第一篇：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）
第二篇：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。
第三篇：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。
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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。
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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
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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：
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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
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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。
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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。
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第四篇：螺旋天线初步仿真总结
反射系数（驻波）和耦合系数：
0.00-5.00-10.00-15.00-20.00XY Plot 2-5.6694Curve Info0type2-6.5349-9.1981dB(S(1,1))Setup1 : SweepdB(S(1,2))Setup1 : SweepdB(S(2,2))Setup1 : SweepY1-25.00-30.00-35.00-40.00-45.000.500.751.001.25Freq [GHz]1.501.752.00 不圆度：m1-m2=0.7744
0-30-1.00-1.20-60-1.40-1.60m1m230609090-120Namem1m2PhiAngMag120271.0000-89.0000-0.9964197.0000-163.0000-1.7708-150150
增益（0.92GHz）加载线圈：
无线圈：
总结：
不圆度指标可在1dB内； 驻波和耦合是难点；
把螺旋天线内置在天线罩中，耦合增强，但对位置敏感，需要和室分天线联合调参。
fpc-induce2 good
天线变小了
反射系数（驻波）和耦合系数：940MHz 0.00XY Plot 2Curve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepdB(S(1,2))Setup1 : SweepdB(S(2,2))Setup1 : Sweepgood-5.00-4.7591-6.2077-9.3256-10.00Y1-15.00-20.00-25.00-30.000.500.751.001.25Freq [GHz]1.501.752.00 不圆度：m1-m2=0.7444
NamePhi0AngMag-30m1m2269.0000-91.0000-2.258306-1.6085.000085.0000-1.5142-1.80-60-2.00-2.20m160m29090-120120-150150
940Mhz 端口损耗=1.2023-（-1.4088）=2.6111 dB
S11=-9.3256dB, P: 0.116799235 S21=-4.7591dB, P: 0.334264303 GAIN-REALIZEDGAIN=1-|S11|-|S21|= 0.548953998=-2.604640473 dB 吻合!
螺旋天线方向图：水平全向，和室分天线类似
IBEACON仿真结果：
1.2cm*2cm地板（2.4G）
沿y轴放置的ibeacon天线，方向图为y轴零点的面包圈。增益1.3dB。
2.大地板（2.4G）
方向图为y轴仍为零点。随着地板增大，ibeacon天线辐射偏向了地板方向，出现3个副瓣，端口匹配容易，增益增大为3.5dB。
3.室分天线+螺旋天线+IBEACON（2.4G）0.00XY Plot 1-0.0506ibeacon+antennaCurve Info-2.50dB(S(1,1))Setup1 : SweepdB(S(2,2))Setup1 : Sweep-5.00dB(S(3,3))Setup1 : SweepY1-7.50-8.4173-10.00-10.1141-12.50-15.001.501.752.002.252.50Freq [GHz]2.753.003.253.50 室分天线和ibeacon的方向图
Theta=30,60时的方向图
其中，端口1是室分天线，端口2是螺旋天线，端口3是ibeacon天线。Ibeacon方向图基本和2类似，增益有所损失。
总结：
1、Ibeacon天线会偏向相反方向辐射，且有3个明显的副瓣，最大增益和最小增益差4dB。天线尺寸小，方向图较难控制。
2、ibeacon和室分天线共地摆放，布线较为容易。若需要水平均匀方向图，则重新考虑ibeancon摆放位置、ibeacon天线形态（一定会增大尺寸）。
3、该方向图是否可以足够满足定位需求，建议后续结合业务容量、距离进行测试。
第五篇：电波天线考试
电波传播与天线结课作业
系别：xxxx工程学院 专业：电子信息工程 班级：xx级xx班 学号：xxxxxxxxxx 姓名：XXX 1
电波传播与天线考试试题
1.简述天线的功能及接收天线的接收物理过程。（分数：5）
答：天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。
接收的物理过程为：接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激起感应电流，在天线的输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。所以接收天线是一个把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程。
2.为什么引向天线的有源振子常用折合振子，引向天线的引向器和反射器怎么区分？（分数：10）
答：引向天线是一个紧耦合的寄生振子端射阵，通常由一个（有时由两个）有源振子及若干个无源振子构成。有源振子近似为半波振子，主要作用是提供辐射能量；无源振子的作用是使辐射能量集中到天线的端向，折合振子为半波振子，提供的能量能保证天线的辐射要求。在该天线中，其反射能量作用的稍长于有源振子的无源振子称为反射器；其引导能量作用的较有源振子稍短的无源振子叫引向器。
3.简述行波天线和驻波天线的差别和优缺点。（分数：5）
答：用天线上的电流分布作为区分行波天线和驻波天线的依据：把天线上的电流按行波分布的天线叫行波天线，按驻波分布的天线叫驻波天线。驻波天线又称为谐振天线，它的输入阻抗具有明显的谐振特性，天线的工作频带较宽，相对带宽约几分之几到百分之几；行波天线工作于行波状态，频率变化时输入阻抗近似不变，方向图随频率的变化也较缓慢，所以带宽较宽，绝对带宽可达（2~3）:1，是宽频带天线。但是，行波天线得宽频带特性使用牺牲效益（或增益）来换取的，因为有部分能量被负载吸收，所以分行波天线效率低于驻波天线的效率。
4.什么是缝隙天线？基本缝隙天线的场辐射特点是什么？（分数：5）
答：在波导或空腔谐振器开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的天线称为缝隙天线。
特点：有横向分布电场激励；结构牢固；馈电方便。
5.简述电波传播研究内容及对象和几种主要的电波传播的特点。（分数：5）答：研究内容：无线电波传播媒质特性的研究；几种传播方式的传播机制，传输特性的研究；对于新开拓频段的电波传播问题的研究。
地面波传播：信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。天波传播：长，中，短波都可以利用天波进行远距离通信。视距传播：收，发天线离地面高度远大于波长。
对流层散射传播：主要用于超短波和微博远距离通信。
6.当发射天线为辐射垂直极化的鞭状天线，在地面上和地面下接收时，各自应采用何种天线比较合适，解释其原因？（分数：5）
答：当采用垂直极化的鞭状天线作为发射天线时，根据波前倾斜现象的原理，在地面上和地面下均可以接收信号。在地面上接收时，由于电场的垂直分量远大于水平分量，所以宜采用直立天线来接收，接收天线附近的地面宜选择湿地。如果受条件限制，不能采用直立天线来接收，也可以采用低架或水平铺设的天线来接收，此时地面宜选择干地。
7.简述天波传播中的反射条件和电离层吸收特点。（分数：5）
答：反射条件：sinηmax
0
=√ε=√（1-80.8N/f²
n
n
max
n
max）
f=√80.8N/cos²η
式中N是反射点的电子密度。
吸收特点:电离层的碰撞频率越大或者电子密度越大，电离层对电波的吸收就越
大；电波频率越低，吸收越大。
8.为什么存在地面有效反射区？在其他条件都相同的情况下，有效反射区的大小和频率关系如何？（分数：5）
答：由于地面的性质、地貌、地面建筑等都会影响电波转播，所以传到地面的电磁波不会完全被利用，即存在地面有效反射区。
频率越高，有效反射区越大。
9.简述地面移动通信中电波传播特点及其研究方法？（分数：5）
答：对地面移动通讯所采用的VHF和UHF频段而言，地面波衰减得很快，可以忽略不计，其主要的传播方式仍为视距传播，即直接波与地面波的合成。在地面移动通讯中，接收信号不仅有时间上的衰落，而且还有地点上的衰落，是一种时间和地点上的随机信号，对于所覆盖的大面积地区，一般很难获得准确的地形数据，不可能对各个移动台所在的位置进行准确的场强估算。
10.研究方法：基于实验基础上的预测方法，Okumura方法，Lee方法；此外还有实验和理论相结合的方法，如我国的GB/T 14617.1-93方法等。论述微带天线在现代通信系统的应用特点及其发展趋势，研究方向。（要求论文字数不少于3000字，有标题，摘要，参考文献，参考文献不少于10篇，且为近3年内发表的文章）
（分数：50）
微带天线的发展及未来
摘要
现代电子技术向通讯、广播、可视电话、卫星导航、雷达等都离不开电磁学的发展。一直以来电磁学这门课程一直都是通讯技术发展的重点。微带天线在其中更是一个不可或缺的部分。天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。辐射和接受电磁能量的装置称为天线。在现代的社会，天线是人人不能缺少的东西。在这里介绍的微带天线则就是其中的精髓。它主要应用于高科技领域，微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。
关键字 ：微带天线，电磁场与电磁波，通信，天线
1.微带天线的发展情况
微带辐射器的概念首先是德尚（G.A.Deschamps)在1953年提出来的。最早的实际的微带天线是Howellt和Munson在1972年研制成的（当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后）。
随着无线电技术的发展，微带天线在各个领域得到越来越广泛的应用：无线通讯技术，包括手机、蓝牙（BlueTooth）、无线局域网（WLAN）等终端；小型化卫星通讯；多普勒及其它制式雷达；无线电测高仪；指挥和控制系统；导弹遥测；无线电引信；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航接收机；生物医学辐射器等）。当今对于微带天线技术的研究热点高增益、低副瓣设计小型化、宽带设计多极化、多频段设计超宽带天线设计光子带隙PBG技术应用于微带天线设计。
2.微带天线的定义
微带天线，英文名称microstrip antenna，是在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。主要应用于航空科技（一级学科）；航空电子与机载计算机系统（二级学科）。
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(光刻、腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片)。它采用微带线或同轴线等馈电，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，微带天线可以看成是一种缝隙天线。由于介质基片的厚度往往远小于波长，故它实现了一维小型化，属于电小天线。
3.微带天线的分类
微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微带贴片天线（MPA—Microstrip Patch Antenna）是由在介质基片一面的任何平面或非平面几何形状的导电贴片和另一面的地平面构成。常见实际使用的基本结构如图(a)，其中矩形和圆形贴片天线应用最广。典型的贴片天线的增益为5-7dB，3dB波束宽度在70゜-90゜范围内。
微带行波天线（MTA—Microstrip Traveling-Wave Antenna）是由链形周期性导体或足够宽度以支持TE模式的一个长微带线构成。它沿线传输行波，天线的另一端是一个匹配电阻性负载，用来避免天线上的驻波。可以将行波微带天线设计成使得主波束位于从侧面到端射的任何一个方向。
微带缝隙天线（MSA—Microstrip Slot Antenna）是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线（如槽线）对其馈电的天线。裂缝实际上可以是任何形状，但通常只对一些基本的微带裂缝的形状进行研究，如矩形裂缝，环形裂缝，矩形环裂缝和锥形裂缝。裂缝天线在它们裂缝的两侧辐射，因此可称之为双向辐射器。利用裂缝的一个侧面上的反射器板，就可以获得单向辐射器。
4.微带天线的工作原理
贴片尺寸为a×b，介质基片厚度为h。微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取b，为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）：。
天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为。沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。
沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。
矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 的正镜像。由于，因此它只相当于将 加倍，辐射图形基本不变。
微带缝隙天线
最早出现的也最简单的是传输线模型(TLM-Transmission Line Model)理论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小与波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理论。从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Green’s Function Approach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach)等。5.微带天线的优缺点
和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：
⑴ 体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如火箭、卫星飞行器等）共形，并且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。
⑵ 性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式下工作。
⑶ 可加性强。能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。
和其他天线相比，微带天线也有如下一些缺点：
⑴ 相对带宽较窄，特别是谐振式微带天线。
⑵ 损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。
⑶ 单个微带天线的功率容量较小。
⑷ 介质基片对性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。
6.微带天线的应用
微带天线具有小型化、易集成、方向性好、可加性强等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：移动通信、卫星通讯、多普勒雷达及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。
参考文献
[1]天线的发展现状及趋势，htp:// [2]钟顺时，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，1991 [3]LIU Xue-Guan，GUO Hui-Ping.Microstrip Technology antennas[M].Xi’an Publishing house of Xi’an Electronic Science and Technology University(刘学观，郭辉萍.微波技术与天线，西安:电子科技大学出版社)2001.[4] 薛睿峰，钟顺时.微带天线小型化技术.电子技术.2002 [5] 施华，舒琳，王均宏.手机天线的研究进展.移动通信.2002 [6] 樊明延，张雪霞，冯正和.移动通信中小天线技术新进展.通信市场.2003 [7] 吕文俊，程勇，程崇虎，朱洪波.一种新型多频缝隙微带天线的设计.电波科学学报.2006 [8]王军礼.电磁场与电磁波（第三版）.西安电子科技大学出版社，2009 [9]王军礼.《电磁场与电磁波（第三版）》学习指导.西安电子科技大学出版社，2011
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