ Ｗ Ｒ １ ． ２， ｉ ｓ ｏ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ０ ｄ Ｂ， ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｂ ｎｄ ａ ｗｉ ｄ ｈ ＞２ ｔ ５ ％ ， ｍｅ ｅ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ：ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｐ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ；ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ； ｇ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
适 当 的偏置 磁场 制成 。
其 显著特 点是 中心 圆盘 结 的谐 振 效应 ， 当铁 氧 体基 片 内场 为零 时 ， 圆盘 结构 在最低 频 率上 的谐 振 具有 偶 极子 模式 ，其 电场 矢量 垂直 于 圆盘 平面 ，而 微波 磁场 矢 量与 圆盘 平面 平行 。图 １ ａ为非 磁化 状
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。
基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计
基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计摘要：本文利用HFSS软件对不同形状的微带贴片天线进行了仿真设计。
通过对各种形状的微带贴片天线进行性能仿真分析，在不同频段下评估其天线参数，如增益、带宽等。
通过对比分析，找出性能较优的微带贴片天线形状。
本研究对微带贴片天线的设计和优化提供了一定的参考和指导。
关键词：HFSS；微带贴片天线；仿真设计1. 引言微带贴片天线广泛应用于移动通信、雷达系统、卫星通信等领域。
其具有结构简单、制造工艺方便、重量轻、频带宽广、使用灵活等优点。
而微带贴片天线的性能受到其形状、尺寸和材料等因素的影响。
本文将利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对不同形状的微带贴片天线进行仿真设计，旨在寻找性能较好的天线形状，并为微带贴片天线的实际设计提供一定的参考和指导。
2. 微带贴片天线的基本原理微带贴片天线是通过在基底板上制备一片金属片来实现辐射，基底板的材料可以是电介质材料。
微带贴片天线由贴片（patch）、馈电线（feed line）和反射层（ground plane）组成。
基本原理是在贴片上注入射频信号，通过馈电线将信号传输到贴片上，然后贴片将电磁波辐射至空间中。
贴片的尺寸和形状以及馈电线的位置和长度将直接影响到天线的工作性能。
3. HFSS软件介绍HFSS是一款高性能的电磁场仿真工具，广泛应用于天线设计、微波器件的仿真分析等方面。
它可以对各种类型的天线和微波器件进行三维模拟，通过输入几何参数和电磁性能参数，可以得到仿真结果和相应性能参数。
4. 不同形状微带贴片天线的仿真设计在本研究中，我们设计了三种不同形状的微带贴片天线，分别为矩形、圆形和椭圆形。
设计参数如下：矩形贴片天线：边长2cm，贴片材料为铜。
圆形贴片天线：直径2cm，贴片材料为铜。
椭圆形贴片天线：长轴4cm，短轴2cm，贴片材料为铜。
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
HFSSV天线仿真基本操作指南
HFSSV天线仿真基本操作指南HFSS 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)第⼀章创建⼯程⼀、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DrivenTerminal，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。
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（高频结构模拟软件）是一种专业的电磁场仿真软件，可以用于电磁场分析和天线设计。
在通信领域，天线设计是非常重要的工作，而微带天线是一种常用的天线结构之一。
本文将基于HFSS软件对矩形微带天线进行仿真与设计，以探讨其性能和特点。
矩形微带天线是一种常见的微带天线结构，其结构简单、制作方便，并且在通信系统中有着广泛的应用。
矩形微带天线的主要结构是由金属贴片和衬底组成，金属贴片通常被设计成矩形或正方形，可以直接在PCB（Printed Circuit Board）板上加工制作。
由于其结构简单并且性能良好，所以矩形微带天线备受研究者的关注。
在HFSS软件中进行微带天线的仿真与设计，需要按照以下步骤进行：1. 建立仿真模型：首先需要建立微带天线的三维模型，包括金属贴片和衬底。
在HFSS软件中，可以通过绘制结构、设置材料参数、定义边界条件等步骤来完成模型的建立。
2. 定义仿真参数：在建立好仿真模型后，需要定义仿真的频率范围、激励方式、网格密度等参数，以确保仿真的准确性和有效性。
3. 进行仿真分析：在设置好仿真参数后，可以进行频域分析或时域分析，得到微带天线的S参数、辐射场分布等重要信息，从而评估微带天线的性能。
4. 优化设计：根据仿真结果，可以对微带天线的结构参数进行调整和优化，以获得更好的性能指标，比如增益、带宽、驻波比等。
通过以上步骤，可以在HFSS软件中对矩形微带天线进行全面的仿真与设计，为微带天线的工程应用提供良好的设计基础和技术支持。
接下来，将从两个方面对基于HFSS的矩形微带天线仿真与设计进行详细介绍。
第一、HFSS仿真分析在HFSS软件中对矩形微带天线进行仿真分析，主要是评估其性能指标和辐射特性。
常见的性能指标包括带宽、增益、辐射方向图、驻波比等。
对于微带天线的带宽来说，是一个很重要的性能指标。
带宽的宽窄直接关系到天线的频率覆盖范围，在通信系统中有着重要的应用。
微带天线的hfss仿真设计实验内容
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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）是一种基于有限元法的高频电磁场仿真软件，常用于微带天线的仿真与设计。
微带天线是一种常见的高频天线，广泛应用于通信系统、雷达系统、航天航空领域等。
HFSS软件可以通过电磁场分析和仿真，帮助工程师进行微带天线的设计和优化。
以下是基于HFSS矩形微带天线仿真与设计的一般流程：1. 几何设计：确定微带天线的基本结构和尺寸。
对于矩形微带天线，需要确定矩形天线的长度和宽度。
2. 设置材料参数：选择合适的材料参数，包括介电常数和损耗 tangent。
3. 建立模型：使用HFSS软件中的设计工具，绘制微带天线的三维几何模型。
4. 设置边界条件：为模型设置适当的边界条件，包括射频端口（端口的位置和大小）和地面端口。
5. 网格划分：根据模型的尺寸和几何形状，进行网格划分。
合理的网格划分可以提高仿真结果的准确性和仿真速度。
6. 应用激励：给模型应用合适的电磁激励条件，电源电流或电压。
7. 运行仿真：通过HFSS软件运行电磁场仿真，得到微带天线的频率响应、辐射图案等关键参数。
8. 优化设计：根据仿真结果，对微带天线的参数进行优化。
可以通过调整天线的尺寸或形状，改变天线的工作频率和增益。
9. 评估性能：通过仿真结果评估微带天线的性能，包括工作频率带宽、谐振频率、辐射效率和辐射模式等。
10. 进行实验验证：对设计好的微带天线进行实际制造和测试，验证仿真结果的准确性。
HFSS矩形微带天线的仿真与设计流程主要包括几何设计、设置材料参数、建立模型、设置边界条件、网格划分、应用激励、运行仿真、优化设计、评估性能和实验验证。
通过HFSS软件的仿真和优化，可以帮助工程师设计出高性能的矩形微带天线。
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。
基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计
2008年11月吉林师范大学学报(自然科学版) .4第4期Journal of Jilin Normal University (Natural Science Edition)Nov.2008收稿日期:2008 07 27作者简介:张天瑜(1980 ),男,江苏无锡人,现为无锡市广播电视大学机电工程系讲师,江南大学硕士.研究方向:通信、电工电子、控制、小波领域的研究.基于HFSS 的不同形状微带贴片天线的仿真设计张天瑜(无锡市广播电视大学机电工程系,江苏无锡214011)摘 要:微带贴片天线的贴片形状是影响天线性能的重要因素.通过HFSS 软件对矩形微带贴片天线和圆形微带贴片天线进行设计与仿真,比较了两种不同形状贴片天线的尺寸以及各自的S 参数图、方向图和输入阻抗图.仿真结果表明两种微带贴片天线都存在带宽过窄的问题.综合考虑天线的各项性能指标,矩形微带贴片天线要优于圆形微带贴片天线.关键词:微带贴片天线;S 参数;方向图;输入阻抗;HFSS 仿真中图分类号:TN 823 文献标识码:A 文章编号:16743873 (2008)04 0121 051 引言微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线,它具有剖面低、体积小、重量轻、可共形、易集成、馈电方式灵活、便于获得线极化和圆极化等优点.目前已在移动通信、卫星通讯、导弹遥测、多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用.其中贴片的形状是影响天线性能的重要因素之一,它直接影响着天线的带宽、频率、增益等指标.在微带贴片天线的设计过程中,由于多项技术指标是互相联系、互相影响的,所以需要对天线的性能指标进行综合考虑,从而来选择符合实际需要的贴片形状[1 5].本文通过Ansoft 公司的HFSS 软件分别对矩形和圆形两种常见的微带贴片天线进行设计和仿真,并对其天线性能进行了比较与分析.2 仿真设计2.1 HFSS 仿真软件的介绍高频结构仿真器(High Frequency Structure Simu lator,HFSS)是一款界面友好、功能完备、采用有限元法的三维全波电磁场仿真软件,可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场,能直接得到特征阻抗、传播常数、S 参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果.它广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域,具有以下特色功能:(1)用户可以通过交互式界面输入高频元件或电路的几何结构、材料类型、端口位置、端口特性阻抗定义线等参数.(2)可以按用户指定的精度计算多端口结构端口处的S 参数.(3)能以电场强度E 和磁场强度H 作为基本物理量,从麦克斯韦(Maxwell)方程出发,求解微波元件中的电场和磁场的分布和各种曲线及图形.(4)可以同时分析多个微波元件,即进行并行处理.(5)能够与频域/时域的电路仿真器Nexxim 和Ansoft Designer 实现动态链接,拥有方便的原理图集成和仿真数据的管理,具备功能强大而高效的电磁场设计流程.2.2 HFSS 仿真设计的过程(1)设定HFSS 软件运行参数,如设定解算类型、是否复制几何图形的边界、是否打开各工具窗口等.(2)打开新的工程,并在工程中插入一个或多个HFSS 设计(insert HFSS design).(3)根据天线设计时的技术指标以及计算所得到的天线参数,如天线的尺寸、材料、激励、边界等,获得仿真天线模型[6].(4)设置仿真天线模型的分析参数,如插入远场设置、解算频率、起始频率、终止频率、扫频模式、扫描次数,并进行校验分析.(5)根据仿真天线模型来获得天线对应的特性图,如S 参数图、方向图、输入阻抗图.2.3 矩形微带贴片天线的设计与仿真设在接地板未开缝的情况下,中心频率f r =2.34G Hz,接地板的尺寸为50mm 50mm,介质板材料为FR4,相对介电常数 r =4.4,介质板的厚度h =1.6mm.矩形微带贴片天线的各参数通过下列公式计算[7]:!121!W<c2f r r+12-1/2c为光速W为贴片的宽度(1)l=0.412h( r+0.3)(W/h+0.264)( r-0.258)(W/h+0.8)l为等效延伸长度(2)L=g2-2 l L为贴片的长度(3)e= r+12+r-121+10hW-1/2e为等效介电常数(4)0=Cf r0为电磁波波长(5)g=0eg为等效电磁波波长(6)设辐射边界的长宽略大于接地板与介质板的长宽,其顶部高于贴片0/4.GND尺寸:L c∀L+0.2g L c为接地板的长度(7)W c∀W+0.2g W c为接地板的宽度(8)建立坐标系,其中X轴代表微带天线的贴片长度,Y轴代表微带天线的贴片宽度,Z轴代表微带天线的贴片高度,则同轴馈线的位置为(!p,0,0).其中!p=2L -L∀arccos5W60(9)矩形微带贴片天线模型的参数设置如下所示:GND(-25,-25,0)d x=50,d y=50,d z=0 rectangle pecSub(-25,-25,0)d x=50,d y=50,d z=1.6 box FR4#epoxyPatch(-12,-8,1.6)d x=24,d y=16,d z=0 rectangle pecCoax(-3.45,0,0)d x=1.15,d y=0,d z=-1.6 cylinder vacuumPort(-3.45,0,-1.6)d x=1.15,d y=0,d z=0 circleCoax#pin(-3.45,0,0)d x=0.5,d y=0,d z=-1.6cylinder pecProbe(-3.45,0,0)d x=0.5,d y=0,d z=1.6 cylinder pecAirbox(-35,-35,30)d x=70,d y=70,d z=-30box vacuum通过计算可得,贴片的宽度W=24mm,贴片的长度L=16mm,由此贴片的面积为S=348mm2.以上是采用背馈式的矩形微带贴片天线[8],利用HFSS软件进行仿真所得的天线模型,如图1(a)所示.2.4 圆形微带贴片天线的设计与仿真为了方便对照,设圆形微带贴片天线与上述的矩形微带贴片天线具有相同的中心频率、介质板材料、相对介电常数及介质板厚度[9].在频率较低时(小于2GHz),圆形微带贴片天线贴片半径的计算公式为:a=1.841c2∀f r r(10)在频率较高时(大于2GHz),圆形微带贴片天线的贴片半径还与介质板的厚度有关,其计算公式为:a e=a[1+2h∀a r(ln∀a2h+1.7726)]2(11)由于使用理论半径所设计出的天线无法满足天线的实际使用性能,所以圆形贴片的实际半径要比理论值大得多,并且需要通过不断调整仿真参数来满足天线的设计要求[10].通过多次调整与仿真,最后获得圆形微带贴片天线模型的参数设置如下: Sub(-23,-23,0)d x=46,d y=46,d z=1.6 box FR4#epoxyGND(-23,-23,0)d x=46,d y=46,d z=0 rectangle pecPatch(0,0,1.6)d x=17.7,d y=0,d z=1.6rect angle pecCoax(-6.9,0,0)d x=0.9246,d y=0,d z=-1.6cylinder vacuumCoax#pin(-6.9,0,0)d x=0.402,d y=0,d z= -1.6cylinder pecProbe(-6.9,0,0)d x=0.402,d y=0,d z=1.6 cylinder pecPort(-6.9,0,-1.6)d x=0.9246,d y=0,d z= -1.6circleCut(-6.9,0,0)d x=0.9246,d y=0,d z=0cir cle通过计算可得:贴片半径a=17.7mm,则贴片的面积为S=983mm2.以上是采用背馈式的圆形微带贴片天线,利用HFSS软件进行仿真所得的天线模型,如图1(b)所示.2.5 两种微带贴片天线的性能比较在矩形微带贴片天线与圆形微带贴片天线仿真模型的基础上,通过HFSS软件设置相关的分析参数,最终获得天线的特性图,包括S参数图,方向图以及输入阻抗图,它们分别如图2、图3和图4所示.S参数是在波端口处电磁波的反射功率与入射功率之比,它和阻抗匹配有关,并且决定着驻波比.S 参数图是描述天线的S参数随频率变化的图形.一般认为S参数小于-10dB时,天线才能正常工作,此时的驻波比大致为2.绝对频带宽度定义为S参! 122 !图1 微带贴片天线的仿真模型数小于-10dB 的频率范围.相对频带宽度定义为绝对带宽与中心频率之比.在图3(a)中,矩形微带贴片天线的中心频率为2.34GHz,上截止频率为2.38GHz,下截止频率为2.30GHz,绝对频带宽度为0.08GHz,相对频带宽度为3.42%,S 参数的最低点为-20.58dB.在图3(b)中,圆形微带贴片天线的中心频率为2.32GHz,这是由于为了获得效果更好的E 面与H 面的空间增益,导致天线的中心频率产生了微小的偏移.其上截止频率为2.36GHz,下截止频率为2.28GHz,绝对频带宽度为0.08GHz,相对频带宽度为3.45%,S 参数的最低点为-39.55dB.方向图是用来表示天线的辐射参量随空间方位变化的图形.E 面和H 面分别反映了天线在XOZ 面和YOZ 面上的增益大小.通过图3(a)和图3(b)的比较可以发现两种不同形状的微带贴片天线的对称性都较好,在Z 轴方向上,两者的辐射强度都达到最大值.其中矩形微带贴片天线的增益为2.069dB,圆形微带贴片天线的增益为1.013dB.由此可得,矩形微带贴片天线的E 面和H 面在Z 轴方向上辐射较强要强于圆形微带贴片天线,其方向性较圆形微带贴片天线更好.天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入图2 S参数图图3 方向图!123!图4 输入阻抗图电流的比值[11,12].输入阻抗图是描述天线的输入阻抗随频率变化的图形.当输入阻抗的虚部为零时,如果实部等于50#,则天线与馈线达到阻抗完全匹配,此时S参数可以达到很小.在图4(a)中,当矩形微带贴片天线输入阻抗的虚部为零时,实部为50 14#,并且在虚部接近零时,实部下降比较平滑,所以阻抗匹配很好.在图4(b)中,当圆形微带贴片天线输入阻抗的虚部为零时,实部为50.71#,并且在虚部接近零时,实部下降也比较平滑,所以阻抗匹配略逊色于矩形微带贴片天线.通过对矩形微带贴片天线与圆形微带贴片天线的比较,可以得到以下结论:(1)贴片形状的不同对微带天线的带宽影响不大,两种贴片天线的相对带宽都非常窄,在3.4%左右,这是微带贴片天线的一个重大缺陷.随着双模态滤波、多层缝隙耦合、双极化、半U型开缝等先进技术在扩频方面的不断发展,微带贴片天线的带宽将得到有效的扩展[13 15];(2)在中心频率相同、介质板材料相同、相对介电常数相同、介质板厚度相同的前提下,满足天线设计要求的圆形贴片面积是矩形贴片面积的2.56倍,这样矩形微带贴片天线在尺寸上就更占优势;(3)对比两种贴片天线的方向图可知,矩形微带贴片天线的增益是2.069dB;而圆形微带贴片天线的增益只有1.013dB,矩形微带贴片天线的方向性更具优势;(4)不论是矩形微带贴片天线还是圆形微带贴片天线,其输入阻抗的频率特性都较好,两种天线与馈线都可以很好的达到阻抗匹配[16].3 结语随着EDA技术的飞速发展,HFSS已经成为微带天线设计人员不可缺少的工具.通过HFSS软件的仿真分析,可以直观地看出矩形微带贴片天线与圆形微带贴片各自的优缺点,在一般情况下(具体要求贴片形状的微带天线除外)矩形微带贴片天线相对于圆形微带贴片天线的优势非常明显,无论从贴片的尺寸大小还是增益上,矩形微带贴片天线都应是首选.随着扩频技术的发展,微带贴片天线的应用领域将会变得越来越广.参 考 文 献[1]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.[2]王扬智,张麟兮,韦 高.基于HFSS新型宽频带微带天线仿真设计[J].系统仿真学报,2007,19(11):2603~2606.[3]Chair R,Ki shk A A,LEE K parative s tudy on the mutual c oupling between different siz ed cylindrical dielectric res onators antennas and circul ar microstrip patch antennas[J].IEEE Trans ac tions on Antennas and Propagation,2005,53(3):1011~1019.[4]Lee S,Woo J,Ryu M,et al.Corrugated ci rcular microstri p patch antennas for miniaturisation[J].Elec tronics Letters,2002,38(6):262~263.[5]M ak C L,Luk K M,Lee K F,et al.Experimental s tudy of a micros trip patch antenna w i th an L shaped probe[J].IEEE Transacti ons on Antennas and Propagation,2000,48(5):777~783.[6]Wang J J,Zhang Y P,Kai M C,et al,Circui t model of micros trip patch antenna on cera mic land grid array package for antenna-chip codesi gn of highl y integrated RF transcei vers[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2005,53(12):3877~3883.[7]王 斌,曲新波,张宏苏.短路针加载矩形微带贴片天线的研究[J].军事通信技术,2006,27(4):58~61.[8]栾秀珍,谭克俊,邰佑诚.小型矩形微带贴片天线的理论分析[J].大连海事大学学报(自然科学版),2002,28(2):66~68.[9]伍 刚,张小平.基于腔模理论对圆形微带天线的研究[J].微计算机信息,2007,23(9):162~163.[10]Verma A K,Nasi muddin.Analysis of ci rcular microstrip patch antenna as an equivalent rectangular micros trip patch antenna on is o/anis otropic thick substrate[J].IEE Proceedings Microwaves,Antennas and Propagati on,2003,150(4):223~229.[11]Jaiss on D.Simple model for computing the input impedance of a rectangular patch antenna with elec tromagnetic coupling[J].IEE Proceedings Microwaves,Antennas and Propagation,2005,152(6):476~480.!124![12]Burum N,Sipus Z.Input impedance and mutual coupling of spherical rec tangular micros trip patch antennas[C].ICECom2003.17th International Conference on Applied Electromagnetics and Communications,2003:209~212.[13]Abunjaileh A I,Hunter I C,Kemp,A H.Applicati on of dual mode fi lter techniques to the broadband matc hing of micros trip patch antennas[J].IET Microwaves,Antennas and Propagation,2007,1(2):273~276.[14]Mati n M A,Sharif B S,Tsi menidi s C C.Dual layer stacked rectangular microstrip patc h antenna for ultra wideband applications[J].IET M icrowaves,Antennas and Propagati on,2007,1(6):1192~1196.[15]Gao S,Li L W,Leong M S,et al.A broad band dual polariz ed microstrip patch antenna with aperture coupling[J].IEEE Transactions on Antennas andPropagati on,2003,51(4):898~900.[16]丁 毅,王光明,苏文然.一种新型单层单贴片宽带圆形微带天线[J].弹箭与制导学报,2007,27(5):274~276.The Simulation Design for Different Patch Shape ofMicrostrip Patch Antenna Based on HFSSZ HANG Tian yu(Department of Mechanical and Electrical Engineeri ng,Wuxi Radio&Televisi on University,Wuxi214011,China)Abstract:The patch shape of microstrip patch antenna is the important factor which affects the performance of antenna. The rectangular microstrip patch antenna and the circular one are designed and simulated with parison has been made between the two different patch antennas,such as the size,S parameters chart,pattern and input impendance chart.The simulation result sho ws that the bandwidth of two microstrip patch antenna is too narrow.By comprehensive consideration of each performance index,the rectangular microchip antenna is better than the circular one.Key words:microstrip patch antenna;S parameters;pattern;input impedance;HFSS simulation(上接第120页)[5]Silva J.B,et al.Preparation of Composites of Nickel Ferri tes Dispersed i n Sillica M atrix[J].J.Magn.Magn.M ater,2001,139:226 230.[6]Yan S.F,et al.Preparation of Ni0.65Zn0.35Cu0.1Fe0.9O4/SiO2Nanocomposites by sol gel Method[J]J.Cryst.Gro wth,2004,262:415 419.[7]孔令兵,等.氧化铁/二氧化硅多孔凝胶玻璃的制备[J].西安交通大学学报,1995,29:23 28.[8]Ennas G,et al.Iron and i ron oxide on silica nanocomposites prepared by the sol gel method[J].J.Mater.Res,2002,17:590 596.[9]Huang X.H,Chen Z.H.A s tudy of nanocrystalline Ni Fe2O4in a silica matri x[J].Materials Research Bulle tin,2005,40:105 113.Influence of Drying Temperature on CoFe2O4/SiO2NanocompositesC HE N Jing yan,QI Hai yan,HE Xiao guang(College of Phys ics,Changchun Normal Uni versity,Changchun130032,China)Abstract:CoFe2O4/SiO2nano composites were prepared by the sol gel method.The influence of drying temperature on the microstructure and crystalline size of CoFe2O4/SiO2nano c omposites were investigated by TG/DTA and XRD.Fur thermore,the influence of the initial drying te mperature on particle size of CoFe2O4suggests that a well established sili ca network provides more restric tion on the growth of CoFe2O4particles.Key words:sol gel method;CoFe2O4/SiO2;drying temperature;grain size!!125。
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。
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总结与展望
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教程内容回顾
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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。
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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。
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05 微带天线仿真实例
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• 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 的微带天线建模仿真研究
基于HFSS 的微带天线建模仿真研究作者：宋庆武来源：《电脑知识与技术》2015年第26期摘要：微带天线由于具有很多优点而被广泛应用到很多领域。
可是由于微带天线产生的表面波会向周围空间辐射电磁波，首先降低了天线的辐射效率，而且还会使天线方向图恶化，在应用中容易受到干扰。
该文对于普通微带天线的性能进行了分析，并研究了HFSS仿真软件在微带天线建模研究中的应用。
关键词：微带天线；增益；方向性；HFSS中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）26-0199-03Research of Microstrip Antenn Modeling Based HFSSSONG Qing-wu（Hulunbeier Meterological Administration， Hulunbeier 021008， China）Abstract： Microstrip antenn as have many advantages and is widely applied to many areas. However， microstrip antenna surface wave electromagnetic radiation to the surrounding space，first of all to reduce the radiation efficiency of the antenna， but also to make the antenna pattern deterioration， susceptible to interference in the application.This article analysis ordinary microstrip antenna's performance and discusses the application of the HFSS simulation software in microstrip antenn modeling.Key words： microstrip antenna； antenna gain； directional； HFSS1 微带天线简介1.1 微带天线的优点伴随着日益迅速的社会信息化发展，对于在无线通信中发射和接受信号的关键设备天线的研究也越来越显得重要。
HFSS天线仿真操作步骤(GAO)
HFSS天线仿真操作步骤画激励面点选矩形框1 设置边界条件1 选择某个需要设成地的面，然后2 设为地平面（打钩）注：辐射单元也需要设置，但不需要在无线地的选项中打钩。
2 设介质选择好某个体，Box1.在下面的菜单中有“Material”项目。
点““Material”，弹出一个菜单。
选“Add Material”，又弹出一个菜单将原介电常数数值1修改为4.5后点“OK”则该处改为2.65点“确定”3 设置金属化孔重新选择某个面：“Edit”“Select”“By Nane”弹出菜单选择金属化通孔，点“OK”点框图中的“vacuum”（真空）弹出一个菜单移动滑动条到出现“copper”双击，确定。
4设置激励端口选“Wave Port”，弹出一个菜单。
选“下一步”点“None”，弹出下拉菜单，选“New Line”出现下面菜单设电场方向从下底板拉到上底板，但方向必须是垂直的为保证是垂直的，dx必须为0. 回车后弹出菜单点“下一步”出现下面菜单选择选完成。
5 创建辐射边界1 选2 输入合适数值3 输入合适数值4 回车确定5 辐射边界的一个面必须和激励面是一个面。
选“HFSS”“Boundaries(边界)”“Assign（分配）”“Radiation（辐射）”弹出一个菜单点“OK”。
让辐射边界不显示出来。
点右键，选“View”“Hide Selection”6 选择步进值点“放大镜”符号弹出一个菜单设置步进值点，弹出下面菜单：点“确定”，弹出下面菜单：修改几个数值：8 运行中心频率选“4G”打开“Setup1”下面的“Sweep1”修改步进值为“0.01”10输出曲线1 用左键点击“Results”弹出下拉菜单：选第一个“Create Report”(创建报告)弹出一个菜单点“OK”,弹出一个菜单：选“Done”即可输出曲线12 表面电流分布的输出1 选择要分析电流的那个面点右键，选“Fields”，“E”“Mag_E”,弹出一个菜单选“Done”，即可显示结果。
HFSS天线仿真操作步骤
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_1
Le2
[=1 CreateRectangl
O CoverLines
I III
选“下一步”
I I t±j uy-LLitaeri _oi_iu
点"None",弹出下拉菜单，选"NewLine”
出现下面菜单
Draw the port line・When you are finished, the port edit dialog will reappea匚
Origin
Relative
PariTii tti vi ty
R^lati va
Parnaability
入
—
点“确定”
3
重新选择某个面:
2
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View Project Draw 3D Modeler HFSS Tools Window Help
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01Redo
Ctrl+Y
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Faces
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Faces
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Hext Behind
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Faces On Plane
Select Connected ices
Select Connected Edges Select Corjiected Faces
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船Cut
Ctrl+X
1 F ® [Object J
基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计
基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计一、本文概述随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的关键组成部分，其性能对整个系统的性能具有决定性的影响。
微带贴片天线作为一种常见的天线类型，因其体积小、重量轻、易于集成和制造成本低等优点，在无线通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。
微带贴片天线的性能受到其形状、尺寸、介质基板等因素的影响，如何设计出具有优良性能的微带贴片天线成为了研究的热点。
本文旨在利用高频结构仿真器（HFSS）这一强大的电磁仿真工具，对不同形状微带贴片天线的性能进行仿真研究。
我们将对微带贴片天线的基本理论进行简要介绍，包括其工作原理、主要参数和性能评价指标等。
我们将设计并仿真几种不同形状（如圆形、方形、矩形、椭圆形等）的微带贴片天线，分析它们的性能特点，包括回波损耗、带宽、增益、方向性等。
我们将根据仿真结果，对不同形状微带贴片天线的性能进行比较和评价，以期为实际的天线设计提供有益的参考和指导。
通过本文的研究，我们期望能够为微带贴片天线的设计提供新的思路和方法，推动其在无线通信领域的应用和发展。
我们也期望通过本文的研究，能够加深对微带贴片天线性能影响因素的理解，为其他类型天线的设计提供借鉴和启示。
二、软件介绍及其在天线设计中的应用HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft 公司开发的一款三维电磁仿真软件，专门用于模拟分析高频结构中的电磁场问题。
该软件采用有限元法（FEM）进行求解，能够准确模拟包括微带天线在内的各种高频无源器件的三维电磁特性。
HFSS以其强大的仿真能力和广泛的适用性，在天线设计、微波电路、高速互连、电磁兼容等领域得到了广泛应用。
天线性能分析：通过HFSS，设计师可以分析天线的辐射性能，包括方向图、增益、效率等关键指标。
这对于优化天线设计，提高其性能至关重要。
天线结构优化：HFSS允许用户自由定义天线的几何形状和材料属性，通过参数化扫描和优化算法，找到最优的天线结构，从而提高其性能。
基于HFSS的微带天线建模仿真研究
基于HFSS的微带天线建模仿真研究
宋庆武
【期刊名称】《电脑知识与技术》
【年(卷),期】2015(011)026
【摘要】微带天线由于具有很多优点而被广泛应用到很多领域.可是由于微带天线产生的表面波会向周围空间辐射电磁波,首先降低了天线的辐射效率,而且还会使天线方向图恶化,在应用中容易受到干扰.该文对于普通微带天线的性能进行了分析,并研究了HFSS仿真软件在微带天线建模研究中的应用.
【总页数】4页(P199-201,204)
【作者】宋庆武
【作者单位】呼伦贝尔市气象局,内蒙古呼伦贝尔021008
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.基于HFSS的0.93GHz圆极化陶瓷微带天线的仿真研究 [J], 陈琳;郭珂;张雨;桂松
2.基于HFSS的小型宽带微带天线的研究与设计 [J], 惠鹏飞;夏颖;周喜权;王艳春
3.基于HFSS矩形微带天线仿真与设计 [J], 王琨;王茂丞;李宗泽;林昊晨
4.2.4GHz/12GHz微带天线的设计——基于HFSS9.2软件微带天线的设计 [J], 任伟;曾文波
5.基于HFSS软件轮胎胎压监测系统微带天线的设计 [J], 康永
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1前言
Ka波段微带天线是指工作频段在26-40GHz，波长范围在1.11-0.75cm的微带天线。
鉴于Ka频段具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小等优点，Ka波段天线在空间方面主要应用于卫星通信。
在全球信息基础设施中，Ka波段卫星发挥着至关重要的作用，能够向最终用户提供各种经济实惠的实时网络服务，例如高速互联网接入、远程教育、远程诊断以及电视娱乐等。
因此，Ka波段天线具有不可替代的重要作用。
而Ka波段微带天线以其重量轻、剖面小、设计灵活、成本低廉且易和MIC、MMIC等电路相集成等优点应用于各种通信系统，并且已广泛应用于军事领域，例如雷达、导弹制导、引信等方面[1-3]。
目前，Ka波段微带天线在空间方面主要应用于卫星通信、飞机上的通信及警报设备、飞船与地面的通信等。
另外，在宇宙空间方面主要应用于资源探测。
在地面应用主要针对地面通信或对空中飞行物的定位、定向等。
例如地面无线通信、飞机测高、机场管理、环境监测、汽车防撞雷达医疗设备、卫星电视接收等。
本文对Ka波段微带天线进行仿真设计，对微带天线单元、T型接头的微带天线阵列天线进行了分析，仿真了天线S参数和方向图等特性。
2微带阵列天线仿真设计
2.1天线单元设计
利用HFSS仿真设计微带天线单元。
选取天线结构如图1所示。
使用Rogers RT/duriod ε=，厚度h=0.245的介质基片。
根据参考文献[1]，考虑f0=35.125GHz，5880介电常数 2.2
r
且取得低极化电平的限制为W/L=1.5，故先选取W=3.8mm，L=2.6mm。
微带馈线特性阻抗选择为94Ω，馈线宽度为0.238mm。
馈电位置选择在微带贴片的边缘位置馈电。
图1 微带天线单元图2 微带天线单元S11仿真结果
微带贴片单元S11仿真结果如图2所示，从图中可以看出当前的微带天线单元在
34.2GHz～35.6GHz范围内满足S11<-10dB，带宽为1.4GHz；谐振频率为34.88GHz。
2.2馈电网络设计
馈电网络设计的主要任务是保证各阵元所要求的激励振幅和相位，比便形成所要求的方向图，主要要求是阻抗匹配、损耗小、频带宽和结构简单。
天线阵中各单元同幅同相，为达到这一要求，必须使到各单元的馈线等长。
但馈线等长时，波速指向与频率无关，所以频带宽度主要取决于阻抗匹配的频带。
为此，必须使馈线与贴片单元和馈线各接头做到良好的匹配。
本设计中采用由T型结构组成的等幅同相的馈电网络[4-5]。
2.2.1T型接头
首先是T型接头的设计。
根据传输线理论，将并接的两段特性阻抗均为Z1的馈线通过阻抗变换器匹配到特性阻抗为Z2的馈线，中间的阻抗变换器长度为工作波长的四分之一，
Z=T型接头的不连续参量，可以在主线阻抗变换器的特性阻抗
上（分支线的对面）开个三角槽。
因为微带天线单元馈线宽度为0.238mm，特性阻抗为94Ω，为了设计简便，令Z1=Z2。
阻抗变换器的宽度为0.466mm，特性阻抗为70Ω，长度为1.54mm，θ=，腰的长度为0.507mm。
此外考虑到微带贴片单元馈电点在非辐射边三角槽的底角25
的边缘，当组成阵列时，如果直接用简单组合的型接头馈电网络为每个阵元馈电，将会导致型接头馈电网络的馈电点与阵元距离太近甚至重合，而影响微带贴片阵元的辐射方向图。
因此，为了保证阵元的间距，减少馈电网络与阵元之间的耦合，将馈电网络稍作改进[6]。
2.2.2馈电网络
利用上述T型接头，组成2×2阵列的等幅同相馈电网络，馈电网络结构及仿真结果如图3所示。
其中对于2×2阵列馈电网络，工作频率为35GHz时，对于端口1，反射系数
S11为-20dB，比单个T型接头增大了5dB，说明阻抗匹配情况有待进一步改善。
传输系数S21、S31、S41、S51分别为-6.2dB，-6.3dB，-6.5dB，-6.5dB。
对于更大的阵列，如4×4阵列由4个2×2阵列组成，以次类推。
（a）结构图（b）S参数特性
图3 2×2阵列馈电网络及仿真结果
2.3天线阵列设计
在Ka波段微带天线设计中，运用Ka波段的微带矩形贴片单元构成2×2、4×4、16×16等面阵形式，分析其阻抗特性及方向图中的增益、波束宽度、旁瓣等是否满足设计要
0.8 （在仿真中单元间距取7mm）。
求。
其中阵元间距取约
2.3.12×2阵列仿真
仿真中的阵列结构如图4所示。
天线使用微带线馈电，馈电端口的S11仿真结果如图5所示。
结果表明S11具有与单个天线单元相近的谐振频率。
但是由于馈电网络匹配的影响，该阵列的反射比单个天线单元大。
图4 2×2阵列结构图图5 2×2阵列S11
对于方向特性，2×2阵列方向图仿真结果如图6所示。
由于馈电网络关于XZ面具有不对称性，再考虑单元本身不对称性，导致YZ面的旁瓣增益明显高于XZ面。
（a）XZ面方向图（b）YZ面方向图
图6 2×2阵列方向图
2.3.24×4阵列天线方向图仿真
仿真中的阵列结构如图7所示。
天线使用微带线馈电，馈电端口的S11仿真结果如图8所示。
结果表明S11具有与单个天线单元相近的谐振频率。
对于方向特性，4×4阵列方向图仿真结果如图9所示。
图7 4×4阵列结构图图8 4×4阵列S11
（a ）XZ 面方向图 （b ）YZ 面方向图
图9 4×4阵列方向图 2.3.3 16×16阵列天线方向图仿真
考虑16×16阵列（尺寸约为120mm ×120mm ），直接进行仿真需要较多的资源。
作
为解决方案，本设计利用4×4阵列作为子阵，根据方向图乘法得16×16阵列方向图如图10所示。
（a ）XZ 面方向图 （b ）YZ 面方向图
图10 16×16阵列方向图 3 结论
本文主要利用HFSS 对Ka 波段微带天线单元、T 型接头及几种面阵S11进行了仿真，得到比较理想的仿真结果。
在仿真的过程中，我们发现HFSS 是一种非常实用的电磁仿真
软件，绘制天线结构时极其方便，仿真的结构很接近理想化。
最突出的是它所具有的参数化分析功能，极大地方便了软件的使用者。
[参考文献]
[1]田晓英.Ka波段微带天线设计[D].学位论文.南京理工大学.2008.
[2]蓝桥龙.毫米波微带天线研究[D].学位论文.电子科技大学.2006.
[3] lezari，C.D.Massey.MM- Wave Microstrip Antennas[J]. Microwave Journal.1987，（4）：87-99.
[4]谢处方，邱文杰.天线原理与设计[M].第1版.西安:西北电讯工程学院出版社，1985.
[5]I.J鲍尔，P.布哈蒂亚著，梁联悼，寇廷耀译.微带天线[M].第1版.北京:电子工业出版社，1984.
[6]张钧，刘克诚，张贤铎，赫崇骏.微带天线理论与工程[M].第1版.北京:国防工业出版社，1988.。