基于HFSS的微带天线设计与仿真
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
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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。
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引言一、HFSS介绍HFSS（High Frequency Structure Simulator），即高频结构模拟器，是由美国ANSYS 公司开发的一款专业的高频电磁场模拟软件，广泛应用于微波、射频和毫米波领域的电磁场分析与设计。
HFSS具有强大的仿真分析能力和友好的图形界面，在微带天线设计与分析领域有着广泛的应用。
二、矩形微带天线基本结构矩形微带天线通常由辐射片和衬底板两部分组成。
辐射片通常由金属片构成，形状可以是矩形、圆形、方形等，其大小与频率密切相关；衬底板可以采用介电常数较大的材料，如FR-4等。
辐射片与衬底板之间通过馈电位置（如微带线）连接。
在设计矩形微带天线时，需要考虑到辐射片的尺寸、馈电位置、地平板的大小等因素，以确保天线具有良好的频率特性。
三、HFSS仿真流程1. 建立模型：在HFSS软件中，首先需要建立矩形微带天线的三维模型。
通过绘制辐射片和衬底板的几何结构，设置材料参数和频率范围等，建立完整的仿真模型。
2. 设置边界条件：在建立完仿真模型后，需要设置合适的边界条件。
通常情况下，可以选择开放边界（PML）作为边界条件，以消除边界反射对仿真结果的影响。
3. 设置激励：在模型建立完成后，需要设置合适的激励方式。
根据具体的仿真需求，可以选择不同的激励方式，如电压激励、电流激励等。
4. 设定仿真参数：根据设计要求，设置合适的仿真参数，如频率范围、网格精度、求解器等。
这些参数的选择将直接影响仿真结果的准确性和计算速度。
5. 进行仿真计算：当所有仿真参数设置完毕后，即可进行仿真计算。
HFSS软件会根据设定的参数进行电磁场分析与计算，得到相应的仿真结果。
6. 仿真结果分析：根据得到的仿真结果，对矩形微带天线的性能进行分析，并进行必要的优化设计。
通过不断的仿真分析与优化设计，最终得到满足设计要求的微带天线结构。
四、矩形微带天线设计优化1. 辐射片大小优化：辐射片的大小直接影响着微带天线的工作频率。
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种常用于高频电磁场仿真的软件，可用于设计和优化天线等高频器件。
本文将对矩形微带贴片天线的仿真设计进行详细分析和报告。
1.研究目的本次仿真设计旨在设计一种结构简单、性能优越的矩形微带贴片天线。
希望通过HFSS软件的仿真分析，优化天线的频率特性、增益和辐射方向性。
2.设计细节首先，选择一种合适的基底材料和贴片形状。
常用的基底材料有FR-4、Rogers等，贴片形状一般选择矩形。
基于实际需求和设备限制，确定天线的工作频率范围和增益要求。
其次，根据工作频率计算出天线的尺寸。
根据微带天线的原理，通过公式计算出贴片的长度、宽度和介电常数。
可以利用尺寸调整和电气长度来调整频率响应和阻抗匹配。
然后，进行天线的仿真设计。
在HFSS软件中，建立仿真模型并进行电磁场分析。
可以通过调整尺寸、形状和介电常数等参数，优化天线的性能指标。
可以通过频率扫描和图形分析等方法，获得天线的频率响应、辐射特性、增益和辐射方向性等。
最后，评估和优化设计结果。
根据仿真结果对天线的性能进行评估，并进行合理的优化调整。
可以根据需求对天线的尺寸、形状和工艺参数进行调整，以达到最佳的性能指标。
3.仿真结果与分析通过分析仿真结果，可以总结出矩形微带贴片天线的设计优缺点：优点：1)结构简单，制造工艺成熟，易于实现和集成；2)在工作频率范围内具有较高的增益和辐射方向性；3)相对比较小的尺寸，适合应用于小型设备和多天线系统中。
缺点：1)工作频率受贴片尺寸和介电常数的影响较大，需要精确的尺寸控制和阻抗匹配设计。
4.结论与展望本文基于HFSS软件进行了矩形微带贴片天线的仿真设计和分析。
通过优化调整尺寸、形状和介电常数等参数，设计出了一种具有较高增益和辐射方向性的天线结构。
仿真结果表明，该设计满足了实际需求和性能指标。
然而，本文的仿真设计还存在一些改进空间。
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矩形微带贴片天线的仿真设计报告
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告矩形微带贴片天线的仿真设计实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz天线结构尺寸如表所示：名称起点尺寸类型材料Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.0528.1，32，0.05 Box pecPatch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16,0.05Box pecMSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 ,0.05Box pecPort -3.1125，-16，-0.052.49 ,0, 0.894 RectangleAir -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。
（1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。
（2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。
（4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。
二、建立微带天线模型(1)、插入模型设计（2）、重命名输入0841(3)点击创立GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05修改名称为GND, 修改材料属性为 pec，(4) 介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。
dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794，修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
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。
HFSS-矩形微带贴片天线的仿真设计报告
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计-、新建文件、重命名、保存、环境设置。
(1) 、菜单栏File»save as,输入Antenna,点击保存。
(2).设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
(3)、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm，点击OK。
(4)、菜单栏Tools»Options>>Modeler Options,勾选"Edit properties of new pri ”,点击OK。
建立微带天线模型Sf W41Vhi t |Ev«l i Qftttdl ¥D«1CTkptLi9in"ordintl 吉GlebaFoil ti DBL o B o■■O M魯Oto * …ISlEt2S 1M 2& iwttiit32—321--Q 05■-Q CO**修改名称为GND，修改材料属性为pec ,LJCwhna | I修改名称为Sub,修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色透明度0.4。
⑴点击创建GND起始点：x:0 , y:0 , z:-0.79 dx:28.1,dy:32,dz:-0.05ITIN1fT11 11Or a rht * 般z心lh ■>!看fi...UnTruiiptrtiit.0 21Ut4"«hljr厂厂厂厂厂厂厂厂(2)介质基片：点击，:x:0，y:0，z:0。
dx: 28.1，dy: 32，dz: - 0.794，点击OK(3) 建立天线模型patch , 匚gag]C^crdiMlt .7 03 #812 «5-»TSi m命名为patch ，点击OK£弹・・^扌 ikt-lir iIMSLine,dx:2.46 , dy: 8 , dz: 0.05 ,点击： ,x:7.03,y: 8, z:0,dx: 12.45 , dy: 16 , dz: 0.05(4)建立天线模型微带线点击：,x:10.13,y: 0, ,z: 0V AI IP«ICTiptLMCcMtniCrtktitBtiGUbtlPtiili m10 13 H 0』p> 10 1A d 0t 炸■A tIStnB MA MZSi r«4 «0 ffiM命名为MSLine,材料pec,透明度0.4班“啊叶¥Dwfcripti Mt R4*4-«JyKi lEUn.r V^lerial■p -W**p«*厂 lEkiidltF厂Ori GlobdLr B«4*lr厂r Ccl^T* Edit rTrimjspw*»t0 *r选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite(5)、建立端口。
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。
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。
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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07
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【摘要】本文基于HFSS软件，对矩形微带天线进行仿真与设计，通过分析HFSS仿真原理和矩形微带天线设计原理，提出了HFSS仿真与设计流程。
对参数进行优化分析，进行性能评估与实验结果比对。
最后总结了HFSS矩形微带天线的仿真与设计，展望未来研究方向，探讨研究成果的应用前景。
该研究意义重大，可以为微带天线的设计与应用提供重要参考，推动通信领域的发展。
【关键词】矩形微带天线、HFSS仿真、设计、原理、流程、参数优化、性能评估、实验结果、总结、展望、研究成果、应用。
1. 引言1.1 研究背景矩形微带天线是一种常见的微波天线类型，在通信领域有着广泛的应用。
随着通信技术的发展和应用，对天线设计的要求也越来越高。
研究人员对矩形微带天线的性能进行优化和改进，以满足不同应用场景的需求。
在这种背景下，基于HFSS仿真技术的矩形微带天线设计成为了一个热门的研究方向。
HFSS是一种常用的高频电磁场仿真软件，能够较为准确地模拟微波元器件的电磁场分布和特性。
通过HFSS仿真可以快速评估不同设计参数对矩形微带天线性能的影响，为设计优化提供有力支撑。
本研究旨在通过HFSS仿真与设计，对矩形微带天线进行参数优化分析，并对其性能进行评估与实验验证。
通过探究HFSS矩形微带天线的仿真与设计流程，为进一步优化微波天线设计提供参考。
本研究将结合理论分析与实验结果，总结HFSS矩形微带天线的仿真与设计经验，并展望未来对矩形微带天线设计的进一步研究方向。
1.2 研究意义通过对矩形微带天线的仿真与设计研究，可以深入理解天线的工作原理和特性，为设计更加优秀的微带天线提供理论支持。
通过参数优化分析和性能评估，可以提高矩形微带天线的性能，并且在实际工程中实现更好的应用效果。
矩形微带天线的仿真与设计研究也有助于推动天线技术的发展，促进通信技术的进步和应用场景的拓展。
本文研究的矩形微带天线仿真与设计对于推动通信技术和天线技术的发展具有重要的意义，有助于提高微带天线的性能和应用效果，同时也为相关领域的研究和实际应用提供了理论支持和实用价值。
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。
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图 7 实测的史密斯圆图 参考文献: [ 1 ] 王新稳, 李萍. 微波技术与天线[M ]. 北京: 电子工业出版
1 微带天线的设计原理 111 微带天线的基本原理及分析方法
微带天线的基本原理可考察矩形微带贴片来解
释。微带贴片可看作是宽W 、长L 的一段微带传输线, 介 质基片厚度h < < Κ0 (Κ0 为自由空间波长) , 其终端 (W 边) 处因为呈现开路, 将形成电压波腹。一般取L≈ Κg 2, Κg 为微带介质内波长, 于是另一端 (W 边) 处也 呈电压波腹[2]。 此时贴片与接地板间的形成电场和两
1)
+
(Εr- 1) 2
(1 +
10h ) W
1 2
确 定;
∃L
为 偏 移 量,
∃L
h
=
收稿日期: 2009202225; 修回日期: 2009206223 作者简介: 来雪梅 (19692) , 女, 山西五台人, 实验师, 硕士, 研究方向为测控技术。
2009 年第 6 期 来雪梅, 等: 基于 H FSS 的微带天线设计与仿真
2143 GH z左右功率反射系数最大, 达到- 3616 dB , 说
明在该频率匹配到最佳。从图2 中还可以看出, S 曲线 开口窄, 表现出了微带天线频带窄的特点。
图 1 微带天线模型图 表 1 微带天线参数表
f 0 (GH z) h (mm ) L G (mm ) W G (mm ) T (Λm )
第 6 期 (总第 157 期) 2009 年 12 月
机械工程与自动化 M ECHAN ICAL EN G IN EER IN G & AU TOM A T ION
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
天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立
的电磁场, 求得电磁场后, 进而得出其方向图、 增益
和输入阻抗等特性指标。 分析微带天线的基本理论主
要有传输线模型法、 空腔模型法和积分方程法。 传输
线模型法只适用于矩形微带贴片天线, 它将矩形微带
天线看成场沿横向 (W 边) 没有变化的半波长传输线 谐振器, 场沿纵向 (L 边) 呈驻波分布, 天线的辐射主要 由两开路端 (W 边) 缝隙产生。 112 微带天线参数
·41·
01412
(Εe+ (Εe-
013) (W 01258)
h (W
+ h
01264) + 018)
。
L 的尺寸在理论上近似为 Κ0 2, 但工程实际上由 于边缘场的影响, 在确定L 的尺寸时应从Κ0 2 中减去
2∃L 。 [5 ]
(4) 从减小天线尺寸和重量及降低成本的角度出
发, 基片尺寸的选取应尽可能小。因此对于背馈情况,
的矩形线就是微带天线。微带天线的一端为激励端口,
该端口通过 SM A 接头与50 8 的同轴馈线相连 (便于
测试)。经过仿真、优化后, 最终确定的微带天线参数
见表 1。
212 微带天线的仿真
根据建立的微带天线模型, 利用H FSS 软件进行
了性能仿真。图2 为S 参数 (功率反射系数) 仿真曲线。
从图2 中可以看出, 曲线在214 GH z附近出现波谷, 在
社, 2003. [ 2 ] 林 昌 录. 近 代 天 线 设 计 [M ]. 北 京: 人 民 邮 电 出 版 社,
1993. [ 3 ] 宋旭亮, 朱义胜. 微带天线的设计和阻抗匹配[J ]. 现代电
子技术, 2008, 31 (1) : 73275. [ 4 ] 周朝栋, 王元坤. 天线与电波[M ]. 西安: 西安电子科技大
(1) 介质基片材料的介电常数Εr、损耗角正切tan∆ 和厚度 h 将直接影响微带天线的性能。
(2) 贴片单元的宽度W 对微带天线的方向图宽 度、 方向性系数、 辐射电阻和输入阻抗都有影响, 进
而也就影响频带宽度和辐射效率。宽度W 的尺寸不得 超过下式给出的值[4 ]:
W
≤ c ( Εr+ 1) 2f 0 2
图 5 的反射系数曲线表明, 该微带天线的中心频 率在2149 GH z, 反射系数达到- 31 dB。图6 的电压驻 波比曲线表明, 在2149 GH z处的V SW R 值为1109, 该
·42·
机 械 工 程 与 自 动 化 2009 年第 6 期
比值很小, 说明天线的匹配很好, 效率高。从图7 的史 密斯圆图可以得出, 微带天线在2149 GH z处的输入阻 抗为Z in= 471293+ 6107j , 接近馈线50 8 的特性阻抗, 说明天线与馈线之间的匹配很好。通过天线理论可知, 输入阻抗一般都具有电阻分量和电抗分量, 电抗分量 的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取, 较小的 电抗分量意味着良好的匹配性能。
的波长为125 mm。综合考虑天线设计参数及环境适应
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
2. 4
0. 8
40
52
35
Εr L (mm )
4. 4
26
图 2 S 参数仿真曲线
图 3 是仿真得到的微带天线的驻波比 (V SW R ) 特 性曲线, 在215 GH z附近V SW R 达到1143, 小于一般 天线要求的2, 说明天线的电抗分量较小, 天线的匹配 效果好, 传输效率高。图4 是仿真得到的史密斯圆图, 可以看出该天线完全满足设计要求。
图 3 V SW R 参数仿真曲线
3 微带天线实测 根据计算得到的微带天线的设计参数以及仿真后
对各参数的优化结果, 进行了微带天线的实物制作, 采 用H P 8753E 矢量网络分析仪对天线的各参数进行测 试。 矢量网络分析仪设定的扫描频率范围300 M H z～ 6 GH z, 输出激励功率+ 10 dBm , 校准完成后对天线 进行测试, 结果分别见图 5～ 图 7。
磁结构的高频电磁仿真软件包, 这个软件包的理论基
础是计算电磁学中的有限元分析方法。 基于有限元法
的H FSS 软件是由频域到时域的计算, 因此在设计各
种辐射器以及求本征模问题方面有更好的优势, 同时
这个高频电磁仿真软件包在高频电路板的结构仿真中
的功能也十分强大。
211 微带天线模型的建立
微带天线设计的中心频率是214 GH z, 在空气中
1 2
。
……………………… (1)
其中: c 为光速; f 0 为谐振频率。
(3) 贴片天线的长度L 的计算公式为:
L = 015Κg - 2∃L 。 ………………………… (2)
其中: Κg 为介质内波长, Κg = Κ0 Εe , Εe 为介质基片
的有效介电常数,
由施奈德经验公式 Εe =
(Εr+ 2
基片长度L G 和宽度W G 分别为: L G= L + 012Κg 。 …………………………… (3)
W G= W + 012Κg 。 ………………………… (4)
对于侧馈情况, 基片宽度可按式 (4) 确定, 而长
度则视馈线及阻抗变换器的配置而定。
2 利用 HFSS 对天线仿真
H FSS 仿真软件是美国A n soft 公司开发的计算电
化、测量后得到的实际值要小于此值。将h= 018 mm ,
W ≤38 mm , Εr= 414 代入 Εe 的经验公式可以计算出 Εe= 41245。 将Εe= 41245 和Κ0= 125 mm 代入 Κg 的计算
公式, 得到介质内波长Κg = 60167 mm。通过计算可知 ∃L = 01372 mm。 将Κg = 60167 mm 和∃L = 01372 mm 代入式 (2) , 可得L = 291591 mm。 由式 (3) 和式 (4) 可
得基板的长度和宽度, 还应该考虑到边缘的辐射影响,
故得出基板的长度为L G= 411725 mm , 基板宽度为 W G = 501134 mm。
在H FSS 中建立的天线模型见图1。图中最外面的
矩形代表辐射边界, 材料为真空 (vacuum )。辐射场里
面的矩形板就是Βιβλιοθήκη 计的微带天线的基板, 基板上纵向(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
LA I Xue-m e i, W ANG Da i-hua, ZHANG Zhe
(N o rth U n iversity of Ch ina, T aiyuan 030051, Ch ina) Abstract: A cco rding to the an tenna cha racteristics requ irem en ts in sp ecia l shock w ave m ea su rem en t system , the m odel of a m icro strip an tenna is set up and sim u la ted by H FSS in the p ap er. T he op tim a l an tenna’s p a ram eters a re ob ta ined by changing