HFSS天线仿真实验报告[五篇范文]

第一篇：HFSS天线仿真实验报告

HFSS天线仿真实验报告

半波偶极子天线设计

通信0905 杨巨 U200913892

2012-3-7

半波偶极子天线设计

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。

1/ 8

半波偶极子天线设计

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。

4、设置辐射边界条件

要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。这里创建一个沿Z轴放置的圆柱模型，材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。

5、外加激励求解设置

分析的半波偶极子天线的中心频率在3G Hz，同时添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。

2/ 8

半波偶极子天线设计

6、设计检查和运行仿真计算

7、HFSS天线问题的数据后处理

具体在实验结果中阐释。

五、实验结果

1、回波损耗S11 回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一。

图中所示是在2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3 G Hz，S11<-10dBd的相对带宽BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%

2、电压驻波比

驻波比,一般指的就是电压驻波比,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由图可以看到在3G赫兹附近时，电压驻波比等于1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。

3、smith圆图

史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。采用双线性变换，将z复平面上。实部 r=常数和虚部 x＝常数两族正交直线变化为正交圆并与：反射系数

3/ 8

半波偶极子天线设计

|G|=常数和虚部x＝常数套印而成。

从smith圆图可以看到，在中心频率3G赫兹时的归一化阻抗约为1，说明端口的阻抗特性匹配良好。

4、输入阻抗

传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配。

图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率3G赫兹时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配。

5、方向图

方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。电场方向图：

4/ 8

半波偶极子天线设计

由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。但沿着Z轴方向电场强度很弱。

磁场方向图：

磁场方向图在XOY平面上接近一个圆，虽然看上去有些误差。说明磁场在XOY平面上辐射较为均匀。

三维增益方向图：

这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着Z轴对称辐射的情况。

6、其他参数

5/ 8

半波偶极子天线设计

利用HFSS软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射强度、方向性系数、最大强度及其所在方向等参数。

看着这一张密密麻麻的图表，很多参数还不是很明白，还需研究。

6/ 8

半波偶极子天线设计

六、实验分析

设计一个天线，无论是作为发射天线还是接收天线，我们都很关心其方向参数、输入阻抗参数、增益参数、频带宽度等参数。这里也主要就上诉几个参数来讨论半波偶极子天线的优缺点。

1、半波偶极子天线在轴向无辐射

2、半波偶极子天线的辐射与其电长度密切相关。当电长度小于0.5时，波瓣宽度最窄，在垂直与轴向的平面内辐射最强，随着电长度的增加，开始出现副瓣，主瓣宽度变宽，最大辐射方向发生偏移。

3、半波偶极子天线的输入阻抗受频率影响很剧烈，说明宽频带时其较难实现负载匹配，所以相对应的频带宽度也较窄。

4、在谐振频率附近时，我们从图中可以看到，天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗，实现匹配较易，而且在中心频率附近，电波的传输特性也最好，从而可以实现较大效率的功率传输。

5、通过对实验得到结果的分析，不难发现，半波偶极子天线的诸多特性与电长度关系很大，所以可以通过调整天线的电长度来实现不同功能和要求的半波偶极子天线应用。

6、最后还要补充一点：半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。

七、实验总结

通过本次HFSS天线仿真实验，使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线，却不知其意义何在。在这次实验过程中，我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献，对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识，对天线的各种参数也有了具体的理解，这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。

另外，这次实验中我感觉较难的部分在与如何通过确定一种具体天线的参量模型来模拟设计天线模型，来仿真验证天线特性。

7/ 8

第二篇：HFSS微波仿真实验实验报告六合一x

肇庆学院12 通信 2 2 班

杨桐烁

201224124202

实验一

T T 形波导的内场分析和优化设计

实验目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、掌握 T 型波导功分器的设计方法、优化设计方法和工作原理。

实验仪器

1、装有 windows 系统的 PC 一台 2、HFSS13.0 或更高版本软件 3、截图软件 T T 形波导的内场分析

实验原理

本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的 T 形波导。其中,波导的端口 1 是信号输入端口,端口 2 和端口 3 是信号输出端口。正对着端口 1 一侧的波导壁凹进去一块,相当于在此处放置一个金属隔片。通过调节隔片的位置可以调节在端口 1 传输到端口 2,从端口 1 传输到端口 3的信号能量大小,以及反射回端口 1 的信号能量大小。

实验步骤

1、新建工程设置：运行 HFSS 并新建工程、选择求解类型、设置长度单位 2、创建 T 形波导模型：创建长方形模型、设置波端口源励、复制长方体、合并长方体、创建隔片 3、分析求解设置：添加求解设置、添加扫频设置、设计检查 4、运行仿真分析 5、查看仿真分析计算结果 内场分析 结果

1、图形化显示 S 参数计算结果

图形化显示 S 参数幅度随频率变化的曲线 2、查看表面电场分布 8.00 8.25 8.50 8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00Freq [GHz]0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(Port1,Port1))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port3))Setup1 : Sweep1

表面场分布图 3、动态演示场分布图

T T 形波导的优化设计

实验原理

利用参数扫描分析效用。分析在工作频率为 10GHz 时,T 形波导 3 个端口的信号能量大小随着隔片位置变量 Offset 的变化关系。利用 HFSS 的优化设计效用,找出隔片的准确位置,使得在 10GHz 工作频点,T 形波导商品 3 的输出功率是端口 2 输出功率的两倍。

实验步骤

1、新建一个优化设计工程 2、参数扫描分析设置和仿真分析：添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析 3、优化设计：添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。

实验结果

1、创建功率分配随变量 Offset 变化的关系图

输出变量随变量 Offset 变化的关系图 分析：从上图所示的图可以看出,当变量 Offset 值逐渐变大时,即隔片位置向端口 2 移动时,端口 2 的输出功率逐渐减小,端口 3 的输出功率逐渐变大；当隔片位置变量 Offset 超过 0.3 英寸时,端口 1 的反射明显增大,端口 3 的输出功率开始减小。因此,在后面的优化设计中,可以设置变量Offset 优化范围的最大值为 0.3 英寸。同时,在 Offset=0.1 英寸时,端口 3 的输出功率约为 0.65,端口 2 的输出功率略大于 0.3,此处端口 3 的输出功率约为端口 2 输出功率的两倍。因此,在优化设计时,可以设置变量 Offset 的优化初始值为 0.1 英寸。另外,变量 Offset 优化范围的最小值可以取 0 英寸。

优化设计结果

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Offset [in]0.000.200.400.600.801.00powerpower range with offset HFSSDesign1 XY Plot 4Curve Infopower11Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power21Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power31Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”

实验总结

通过本次 HFSS 天线仿真实验,使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次实验过程中,我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献,对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识,对天线的各种参数也有了具体的理解,这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。

实验二

S HFSS 仿真对称振子天线

实验目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、掌握对称振子天线的设计方法、优化设计方法和工作原理。

实验仪器

1、装有 windows 系统的 PC 一台 2、HFSS13.0 或更高版本软件 3、截图软件 实验步骤

1、新建一个优化设计工程 2、参数扫描分析设置和仿真分析：添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析 3、优化设计：添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。

实验数据

表 1 对称振子天线三维体模型 名称 形状 顶点(x,y,z)(mm)尺寸(mm)材料 arm1 圆柱体(0,0,0.5)radius=$r,height=$l Pec arm2 圆柱体(0,0,-0.5)radius =$r,height=-$l Pec airbox 长方体(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+2*$l vacuum

表 2 对称振子天线二维面模型 名称 所在面 形状 顶点(mm)尺寸(mm)边界/源 feed xz 矩形(-$r,0,-0.5)dx=2*$r, dz=1 Lumped port

表 3 变量表 变量名 变量初始值（mm）

变量值（mm）

$lbd

$l 25 25(50, 75, 100)$r 1 1(2, 3, 4)实验步骤

0 2 4 6 8 10 12 14Evaluation0.000.130.250.370.500.63Cost

1、新建一个优化设计工程 2、参数扫描分析设置和仿真分析：添加参数扫描分析项、定义输出变量、运行参数扫描分析 3、优化设计：添加优化变量、添加目标函数、设置优化变量的取值范围、运行优化分析。

实验步骤 1.打开 HFSS,新建工程,将工程保存为 dipole。设置求解类型。设置单位。画对称振子的一支臂,形状为圆柱体,命名为 arm1,材料设置为理想导体,半径设置为变量$r,臂长设置为变量$l。画馈电模型,形状为 zx 面上的矩形,命名为 feed,设置为 lumped port 激励方式。画辐射箱,命名为 airbox,形状为长方体,材料为真空,边界条件为 radiation。设置求解频率 3GHz,扫频 1-5GHz。检查及运行计算 9 画电流分布 10 画 S 参数曲线 11 画阻抗曲线 12 画方向图 13 扫描变量$l 实验结果

图 airbox 及天线

图 振子上电流幅度分布

图 |S 11 |曲线

图 24 阻抗曲线。

图 29 二分之一波长对称振子三维增益图

图 二分之一波长对称振子 E 面方向图

图 S 参数随$r 变化曲线

图 36 $r=2mm,S 参数随$l 变化曲线

图 39 扫描变量$l 得到的方向图

实验三

HFSS 微带天线仿真设计

实验目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、掌握微带天线仿真设计原理和方法。

实验仪器

1、装有 windows 系统的 PC 一台 2、HFSS13.0 或更高版本软件 3、截图软件 实验原理 微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭,电路中的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端,结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射（泄漏）。当频率较低时,这些部分的电尺寸很小,因此电磁泄漏小；但随着频率的增高,电尺寸增大,泄漏就大。再经过特殊设计,即放大尺寸做成贴片状,并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强,辐射效率就大大提高,而成为有效的天线。

实验步骤

1、创建微带天线模型：设置默认的长度单位、建模相关选项设置、添加和定义设计变量、创建介质基片、创建辐射贴片、创建参考地、创建同轴馈线的内芯、创建信号传输端口面 2、设置边界条件和激励：设置边界条件、设置辐射边界条件、设置端口激励 3、求解设置：求解频率和网格剖分设置、扫频设置 4、设计检查和运行仿真分析：设计检查、运行仿真分析 5、参数扫描分析：添加参数扫描分析项、运行参数扫描分析、查看分析结果 6、查看仿真分析结果 实验结果

1、查看天线回波损耗

分析：从图中可以看出设计的微带天线谐振频率在 2.45GHz 附近,且在 2.45GHz 频点上的回波损耗值为 20.7dB 左右。

2、分析谐振频率随辐射贴片长度 L0 的变化关系

分析：从图中可以看出,随着长度L0值的增加,天线的谐振频率逐渐降低。当L0=27.5mm时,谐振频率为2.44GHz；当L0=28mm时,谐振频率为2.48GHz；所以 2.45GHz 谐振频率对应的 L0 长度介于 27.5mm~28.mm。

3、分析谐振频率随辐射贴片长度 W0 的变化关系

分析：从上图所示分析结果可以看出,辐射贴片宽度 W0 由 30 mm 变化到 40 mm 时,天线的谐振频率变化很小,即天线的谐振频率不随辐射贴片宽度变化而变化。

实验总结

通过本次 HFSS 天线仿真实验,使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次实验过程中,我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献,对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识,对天线的各种参数也有了具体的理解,这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。

1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 2ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28.5mm”1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-40.00-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“30mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“32mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“34mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“36mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“37.26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“38mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“40mm”

实验四

半波偶极子天线仿真实验报告

实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法,主要是熟悉日 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 实验仪器

1、装有 windows 系统的 PC 一台 2、HFSS 15.0 3、截图软件 实验原理

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。, 长度为 I。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=21。对称振

子的长度与波长相比拟,本身己可以构成实用天线。

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;IC=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。

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

5、方向函数

实验步骤

1、设计变量(以表格的形式列出来)

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、创建偶极子天线模型,即圆柱形的天线模型。(模型截图贴在下面)

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。设置端口激励(附以截图)

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。

4、设置辐射边界条件(截图)

要在 HfSS 中计算分析天线的辐射场,则必须设置辐射边界条件。这里创建一个沿 Z 轴

放置的圆柱模型,材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。

外加激励求解设置分析的半波偶极子天线的中心频率在 3G 日 z,同时添加 2.5 G 日:^3.5 G 日:频段内的扫频设置,扫频类型为快速扫频。

6、设计检查和运行仿真计算 7、HFSS 天线问题的数据后处理(截图,并做相应的说明)具体在实验结果中阐释。

实验结果

1、回波损耗 S11

回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,是一对线自身的反射,是天线设计需要关注的参数之一。

图中所示是在 2.5 G 日 z ^3.5 G 日 z 频段内的回波损耗,设计的偶极子天线中心频率约为 3GHz, S11<-10dBd 的相对带宽 BW=(3.25-2.775)/3*1000/=15.83% 2、电压驻波比

驻波比,一般指的就是电压驻波比,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由图可以看到在 3G 赫兹附近时,电压驻波比等于 1,说明此处接近行波,传输特性比较理想。

3,smith 圆图史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。采用双线性变换, 将 z 复平面上。实部 r=常数和虚部 x=常数两族正交直线变化为正交圆并与:反射系数|G|=常数和虚部 X=常数套印而成。

从 smith 圆图可以看到,在中心频率 3G 赫兹时的归一化阻抗约为 1,说明端口的阻抗特性匹配良好。

4,输入阻抗传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗,才能进行阻抗匹配。

图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部,在中心频率 3G 赫兹时,输入阻抗比较的理想,容易实现匹配。

5、方向图

方向图是方向性函数的图形表示,他可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上,天线辐射(或接收)的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律,并分别称为功率方向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的,所以又叫远场方向图。

电场方向图:

由图可以看到,电场方向以 Z 轴为对称轴,在 XOY平面上电场最强,且沿四周均匀辐射。但沿着 Z 轴方向电场强度很弱。

磁场方向图:

磁场方向图在 XOY平面上接近一个圆,虽然看上去有些误差。说明磁场在 XOY平面上辐射较为均匀。

三维增益方向图: 这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着 Z 轴对称辐射的情况。

6、其他参数 利用 HFSS 软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射强度、方向性系数、最 大强度及其所在方向等参数。

实验分析

设计一个天线,无论是作为发射天线还是接收天线,我们都很关心其方向参数、输入阻抗参 数、增益参数、频带宽度等参数。这里也主要就上诉几个参数来讨论半波偶极子天线的优缺 点。

1、半波偶极子天线在轴向无辐射 2、半波偶极子天线的辐射与其电长度密切相关。当电长度小于 0.5 时,波瓣宽度最窄,在 垂直与轴向的平面内辐射最强,随着电长度的增加,开始出现副瓣,主瓣宽度变宽,最

大辐射方向发生偏移。

3、半波偶极子天线的输入阻抗受频率影响很剧烈,说明宽频带时其较难实现负载匹配,所以相对应的频带宽度也较窄。

4、在谐振频率附近时,我们从图中可以看到,天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗,实现匹配较易,而且在中心频率附近,电波的传输特性也最好,从而可以实现较大效率的功率传输。

5、通过对实验得到结果的分析,不难发现,半波偶极子天线的诸多特性与电长度关系很大,所以可以通过调整天线的电长度来实现不同效用和要求的半波偶极子天线应用。

6、最后还要补充一点:半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。

实验总结

通过本次日「SS 天线仿真实验,使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次实验过程中,我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献,对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识,对天线的各种参数也有了具体的理解,这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。

另外,这次实验中我感觉较难的部分在与如何通过确定一种具体天线的参量模型来模拟设计天线模型,来仿真验证天线特性。

实验五

微带犬线

实验目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、掌握微带犬线仿真设计原理和方法。

实验仪器

1、装有 windows 系统的 PC 一台 2、HFSS13.0 或更高版本软件 3、截图软件

实验原理

微带犬线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的,它是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片,一面全部敷以金属薄层作接地板而成。辐射片可以根据不同的要求设计成各种形状·。微带天线由于具有质量轻、休积小、易于制造等优点,现今已经广泛应用于个人无线通信中。1 微带天线结构

是一个简单的微带贴片天线的结构示意图,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元的长度 L,辐射元的宽度W,、介质层的厚度 h、介质的相对介电常数拭和损耗正切阶次介质层的长度 LG 和宽度 WG

如果介质基片中的场同时沿宽度和长度方向变化,这时微带天线应该用辐射贴片周用的 4 个缝隙的辐射来等效。2 微带天线的馈电

微带天线有多种馈电方式,如微带线馈电、同轴线馈电、藕合馈电 C Coupled Feed)和缝 G}!馈电(Slot Feed)等,其中最常用的是微带线馈电和同轴线馈电两种馈电方式。本章将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电。

同轴线锁电又称为背馈,『已是将同轴插座安装在接地板上,同轴线内导体穿过介质基片接在辐射贴 l}.f:.,如图 10.3 所示,寻取正确的馈电点的位置就可以获得良好的匹配。

3 矩形微带天线的特性参数 1.微带辐射贴片尺寸估算

设计微带大线的第·步是选择合适的介质基片,然后再估算出辐射贴片的尺寸。假设介质的介电常数为Er,对一于工作频率f的矩形微带大线,’可以用 F 式没计出高效率辐射贴片的宽度*,即:

式中,c 是光速。

辐射贴片的长度一般取为儿 12,这里,凡是介质内的泞波波长,即:

考虑到边缘缩短效应后,实际_卜的辐射单元长度 L 应为:

式中,se 是有效介电常数,鱿是等效辐射缝隙长度,可以分别用下式计算: 2.同轴馈点位置的估算

对于同轴线馈电的微带贴片天线,在确定了贴片长度 L 和宽度 w 之后,还需要确定同轴线馈点的位置,馈点的位置会影响天线的输入阻抗。在主模 TM 10 工作模式下,在宽度 w 方向上电场强度不变,因此馈电点在宽度、方向的位移对输入阻抗的影响很小,但在宽度方向卜偏离中心位置时,会激发TM 10-模式,增加天线的交叉极化辐射,因此宽度方向r.馈电点的位置一般取在中心点(y=07}馈电点在矩形辐射贴片长度L方向边缘处((x= }L12)的输入阻抗最高,约为 t Oa 到 400 欧姆之间,而在辐射贴片的几何中心点(x!0} y=0)处的输入阻抗则为零,因此在长度 L 方向上,从辐射贴片的几何中心到两侧输入阻抗由零逐渐增大:对于如图 10.3 所示的同轴线馈电的微带贴片天线,由下式可以近似 v}一算出输入阻抗为 50 欧姆时的馈电点的位置:

3.辐射场 如前所述,矩形微带天线可以视作一段长 L 为 iJ2 的低阻抗微带传输线,它的辐射场被认为是由传输线两端开路处的缝隙所形成的。因此,矩形微带天线可以等效为长 w.宽方、间距为 L 的二元缝隙天线阵。

单个缝隙天线的方向性函数为:

因此,矩形微带天线的辐射场只需在单缝隙大线的表达式中乘以二元阵的阵因子就可以了。这样,矩形微带天线的方向性函数可以表示为:

工程设计中关心的多是 F 面（=90)和 H 面（φ=90）方向图,于是由式(10.1.10)可得 E 面的力向性函数为:

考虑到 kh<<1 ,则式(4-1-9)可以近似写为:

H 面的方向性函数为:

4.方向性系数 根据方向性系数的定义,可以给出微带大线的方向性系数为:

本章设计的矩形微带人线工作于 ISM 颂段,其中心频率为 2.45GHz;无线局域网(WLAN),蓝牙、ZigBee 等无线网络均 1.作在该频段上。介质摧片采用厚度为 1.6mm 的 FIt4 环氧树脂(FR4 Epoxy)板,其相对介质常数ε=4.4,天线使用 50 欧姆同轴线馈电。

下面根据 10.1 节给出的推导公式来计算微带天线的几何尺寸,包括贴片的长度 L,宽度 W 和同轴线愤点的位置 1.矩形贴片的宽度 W 把 c=3.Ox10^8m/s,f0=2.45CrHz, ε=4.4 代入式(10-1-1)可以计算出微带天线矩形贴片的宽度,2.有效介电常数& 把 h=1.6mm, W= 37.26mm, ε=4.4 代入式(10-1-4),可以计算出有效介电常数,即 3.辐射缝隙的长度△L 把 h=1.6mm,W=37.26mm, ε=4.08 代入式(10-1-5),可以计算出微带天线辐射缝隙的一长度, 4.矩形贴片的长度△L

把 c=3.0x10^8m/s.f0=2.45GHz,=4.}8, △L=1.12mm 代入式〔10-1-3),可以计算出微带天线 矩形贴片的长度,即

5.同轴线馈点的位置

把ε=4.4 ,W=37.26mm, L=28.C37mm 代入式(10-1-7)和式{10-1-6)计算出 50 欧姆匹配点的近似位置,即 实验步骤

1.新建工程 2.添加自定义变量 3.设计建模 4.设置边界条件 5.设置端口激励 6.求解设置 7.设计检查和运行仿真计算 实验结果及其截图: :

1.原实验结果

(1)建模完成：

（2）.确认设计,通过 Validation Check：

（3）．查看天线的谐振频率:

(4)参数扫描分析寻找谐振频率

(5)调节阻抗获得最佳匹配性能

实验感想：

通过本次实验我更熟练的掌握 HFSS 软件的操作及对天线设计的要求

实验六

HFSS 谐振腔仿真分析

实验目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。

2、掌握谐振腔仿真分析。

实验仪器

1、装有 windows 系统的 PC 一台 2、HFSS13.0 或更高版本软件 3、截图软件 实验原理

一般的微波腔体谐振器是由导体制成的封闭的空腔,电磁波在其中连续反射,如果模式和频率合适,就会产生驻波,即发生谐振现象。由于导体空腔谐振器是封闭系统,全部电磁场能量被限制在腔体内部,腔体本身无辐射损耗,且谐振腔属于分布参数电路,电路的表面积增加使其导体损耗减小,因此谐振腔的品质因数较集总参数谐振电路高得多。

实验步骤

1、创建圆形谐振腔模型：设置默认的长度单位、建模相关选项设置、创建圆形谐振腔体模型、2、边界条件和激励：

3、求解设置 4、设计检查和运行仿真分析 5、参数扫描分析

实验结果

1、谐振频率和品质因数 Q

2、腔体内部电磁场的分布 绘制模式 1 在腔体横截面上的电场和磁场分布

电场分布

磁场分布 绘制模式 1 在腔体垂直截面上的电场和磁场分布

电场分布

磁场分布 绘制模式 2 在腔体横截面上的电场和磁场分布

电场分布

磁场分布

绘制模式 2 在腔体垂直截面上的电场和磁场分布

电场分布

磁场分布

参数扫描分析

模式 1 和模式 2 的频率随变量 Height 的变化曲线 分析：从上图分析结果可以看出,随着介质圆柱的逐渐升高,模式 1 和模式 2 的谐振频率逐渐降低,通过改变介质圆柱的高度即可以改变圆形腔体内部的谐振频率。

实验总结

通过本次 HFSS 天线仿真实验,使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线,却不知其意义何在。在这次实验过程中,我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献,对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识,对天线的各种参数也有了具体的理解,这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。

科教兴国

0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00Height [mm]3.00E+0094.00E+0095.00E+0096.00E+0097.00E+0098.00E+0099.00E+0091.00E+0101.10E+0101.20E+010Y1CavityXY Plot 1ANSOFTCurve Infore(Mode(1))Setup1 : LastAdaptivere(Mode(2))Setup1 : LastAdaptive

第三篇：仿真实验报告

仿真软件实验

实验名称：基于电渗流的微通道门进样的数值模拟

实验日期：2013.9.4一、实验目的1、对建模及仿真技术初步了解

2、学习并掌握Comsol Multiphysics的使用方法

3、了解电渗进样原理并进行数值模拟

4、运用Comsol Multiphysics建立多场耦合模型，加深对多耦合场的认识

二、实验设备

实验室计算机，Comsol Multiphysics 3.5a软件。

三、实验步骤

1、建立多物理场操作平台

打开软件，模型导航窗口，“新增”菜单栏，点击“多物理场”，依次新增：“微机电系统模块/微流/斯 托 克 斯 流（mmglf）”

“ACDC模块/静态，电/传导介质DC（emdc）”

“微 机 电 系 统 模 块/微流/电动流（chekf）”

2、建立求解域

工作界面绘制矩形，参数设置：宽度6e-5，高度3e-6，中心（0,0）。复制该矩形，旋转90°。两矩形取联集，消除内部边界。5和9两端点取圆角，半径1e-6。求解域建立完毕。

3、网格划分

菜单栏，网格，自由网格参数，通常网格尺寸，最大单元尺寸：4e-7。

4、设置求解域参数

求解域模式中，斯托克斯流和传导介质物理场下参数无需改动，电动流物理场下，D各向同性，扩散系数1e-8，迁移率2e-11，x速度u，y速度v，势

能V。

5、设置边界条件

mmglf—入口1和7边界“进口/层流流进/0.00005”

出口5和12边界“出口/压力，粘滞应力/0”；

emdc—入口1和7边界“电位能/10V”

出口5和12边界“接地”

其余边界“电绝缘”；

chekf—入口1“浓度/1”，7“浓度/0”

出口5和12“通量/向内通量-nmflux_c_chekf”

其余边界“绝缘/对称”。

6、样品预置

（1）求解器参数默认为稳态求解器，不用修改。

（2）求解器管理器设置求解模式：初始值/初始值表达式，点变量值不可解和线

性化/从初始值使用设定。

（3）首先求解流体，对斯托克斯流求解，观察求解结果，用速度场表示。

（4）再求解电场，改变求解模式，点变量值不可解和线性化/当前解，对传导介

质DC求解，观察求解结果，用电位能表示。

（5）再求解电动流，不改变求解模式，观察求解结果，用电动流浓度表示。

7、样品上样

（1）改变emdc进口，边界7电位能由10改为3。对传导介质DC求解，结果用

电位能表示。

（2）改变chekf进口，7边界改为“通量/向内通量-nmflux_c_chekf”

；求解域

中x速度和y速度改为0去除载流作用；求解器设置改为瞬态求解器，时间改为“0:0.00001:0.00001”。求解模式全部使用当前解，对电动流求解，结果用浓度表示。

再求两次解，完成上样。

8、分离样品

（1）改变chefk进口，7边界“浓度/0”，1边界“浓度/-nmflux_c_chekf”。

（2）改变cmdc进口，7边界“电位能/10”，1边界“电位能/3”。

（3）重新求解电场。求解模式为初始值表达式和当前解，对传到介质DC求解，结果用电位能表示。

（4）样品分离求解。求解模式全部为当前解，对电动流求解，结果用浓度表示。

四、实验结果

五、讨论

在本次试验中，每一步操作都必须严格正确，而且参数的把握也一定要

到位，只有对每一步的设置做到精确无误，才能保证最后的实验结果。我在样品上样时一直未能获得良好的上样结果，发现对瞬态求解器的时间比例进行修改，可以获得良好上样结果，同时，在样品分离改变chefk左进口浓度时发现修改数值导致结果错误，遂未修改浓度，得到了正确结果。因此，一定要在实验时对参数正确设置。

通过对仿真实验课程的学习，及本次试验，我体会到仿真技术对于实验的帮助非常巨大，使得实验室进行的许多实验可以通过计算机模拟直接完成，节省了资源消耗，并极大地提高了实验效率。本课程的学习也让我了解到了仿真及建模技术的要领。我也基本掌握了Comsol Multiphysics

这款软件，我相信在今后我会将我对本课程的学习运用到实际中。

第四篇：浅析宽缝天线的仿真

浅析宽缝天线的仿真

【摘 要】 本文改进了一种基于宽缝微带天线结构的超宽带天线．利用HFSS对改进前后进行了仿真计算，给出了反射损耗曲线和辐射方向图。改进后的天线采用较低的介电常数和较小的薄基板，获得了更大的阻抗带宽和频率范围。

【关键词】 超宽带 宽缝天线 HFSS仿真

对于超宽带系统，一个很重要的问题就是超宽带天线的研究。因为对于传统的窄带天线，超宽带天线需要有几个倍频程的阻抗带宽，而且要求天线在整个超宽带频带宽度中都有稳定的性能。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。它具有剖面低、体积小、重量轻、易于加工、便于获得圆极化的优点，并且非常有利于集成，为一简单矩形贴片的微带天线。辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的，垂直于贴片的方向上辐射最强。

微带缝隙天线是微带天线中的一种，因其结构简单、便于排阵等优点在雷达与通信系统中有着广泛的应用。通常按照缝宽电尺寸的大小，缝隙天线可以分为窄缝和宽缝两种结构。通常窄缝天线的阻抗带宽比较窄，而采用宽缝结构则可以获得较宽的工作带宽，并且对制造公差要求比贴片天线低，在组阵时其单元间隔距离比贴片天线更大。

目前改进技术可归纳为以下两种：改变馈电结构(如T形、十字形、u形或 Pi形等)；改变宽缝形状(包括矩形缝、圆形缝、椭圆缝等以及将矩形缝旋转或者将矩形缝的直角转为圆角等)。

采用渐变缝隙结构的微带天线可以获得超过100％的阻抗带宽，并且具有较高的增益，矩形微带馈电的半圆形宽缝天线和三角形微带馈电的三角形宽缝天线，阻抗带宽分别为l20％和l10％。但上述两种天线都是制作在FR4的基板材料上的，由于FR4的损耗比较大，降低了天线的效率，而且两者面积也过大(110 mm×110mm)，这也限制了将其集成到便携通信设备中。

采用低损耗低介电常数的基板材料，保证了天线能有较高的效率，而且天线的面积也大为减小，造价低廉，使用于小型或者便携无线通信设备。将贴片的形状加以微小的改进，最后使用HFSS进行仿真计算，结果表明此天线在整个工作频带范围内具有比较好的全向辐射特性，因此是一种具有实用价值的超宽带天线。

1.矩形微带馈电的半圆形宽缝天线的仿真分析

1.1天线的仿真

采用仿真软件HFSS 10对该天线进行建模仿真，HFSS是基于有限元方法的高频电磁场仿真分析软件，能对任意三维结构的电磁场进行分析计算，并能得出特性阻抗、S参数、辐射场、天线方向图等结果。

具体过程如下：

（1）建模

在HFSS中新建立一个工程，设置求解类型为Driven Modal，将单位设置为mm。在HFSS中先画出介质板，并设置其材料为FR4，透明度设置为0.8，然后在其上方画具有半圆形宽缝的铜层，按照经验，厚度选为0.035mm，最后在介质板的下面画出厚度也为0.035的微带线和正方形贴片，设置其材料为铜，透明度为0.8。

（2）端口

在左侧面的中间设置1.5mm×0.8mm的集总端口，积分线选取该矩形中心线，按照默认设置选取50欧姆。

（3）空气和边界设置

由于仿真频率选取1GHz~11GHz，所以空气层的厚度选取最低频率对应波长的四分之一（即75mm），试验中的空气箱选取265mm×265mm×155mm，并将空气箱的六个面设置为辐射边界。将上下的铜层的表面设置为PEC边界。

（4）分析设置

将求解的中心频点设置为6GHz，最大步数设为10，每次的最大散射参量△S设为0.02。将扫描设置为快速扫描，从1GHz~11GHz，步长选为0.1GHz。

（5）求解

先进行有效性检查，通过后，开始进行分析求解。

1.2仿真结果及分析

求解计算完成后，利用HFSS的后处理功能，即可得到天线的电参数。参数回波损耗如图1所示，从图中可以看出，该天线的阻抗带宽（S11≤-10dB）约为100%（2~8GHz）。

阻抗带宽并不足以说明天线的实际带宽，必须对天线不同工作频率下的方向图进行仿真计算才能确定方向图带宽。图2分别给出了天线在工作频率为6GHz情况下，ZY平面(E面)与ZX平面(H面)的辐射方向图，图中外围的曲线为ZY平面(E面)。分析时选取的参量为增益，单位为dB。

图1 半圆形宽缝天线的回波损耗

图2 半圆形宽缝天线的辐射方向图

2.改进结构的仿真分析

由于FR4的损耗比较大，降低了天线的效率，而且两者面积也过大(110 mm×110mm)，这也限制了将其集成到便携通信设备中，针对该天线的不足，许多文献都对其进行了改进，在这里将介质板缩小为60×95mm，所使用的基板改为为具有低介电常数，厚度小，柔韧性较好的聚四氟乙烯环氧树脂强化材料RT5880．基板厚度不变，介电常数为2.2，同时将矩形微带改为近似半圆形，如图3所示。

建模的过程中，对于矩形微带进行倒角，选取半径为8mm。

按照前述步骤，对改进后的宽缝天线进行仿真，分析结果如图

4、图5所示。图4为回波损耗，从图中可以看出，进过改进后，阻抗带宽有了明显的加宽（2.5G~十几G），但是个别点处回波损耗大于-10dB，这就需要进一步的对半圆形贴片的半径进行优化。

图3 改进后的宽缝天线及其模型

图4 改进后的宽缝天线的回波损耗

图5所示为改进后的宽缝天线的辐射方向图，其中近似为椭圆形的曲线表示ZY平面(E面)，另外一条对称曲线表示ZX平面(H面)。可以看出该天线具有较好的全方向性。

图5 改进后的宽缝天线的辐射方向图

3.结论分析

通过仿真可以看出，采用半圆形缝隙、半圆形馈电是可以实现的一种展宽宽缝天线频带的有效途径。结合相关文献的仿真结果，可以得知该类型宽缝天线的反射特性对缝隙周围的基板尺寸L、W并不十分敏感，而馈电结构对回波损耗的影响比较大。从仿真中，还得出以下的相关规律:

3.1缝隙的结构与微带馈电结构应该一致

另外一种天线，采用三角形缝隙，对应馈电结构也是采用三角形。

3.2缝与微带应该成对称放置

从本实验的仿真可以看出，当采用半圆形缝隙时，馈电结构若采用倒置的半圆形，将会取得更好的效果，有待于进一步的仿真证明。

4.仿真中的不足

4.1缺少优化

仿真过程中，没有进行对天线相关尺寸的优化设置，只是采用了相关文献的建议值。

4.2频率扫描应该进一步缩小

HFSS扫描时，一般要求扫描的频率宽度小于扫描中心频率的一半，仿真过程中，由于运算时间的原因，没有考虑这一因素，下一步的仿真证明中，需要采用分段扫描的方法。

（作者单位：中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司）

第五篇：微波天线仿真设计实验

基于HFSS的微带天线仿真设计 1 概述

目前，在许多应用场合（如移动通信手机中）都需要体积小、重量轻的小型接收天线。微带贴片天线代表一系列的小型天线，以其剖面低、重量轻的优点而成为人们的首选。通过采用简单明了的传输线模型，建立微带线嵌入馈电贴片天线的精确模型并对之进行分析已成为可能。另外，通过应用曲线拟合公式，也可以确定50Ohm输入阻抗所需的精确嵌入长度。馈电机制在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。微带天线可以由同轴探针或嵌入的微带线来馈电，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。

在一个薄的介质基板上，一面覆上金属薄层作为接地板，另一面采用刻蚀地方法做出各种形状的贴片，利用微带或者同轴对贴片进行馈电，这就是最基本的微带贴片天线。它在导体贴片和接地板之间激励起电磁场，并通过贴片与接地板的缝隙向外辐射。

天线分析的基础问题是求解天线周围空间建立的电磁场，进而得出方向图增益和输入阻抗等特性指标。如下图1，图2所示。

图1 矩形微带天线开路段电场结构

图2 场分布侧面图 天线基础

天线的性能直接影响着整个无线通信的性能，一般来说，表征天线性能的主要参数有方向特性、增益、输入阻抗、驻波比、极化特性等。

2.1 天线的极化方式

所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。根据极化方向可分为垂直极化波和水平极化波。

(1)水平极化波：当电场强度方向平行于地面形成的波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减。

(2)垂直极化波：当电场强度方向垂直于地面形成的波。垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

2.2 天线的增益

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。表征天线增益的参数有dBd和dBi。DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。

2.3 天线的阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。

天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗。

驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。

回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

2.4 天线的波瓣宽度

波瓣宽度是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

(1)垂直波瓣宽度：一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质 量的目的。

(2)水平波瓣宽度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。

3矩形贴片的设计

矩形贴片是微带贴片天线最基本的模型，本设计就是基于微带贴片天线基础理论以及熟练掌握HFSS10仿真软件基础上，设计一个矩形贴片，其工作频率在2.45GHz，并分析其远区场辐射特性以及S曲线，3.1 设计目的

(1)学习设计微带天线的设计方法；

(2)掌握矩形贴片的设计方法及其远区辐射场的特性以及S曲线；(3)掌握HFSS10仿真软件的使用。

3.2 矩形微带贴片天线的辐射原理

如图3所示，用传输线模分析法介绍它的辐射原理。

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基 片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最

简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。

在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。

图3 矩形贴片天线示意图

3.3 矩形贴片天线的仿真设计

1．建立新的工程 2．设置求解类型 3.设置模型单位

4．创建微带天线模型

(1)创建地板GroundPlane。尺寸为90mm*90mm，并设置理想金属边界。

(2)建立介质基片。尺寸为45mm*45mm*5mm。将材料设置为Rogers R04003。(3)建立贴片Patch。尺寸为：32mm*32mm，并设置理想金属边界。

(4)创建切角。首先在坐标原点处创建三角形，然后将其移动到方形贴片的顶点处。输入点的坐标：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通过旋转180度创建另一个切角。(5)用Patch将切角减去。(6)创建探针Pin。圆柱中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；输入圆柱半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；输入圆柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料设置为pec。

(7)创建端口面Port。圆心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0，半径为：dX：0，dY：1.5，dZ：0。

(8)用GroundPlane 将Port减去。

5.创建辐射边界

创建Air，尺寸为：160mm*160mm*70mm。辐射边界命名为Rad1。

6．设置端口激励

端口命名为p1。在Modes 标签中的Integration line zhong点击None，选择New Line，在坐标栏中输入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回车键，点击Next按钮直至结束。

7．求解设置

为该问题设置求解频率及扫频范围

(1)设置求解频率。设置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。

(2)设置扫频。扫频窗口中做以下设置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；将Save Field复选框选中。8.设置无限大球面

在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere标签中做以下设置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。

9.确认设计 10.保存并求解工程 11 后处理操作

(1)S参数（反射系数）。

绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是s11。点击菜单栏HFSS>Result>Create Report。选择：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 点击Y标签，选择：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后点击Add Trace按钮。点击Done按钮完成 操作，绘制出反射系数曲线。

(2)2D辐射远场方向图。

在菜单栏点击HFSS>Result >Create Report。选择：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep标签中，在Name这一列中点击第一个变量Phi，在下拉菜单中选择The。点击Mag标签，选择：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,点击Add Trace按钮。最后点击Done，绘制出方向图。结果分析

4.1 对探针位置的探讨

地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。

介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：32，dY：32，dZ：0。

4.1.1探针在Y轴

探针中心点的坐标：X：0，Y：8，Z：0；半径：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图4所示：

图4 矩形贴片天线3D模型(探针在Y轴)

(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图5所示。

图5 反射系数图（Y轴）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图6所示。

图6 2D辐射远场方向图（Y轴）分析： 当探针在Y轴上时，回波损耗在13.8dB左右，工作频带在2.35GHz-2.47 GHz。

由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要进行优化。

4.1.2 探针位置在X轴上

探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图7所示：

图7 矩形贴片天线3D模型(探针在X轴)

(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图8所示。

图8 反射系数图（X轴）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图9所示。

图9 2D辐射远场方向图（X轴）

分析：当探针在X轴上时，回波损耗也在13.8dB左右，工作频带在2.37GHz-2.48 GHz。

由远场方向图可看出，有一个小的背瓣。频点在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.说明此位置仍不是最佳位置。

4.1.3 探针在对角线位置上 探针中心点的坐标：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图10所示：

图10 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图11所示。

图11 反射系数图（对角线）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图12所示。

图12 2D辐射远场方向图（对角线上）

分析：当探针在对角线上时，回波损耗为-29dB，频点恰好在2.45GHz，工作频带在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作频带很窄。由远场图可知，此位置仍有一个小的背瓣。

因此，探针在这个工作特性很好，但工作带宽有点窄。探针中心点的坐标：X：8，Y：8，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图13所示：

图13 矩形贴片天线3D模型(探针在对角线轴)

(1)反射系数曲线

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图14所示。

图14 反射系数图（对角线）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图15所示。

图15 2D辐射远场方向图（对角线上）

分析： 当将探针设置在此位置时，回波损耗在-14.3dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.49GHz,频点正好在2.45GHz。

由远场方向图可知，在此位置有一个小的背瓣。

探针在这个位置工作特性很好，工作频带也较宽。此外还可知在对角线上越靠近中心，天线性能越好。

4.2 改变贴片尺寸

地板长、宽、高分别为： dX：90，dY：90，dZ：0。

介质基片长、宽、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料为Rogers R04003。贴片Patch长、宽、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。

探针中心点的坐标：X：8，Y：0，Z：0；半径：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料设置为pec。模型如图16所示。

图16 矩形贴片天线3D模型(贴片尺寸改变)(1)反射系数曲线

仍在上述所设求解频率和扫频的条件下，绘制反射系数曲线，如图17所示。

图17 反射系数曲线（贴片尺寸改变）

(2)2D辐射远场方向图

在如上所述的求解频率和扫频的条件下，绘制2D辐射远场方向图，如图18所示。

图18 2D辐射远场方向图（贴片尺寸改变）

分析： 当其他条件不变，改变贴片尺寸（由32mm*32mm改为31.7mm*31.7mm）时，回波损耗在-12.5dB左右，频带宽度在2.39 GHz-2.50GHz,频点正好在2.45GHz。

由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。探针在这个位置（X轴）工作特性不错，工作频带也较宽。

4.3 改变探针半径

在4.2的基础上，将探针半径改为0.4mm，其他条件不变，则所形成的反射系数图和2D辐射远场方向图如图19，图20所示。

图 19 反射系数图曲线（探针半径0.4mm）

图20 2D辐射远场方向图(探针半径0.4mm)分析：① 在上一步的基础上，改变探针半径（由0.5mm改为0.4mm）时，回波损耗在-14.1dB左右，频带宽度在2.40 GHz-2.52GHz,频点正好在2.46GHz。

② 由远场方向图可知，在此位置仍有一个小的背瓣。

③ 此时，探针不在工作频点，可知探针半径太小，但由上研究可知，半 径在稍微改大一点应该可以使探针工作在2.45 GHz（这个问题由于时间问题没研究）。

总结：

① 当频率低于工作频点时，优化天线的措施有：改变探针位置、探针半径、贴片尺寸等，均可以使其工作在频点（如2.45GHz）。

② 对于矩形贴片可知：当探针在坐标轴上时，天线性能不是很理想；当在对角线上时，天线的性能较理想，工作频带较在坐标轴的位置要窄，而且探针在对角线上靠近中心的位置上，天线的性能更好。

③ 当改变探针半径时，半径减小，工作频率变大。通过调整可以使贴片工作在频点。设计体会

微波课设在短短的几天时间里完成了。首先非常感谢老师以及各位学长的帮助和指导。

由于老师已经在指导书上列出了很详细的操作步骤，设计思路都体现在里面，因此这次课设上手还是很快的。这使我们能够很快的把握住设计思路，进一步学会如何利用HFSS10这款软件设计微带天，并通过所形成的远区辐射场图和S曲线分析矩形微带天线的特性。学习将基础的理论知识应用到微带天线的实际设计中。做完之后再回头想一下，按照公式计算出来的矩形天线的参数运用到实际时，并不能使天线达到理想的辐射状态。这可能是由于一些共识的近似表示以及实际天线所处环境等因素造成。由此可知，在具体设计微带天线时要根据实际的情况对天线进行优化处理，使其达到理想辐射特点。当然在做实验时并不是特别顺利，所幸的是，在老师和几位学长的帮助指导下解决了，并从中学到很多东西。

此外，在这次课设中同学间的配合也是相当重要的。每个学生对老师课堂所讲的内容的接收程度不同。只有同学间的相互配合，提出问题，然后讨论最后解决，才能使课设结果达到更好的效果。参考文献

《微波天线与技术》 西安电子科技大学出版社 刘学观 郭辉萍 编著。