微波天线仿真设计实验

第一篇：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。

第二篇：微波与天线总结

对称阵子天线：

构成：有两根粗线和长度都相同的导线构成，中间为俩个馈电端

原理: 若电线上的电流分布已知，则由电基本阵子的辐射场沿整个导线的积分，便得到对称振子的辐射场。实际上，西振子天线可看成是开路传输线逐渐张开而成，而其电流分布与无耗开路传输线的完全一致，即按正弦驻波分布。用途: 对称振子分为半波对称振子和全波对称振子，半波对称振子广泛的应用于短波和超短波波段，它既可以作为独立天线使用，也可以作为天线阵的阵元，在微波波段还可以作为抛物面天线的馈源。

特点: 方向性比基本振子的方向性稍强一些，平均特性阻抗Z越低R和X随频率的变化越缓慢，其频率特性越好。所以，欲展开对称振子的工作频带，常利用加粗振子直径的方法。当h=λ/4n时，其输入阻抗是一个不大的纯电阻具有很好的频率特性，也有利于同馈线匹配，而在并联谐振点附近是一个高阻抗且输入阻抗随频率变化剧烈，特性阻抗不好。

阵列天线：

构成: 将若干辐射单元按某种方式排列所构成的系统。构成天线阵地辐射单元，成为天线原或阵元

原理：天线的辐射场是各天线元所产生的矢量叠加，只要各天线元上的电流，振幅和相位分布满足适当的关系，就可以得到所需要的辐射特性 特点：天线阵的主瓣宽度和旁瓣电平是即相互依赖又相互对立的一对矛盾，天线阵方向图的主瓣宽度小，则旁瓣电平就高，反之，主瓣宽度大则旁瓣电平就低。均匀直线阵的主瓣很窄，但旁瓣数目多，电平高，二项式直线振的主瓣很宽旁瓣就消失了，旁瓣分散了天线的辐射能量，增加量接受的信噪比，但旁瓣又起到了压缩主瓣宽度的作用。

直立阵子天线：

构成: 垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立阵子天性

原理: 单级天线可等效为一对对称振子，对称阵子可等效为一二元阵，但此时等效只是在地面或导体的上半空间成立。理想导电平面上的单级天线的辐射场可直接应用到自由空间对称振子的公式进行计算。

用途: 广泛应用于长，中，短波及超短波段。

特点: 当h《λ时辐射电阻很低。单级天线效率也很低改善方法是提高辐射电阻降低损耗电阻。

水平振子天线：

构成: 水平振子天线又称双级天线，阵子的两臂由单根或多股铜线构成，为了避免在拉线上产生较大感应电流，拉线的长度应较小，臂和支架采用高频绝缘子隔开，天线与周围物体要保持适当距离，馈线采用600Ω的平行双导线。

原理: 与直立天线的情况类似，无限大导电地面的影响可用水平阵子天线的镜像来代替，架设在理想导电地面上的水平振子天线的辐射场可以用该天线及其镜像所构成的二元阵来分析，但应注意该二元阵的天线元是同幅反相的。用途: 经常用于短波通信电视或其他无线电系统。

特点: 架设和馈电方便，地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小，工业干扰大多是垂直极化波，因此，用水平振子天线可以减少干扰对接收的影响。

引向天线: 构成：又称为八木天线，它由一个有源振子及若干个无源振子组成，在无源振子中较长的一个为反射器，其余为引向器

用途：广泛用于米波，分米波的通信、雷达、电视及其它天线电流 原理：引向天线实际上也是一个天线阵，与前述天线相比不同的是它是对其中一个振子馈电，其余振子则是靠与馈电振子之间的近场耦合所产生的感应电流来激励的，而感应电流大小取决于振子的长度及其间距

特点：使天线的方向性增强，但由于各振子之间的相互影响又使天线的工作频带变窄，输入阻抗降低，不利于与馈线的匹配。

电视发射天线

特点：频率范围宽，覆盖面积大，有零辐射方向，天线及其电场平行于地面，为了扩大服务范围，发射天线必须家架在高大建筑的顶端或专用的电视塔上，这就要求天线必须承受一定的风荷，防雷等。还要求天线在水平面内无方向性。

移动通信基站天线

特点：有足够的机械强度和稳定性，垂直极化，根据组网方式的不同，如果是顶点激励，采用扇形天线，如果是中心激励采用全向天线，为了节省发射机功率，天线增益应尽可能的高，为了提高天线效率及带宽，天线与馈线应良好匹配

结构：VHF和UHF移动通信基站天线一般是有馈源和角形反射器俩部分组成的，为了获得较高的增益，馈源一般采用并馈共轴阵列和串馈共轴阵列两种形式，为了承受一定的风荷，反射器可以采用条形结构 用途：米波，分米波

特点：体积小，增益高，垂直极化，水平面内无方向性 螺旋天线;结构：讲导线绕制成螺旋形线图而构成的天线称为螺旋天线，通常它带有金属接地板，有同轴线馈电，同轴线的内导体与螺旋线相接，外导体与接地板相连

原理;由于法向模螺旋天线的电尺寸较小，其辐射场可以等效为电基本振子与磁基本振子，辐射场的叠加且它的电流，振幅相等，相位相同。

用途：法向模螺旋天线的辐射效率和增益都较低，主要用于超短波手持式通信机

行波天线：

用途：广泛应用于短波和超短波波段。

特点：具有较好的单向的辐射特性，较高的增益及较宽的带宽，但效率不高。原理：行波天线是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成的。构成：由导线和匹配构成。

宽频带天线：

特点：阻抗方向图等电特性在一倍频程或几倍频程内无明显变化。

原理;当工作频率变化时天线的尺寸随之改变即保持电尺寸不变则能在很宽频带范围内保持辐射特性。

结构：形状仅取决于角度与其他尺寸无关，具有终效应弱现象。用途:等角螺旋天线、对数周期天线在超短波和短波波段广泛应用

缝隙天线：

结构：在同轴线波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝是电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成一种天线。

原理：对偶原理，理想缝隙天线的方向函数与同长度的对称振子的方向函数E面和H面相互交换。波导的内壁上有电流分布，管壁上的缝隙天线切割电流线，缝隙受到激励而向外产生辐射，形成波导缝隙天线。为加强缝隙天线的方向性，可以在波导上按一定规律开一系列尺寸相同的缝隙，构成波导缝隙阵。

特点：缝隙天线具有轮廓低、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带和与有源器件和电路集成为统一的组件等诸多特点，适合大规模生产，能简化整机的制作与调试，从而大大降低成本。厚度很小，结构牢固，馈电方便，但容量不高，频带较窄。

用途：缝隙天线自上世纪中叶以来有了很大的发展，广泛用于地面、舰载、机载、导航等各个领域。由于缝隙阵列天线对天线口径面内的幅度分布容易控制，口径面利用率高，体积小，易于实现低或极低副瓣等特点，因而使其获得广泛使用。

微带天线：

结构: 由一块厚度远小于波长的戒指（称为介质基片）和覆盖在它上面的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片成为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一篇称为辐射元，辐射元的形状可以是方形，矩形，圆形和椭圆形。

原理: 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上有变化，在两开路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，两垂直分量的方向相反水平分量方向相同，因而在垂直于地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同相叠加，两垂直分量电场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即微带天线可以等效为由两个缝隙所构成的二元阵列。

特点: 体积小，重量轻，低剖面。波瓣较宽，方向系数较低，频带窄，损耗大交叉极化大，单个微带天线的功率容量小等

用途 广泛用于100MHz~50GHz的频率范围。

智能天线：

结构: 由天线阵和算法构成。是数字信号处理技术与天线有机结合的产物。原理: 它将每个用户信号分为D路（D为天线单元数），并分别以W11 W12…….Wmd加权，得到M*D路信号（M为用户数），然后将相应的M路信号以不同的加权系数组合而成，因此信号的波形是不同的，从而构成了M个信道方向图。

特点: 具有较高的接受灵敏度，使空分多址系统成为可能，消除在上下链路中的干扰，抑制多径衰落效应。

用途: 提高移动通信的性能。

旋转抛物面天线

结构 :由两部分组成，其一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面，反射面一般采用导电性能良好的金属或其他材料上敷以金属层制成，其二是置于抛物面焦点处的馈源。原理:几何光学反射定理,能量守恒定理.特点 :1张角ψ一定时,馈源方向函数Df(ψ)变化越快,方向图越窄,则口径场分布越不均匀,口径利用因数越低.2 馈源方向函数Df(ψ)一定时, 张角ψ越大, 则口径场分布越不均匀,口径利用因数越低..3张角ψ一定时,馈源方向函数Df(ψ)变化越快, 方向图越窄,则口径截获因数越高.馈源方向函数Df(ψ)一定时, 张角ψ越大, 则口径截获因数越高.4由于抛物面几乎不存在热损耗,即η≈1，所以G≈D.5抛物面天线的方向性很大程度上依赖于馈源.用途 :在通信,雷达和射电天文等系统中广泛应用.卡塞格伦天线

结构;由主反射面,副反射面和馈源三部分组成.主反射面是有焦点在F焦距为f的抛物面绕其焦轴旋转而成,副反射面是由一个焦点在F1另一个焦点在F2的双曲线饶其焦轴旋转而成,主副面的焦轴重合,馈源通常采用喇叭.位于实焦点F2上.原理 : 卡塞格伦天线可以用一个口径尺寸与原抛物面想同,但焦距放大了A倍的旋转抛物面天线来等效,且具有相同的场分布,这样就可以利用前面介绍的旋转抛物面天线的理论来分析卡塞格伦天线的辐射特性和各种电参数.特点 : A.由于天线有两个反射面，几何参数增多，便于按照各种需要灵活地进行设计。B.可以采用短焦距抛物面天线做主反射面，减小了天线的纵向尺寸。C.由于采用了副反射面，馈源可以按装在抛物面顶点的附近，使馈源和接收机之间的传输线缩短，减小了传输线损耗所造成的噪声。

用途: 主要用于卫星地面站,单脉冲雷达和射电天文等系统中

第三篇：北邮微波仿真实验1

微波仿真实验报告

学 院：电子工程学院 班 级 学 号： 姓 名： 班内序号：

微波仿真课作业1

1.了解ADS Schematic的使用和设置

2．在Schematic里，分别仿真理想电容20pF和理想电感5nH，仿真频率为（1Hz-100GHz），观察仿真结果，并分析原因。20pF理想电容

仿真图

原因分析：史密斯原图下半部分是容性，随频率增加，电容由开路点变到短路点，通高频，阻低频。5nH理想电感

仿真图

原因分析：史密斯原图上半部分是感性，随频率增加，电容由短路点变到开路点，阻高频，通低频。

3． Linecalc的使用

a)计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω微带线的宽度

宽度为：2.9112mm b)计算中心频率1GHz时，FR4基片的50Ω共面波导（CPW）的横截面尺寸（中心信号线宽度与接地板之间的距离）

横截面尺寸为：W=171.355mm，G=5mm，L=63.5mm

4．基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长开路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分析原因。

仿真图

仿真图分析： 1、1GHz时，为四分之一波长，开路阻抗变换后变为短路，2GHz时为二分之一波长，所以仍为开路；

2、由于损耗，因此反射系数变小，所以等反射系数圆的半径也在变小。

5.基于FR4基板，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长短路CPW线的性能参数，中心工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图

仿真图分析： 1、1GHz时，为四分之一波长，短路阻抗变换后变为开路，2GHz时为二分之一波长，所以仍为短路；

2、由于损耗，因此反射系数变小，所以等反射系数圆的半径也在变小。分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗： 500MHz:Z0*（0.003+j0.001）2GHz：Z0*（0.012-j0.005）

6.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图

分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗： 微带线

500MHz:Z0*（0.003-j0.992）2GHz：Z0*（32.830-j1.603）理想传输线

500MHz:Z0*（1.000E-10-j1.000）2GHz：Z0*（2.000E10-j2.000E5）

分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。

扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。

7.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω四分之一波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图

分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗： 微带线

500MHz:Z0*（0.009+j1.003）2GHz：Z0*（0.031+j0.002）理想传输线

500MHz:Z0*（5.551E-17+j1.000）2GHz：Z0*（8.284E-18-j1.000E-5）

分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。

扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。

8.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω二分之一波长开路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图

分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗： 微带线

500MHz:Z0*（0.016+j0.006）2GHz：Z0*（16.430-j0.798）理想传输线

500MHz:Z0*（5.000E-11-j6.123E-17）2GHz：Z0*（2.000E10-j2.000E5）

分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。

9.分别用理想传输线和在FR4基片上的微带传输线，仿真一段特性阻抗为50Ω二分之一波长短路线的性能参数，工作频率为1GHz。仿真频段（500MHz-3GHz）,观察Smith圆图变化，分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗，分析变化原因。

仿真图

分别求出500MHz和2GHz的输入阻抗： 微带线

500MHz:Z0*（55.044-j19.301）2GHz：Z0*（0.061+j0.004）理想传输线

500MHz:Z0*（-1.000+j1.633E16）2GHz：Z0*（8.284E-18-j1.000E-5）

分析：因为相对于理想传输线，微带线有损耗产生误差，反射系数一直变小。

扩展仿真频率（500MHz-50GHz），分析曲线变化原因。

分析：对于理想传输线，反射系数不变，而对于微带线，由于存在损耗，反射系数会一直变小，因此其反射系数圆的半径在一直变小。微波测量实验中测得的几个史密斯圆图 四分之一开路微带线

四分之一短路微带线

二分之一开路微带线

二分之一短路微带线

微波仿真课作业2

1． 用一段理想四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz。计算得，22.36欧姆

仿真S参数

计算分析：由图计算-20dB带宽为 1071-929=142MHz;且如仿真图所示，在1GHz处回波损耗最低，实现阻抗匹配。2． 用一段FR4基片上四分之一波长阻抗变换器匹配10欧姆到50欧姆，仿真S参数，给出-20dB带宽特性，工作频率为1GHz，比较分析题1和题2的结果。

仿真S参数

由图计算-20dB带宽为1065-921=144MHz。

比较分析题1和题2的结果

分析，微带线与理想传输线之间有一定的误差：

1、如图所示可以看出微带线情况下，回波损耗最低点稍微偏离1GHz；

2、-20dB带宽为144MHz大于理想传输线时的142MHz； 3、1GHz阻抗匹配时，微带线时的回波损耗大于理想传输线。

3． 设计一个3节二项式匹配变换器，用于匹配10欧姆到50欧姆的传输线，中心频率是1GHz，该电路在FR4基片上用微带线实现，设计这个匹配变换器并计算

m0.1的带宽，给出回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线，比较分析题2和题3的结果。

根据所学的理论知识，先依题意算出三节匹配微带线的阻抗值,然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。

Z1=40.89Ω W=4.198480mm L=40.404500mm Z2=22.36Ω W=9.620970mm L=38.833700mm Z3=12.23Ω W=19.83080mm L=37.648400mm

插入损耗

m0.1的带宽，即为-20dB带宽，由图计算得1325-680=645MHz；

比较分析题2和题3的结果，3节二项式匹配变换器匹配误差更大：

1、如图所示可以看出3节二项式匹配变换器匹配时回波损耗最低点明显偏离1GHz；

2、-20dB带宽为645MHz大于微带线情况；

3、但1GHz阻抗匹配时，3节二项式匹配变换器时的回波损耗小于微带线情况。

4． 题3中，若用3节切比雪夫匹配变换器实现，比较同样情况下的带宽，回波损耗和插入损耗与频率的关系曲线，比较分析题3和题4结果。

根据所学的知识可以计算出切比雪夫变换器匹配的三个微带线的阻抗，然后通过LineCalc计算出相应微带线的长和宽，修改电路图中MLIN的相关参数。Z1=35.94Ω

W=4.948710mm L=40.0910mm Z2=22.11Ω

W=9.6519mm L=38.8278mm Z3=13.55Ω

W=17.57710mm L=37.8241mm

仿真图

插入损耗

m0.1的带宽，即为-20dB带宽，由图计算得1485-534=951MHz；

比较分析题3和题4的结果，即二项式匹配变换器与切比雪夫匹配变换器：

1、切比雪夫匹配变换器的带宽显著增加；

2、切比雪夫匹配变换器回波损耗具有等波纹特性；

3、两者的插入损耗差别不明显。

5． 对于一个负载阻抗ZL=60-j80欧姆，利用Smith Chart Utility功能，分别设计并联短路单枝节和并联开路单枝节匹配，并将Smith Chart Utility给出的匹配结果在Schematic中仿真，给出1-3GHz的回波损耗与频率的关系曲线，并给出m0.1的带宽。并联短路单枝节

计算并联短路单枝节-20dB带宽：1053-952=101MHz

并联开路单枝节

计算并联开路单枝节-20dB带宽：1023-975=48MHz

6． 并联双枝节匹配电路，并联双枝节为开路，枝节之间相距λ/8，中心工作频率为2GHz,利用理想传输线，给出1-3GHz的回波损耗与频率的关系曲线，并给出m0.1的带宽。并联双枝节, 枝节之间相距λ/8，中心工作频率为2GHz

仿真

如图在2GHz匹配

计算-20dB带宽：2012-1988=24MHz

第四篇：微波技术与天线小结

填空：

1、无耗传输线工作状态（1）行波状态（2）纯驻波状态（3）行驻波状态

2、传输线的损耗分（回波损耗）（插入损耗）

3、阻抗匹配：负载阻抗匹配、源阻抗匹配、共轭阻抗匹配

4、波导的一般理论包括三个部分：广义传输线理论、分离变量法、简正模理论。

5、带状线的衰减主要由（导体损耗）和（介质损耗）引起。

6、微带线的高次模有两种模式：波导模式和表面波模式

7、无色散最高频率为4GHz

8、矩阵的性质：互易网络、对称网络

9、矩阵：阻抗矩阵、导纳矩阵、转移矩阵、散射矩阵

10、如果按辐射元的类型则天线大致可以分为两大类：线天线和面天线

11、按极化方式分天线分：线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线

12、电波传播方式：视距传播、天波传播、地面波传播、不均匀媒质传播

13、衰落现象大致可分为：吸收型衰落和干涉型衰落

14、传输失真原因有：媒质的色散效应和随机多径传输效应

名词解释：

特性阻抗——传输线上行波的电压与电流的比值 传播常数：由衰减常数和相位常数构成

相速--—传输线上行波等相位面沿传输方向的传播速度

带状线：带状线仍可理解为与同轴线一样的对称双导体传输线，传输的主模是TEM模。

色散：是指电磁波的相速随频率而变的现象 天线：用来辐射和接收无线电波的装置称为天线 方向图：指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强即归一化场强的大小随方向变化的曲线图。

天线效率：天线辐射功率 与输入功率Pin之比；要提高天线效率，应尽可能提高辐射电阻，降低损耗电阻

线天线：横向尺寸远远小于纵向尺寸并小于波长的细长结构的天线称为线天线。阵列天线：由若干辐射单元按某种方式排列所构成的系统称为天线阵 智能天线：由天线阵和智能算法构成，是数字信号处理技术与天线有机结合的产物

面天线：电流分布在天线体的金属表面，且口径尺寸远大于工作波长的天线称为面天线。

衰落：一般是指信号电平随时间的随机起伏

简答：

1、什么是微波？微波有什么特点？

微波是电磁波谱中介于超短波和红外光波之间的波段，属于无线电波中波长最短（频率最高）的波段，频率范围300MHz—3000GHz(对应空气中波长λ是1m —0.1mm)特点：似光性、穿透性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播性、分布参数不确定性、电磁兼容和电磁环境污染。

2、微波传输线的分类？ 第一类是双导体输传线，它由二根或二根以上平行导体构成；第二类是均匀填充介质的金属波导管；第三类是介质传输线

3、试说明为什么规则金属波导内不能传播TEM波？

空心金属波导内不能存在TEM。这是因为如果内部存在TEM波，则要求磁场应完全在波导的横截面内，而且是闭合曲线。有麦克斯韦第一方程知，闭合曲线上磁场的积分应等于与曲线相交链的电流。由于空心金属波导中不存在轴向即传播方向的传导电流，故必要求有传播方向的位移电流。由位移电流的定义式：Jd=D/t，这就要求在传播方向有电场存在，显然这个结论与TEM波的定义矛盾，所以金属波导内部能传播TEM波。

4、微波集成传输线概念特点？

它是由微波技术与半导体器件及集成电路结合而成的，从而产生了集成化的平面结构的微波传输线，集成化的微波传输线称为微波集成传输线。（1）体积小、重量轻、性能好、一致性好、成本低（2）具有平面结构，通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性。

5、天线的基本功能

（1）天线应能将导波能量尽可能多的转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的“电磁开放系统”，其次要求天线与发射机匹配或与接收机匹配。（2）天线应使电磁波尽可能集中于所需的方向上，或对所需方向的来波有最大的接受，即天线具有方向性。

（3）天线应能发射或接收规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。（4）天线应有足够的工作频带。

6、天线的电参数有哪些？

方向图（主瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数）、天线效率、极化特性、频带宽度、输入阻抗

7、从接受角度讲，对天线的方向性有哪些要求？

（1）主瓣宽度尽可能窄，以抑制干扰。（2）旁瓣电平尽可能低。

（3）天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点，以便将零点对准干扰方向，而且当干扰方向变化是，零点方向也随之改变，称为零点自动形成技术

8、智能天线技术的主要优点有？

（1）具有较高的接收灵敏度；（2）使空分多址系统(SDMA)成为可能；（3）消除在上下链路中的干扰；（4）抑制多径衰落效应。

计算：

第五篇：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