微带天线的仿真设计
一、设计目的及技术指标
学习和掌握HFSS软件，加强对相关知识的理解和掌握。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，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHZ。创建切角，并设馈电位置在（-8,0,0），探针半径dx:0,dy:0,dz:5；端口面位置（-8，0,0），半径dx:1.5,dy:0,dz:0。
二、设计原理
1、微带天线的结构
微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。
微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。
微带天线的馈电（a）侧馈（b）底馈
2、微带天线的辐射原理
用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图：
矩形贴片天线示意图
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。
经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等。
在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效的设计了各种高频结构。
三、设计步骤及内容
1、运行HFSS，建立新的工程，并设置求解类型Driven Modal，设置模型单位mm。
2、设置天线微带模型
首先创建地板GroundPlane。然后建立介质基片Substrate,贴片Patch。创建切角、探针、端口面等。
3、创建辐射边界，设置端口激励。并该问题设置求解频率及扫描频率范围。
4、设置无限大球面，确认设计后保存工程。
5、求解该工程，绘制该问题的反射系数曲线和2D辐射远场方向图。
四、设计仿真结果
下图是我在Ansoft HFSS界面下设计的一个右手圆极化矩形贴片天线。
1.接地板GroundPlane：90mm*90mm
2.介质基片Substrate:45mm*45mm*5mm，,材料Rogers R04003。
3.贴片天线Patch:32mm*32mm
4.探针Pin半径0.5mm*高5mm,材料Pec。
5.端口面Port半径1.5，最后用GroundPlane将Port减去。
6.空气框Air160mm*160mm*70mm,将辐射边界命名为Rad1。
7.馈电点距Patch中心8mm处。
如图：
绘制该问题的反射系数曲线
2D辐射远场方向图
其工作频率并不在2.45GHZ处，而是有点偏左。
从图中可以看出，设定的参数为2.45GHz，但工作位置却在2.42GHz，说明还需要对参数进行一定的改进。
①改变贴片Patch的大小，经过多次测试，当大小为31.7mm*31.7mm时，正好符合要求：反射系数曲线为
此时的2D辐射远场方向图为：
2D辐射远场方向图
此时的辐射图改变不大。发现改变贴片大小后，在工作频率处的回拨损耗几乎无变化。
②改变探针pin半径，当半径为0.24时，符合要求：
反射系数曲线为
此时的2D辐射远场方向图为：
发现改变探针半径后在工作频率处的回拨损耗为23db，有所改善。
③改变探针位置
（1）当探针位置在（-8.5,0,0）时
设计的图形如下：
反射系数曲线为
此时的2D辐射远场方向图为：
探针位置改变后，在工作频率处的回拨损耗减小刚过10DB不多，性能变差。（2）再次改变探针位置，使其在非切角的对角线上，如图：
改变探针位置（-4.33，-4.33,0）
反射系数曲线为
此时的2D辐射远场方向图为
改变后，在工作频率处衰减超过20db，性能有所改善。辐射图的背瓣变宽。
●改变探针位置（-4.1，-4.1,0）
反射系数曲线为
此时的2D辐射远场方向图为
在这个位置处，曲线变得尖锐，且在工作频率处衰减变大，而且背瓣也变窄，所以在这个位置处比较理想。
●再改变到其他位置处，如（-3.5，-3.5,0）处;
反射系数曲线为
此时的2D辐射远场方向图为
它的反射系数曲线和2D辐射远场方向图均不如（-4.1,-4.1,0）处的曲线。
讲过反复的尝试，改变多个参数，可以归纳出如下结论：
①当工作频率偏低时，可以减小贴片的尺寸。尺寸越小，它的工作频率越大。
②改变探针的半径时，适当减小时，会使工作频率变大，找到适当频率后再减小频率后，工作频率减小。
③改变探针位置，在原来方向上，工作频率达到了要求，但是衰减变小，性能变差。将探针放在对角线上时，工作频率不只在一个频率处，但是他们的衰减不同，得到的辐射图也不相同；在此设计中，在（-4.33，-4.33,0）处工作频率符合要求，将探针位置沿此对角线想中心移动时，工作频率左右不定偏移，在（-4.1，-4.1,0）处工作频率又符合要求，且衰减和辐射图都比较理想。
五、设计感想
通过这次设计，获益匪浅。首先学会了HFSS的基本操作，对这个软件有了基础的了解，觉得这个软件的功能真的很强大，很不可思议。HFSS的使用很简单，只是功能较多，界面中各个功能命令的位置让人感觉凌乱，但用过多次后，很快就熟悉了各个菜单的大致功能，还有某些快捷键的使用，使操作快捷方便。
熟悉了HFSS的使用之后，设计微带天线，由于工作频率并没有达到设计的要求，所以对设计中的一些参数进行修正，只改变其中的某一参数，其他的参数保持不变，即保持单一变量，这样更容易观察到参数对天线性能的影响。修改参数时，要经过多次反复的测试，才能使频率达到设计的要求，测试的过程真的很容易让人失去耐心，总是差一点点，但是当达到设计要求时，那份喜悦却又是很难形容的。
总之，通过这次课设我学会了什么是探索，在没有理论支撑的时候，只能靠着一点点的变动，去自己观察，慢慢得到自己的结论，过程有些枯燥，但是得到结论后觉得一切都是值得的。
六、参考文献
1、《微波技术与天线》刘学观、郭辉萍西安电子科技大学出版社；
2、《微波技术与天线课程设计指导书》
微波技术与天线课程设计—— 角锥喇叭天线 ：吴爽 学号：1206030201
目录 一．角锥喇叭天线基础知识 (3) 1. 口径场 (3) 2. 辐射场 (4) 3.最佳角锥喇叭 (7) 4. 最佳角锥喇叭远场E 面和H面的主瓣宽度 (7) 二．角锥喇叭设计实例 (7) 1. 工作频率 (8) 2.选用作为激励喇叭的波导 (8) 3.确定喇叭的最佳尺寸 (8) 4.喇叭与波导的尺寸配合 (9) 5.天线的增益 (10) 6.方向图 (10)
一．角锥喇叭天线基础知识 角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定角开而形成的，如下图所示。矩形波导尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为D H×D E，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R ，H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R H。 1. 口径场 角锥喇叭的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭在x和y两个方向随喇叭的长度方向均是渐变而逐渐扩展的，因而要在一个正交坐标系下求得角锥喇叭的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿x和y两个方向均为平方律变化。
按此假设，可写出角锥喇叭的口径场为： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H -==+-)2(022)cos( （1.1） 如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设的口径场分析模型的正确性。 2. 辐射场 由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接给出结果。 ])cos 1([cos 2])cos 1([sin 200H E r j H E r j I I r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （2.1） 其中：
PBG结构的微带贴片天线设计 由于微带贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、易加工、共形等优点，所以在军事和民用方面都有着广泛的应用前景。众所周知，集成电路的基底是一些高介电常数材料，而微带贴片天线在低介电常数基底上才能获得最佳性能。位于高介电常数基底的贴片天线由于表面波的损耗辐射效率很低，并且频率带宽极窄，当应用的频率变高时这种情况更加突出，导致贴片天线的增益和效率下降，并且在阵列情况下还会有高的交叉极化电平和互耦电平。 为了实现微带贴片天线的集成化，同时避免昂贵的基底混合技术，就必须在高介电常数基底上实现高效率的贴片天线。近年来出现的新型光子晶体贴片天线能够较好地改善以高介电常数介质为基底的贴片天线的性能。光子晶体贴片天线是指基于光子晶体的贴片天线。所谓光子晶体，或称PBG材料，是指将高介电常数的介质周期性的放置所产生的一种人工电磁晶体，该电磁晶体的表面波波矢图在某一频率范围内出现一个频率禁带，简称禁带。通过在贴片天线中人为的引入光子晶体结构，并利用光子晶体的禁带效应，抑制沿基底传播的表面波，增加天线辐射到空间的电磁波，从而改善天线的性能。 本文所采用的高阻抗表面型PBG结构具有结构紧凑、带隙性能好、可以集成等优点，在天线的设计中得到了广泛的应用。 1 PBG天线设计 本文设计的矩形贴片天线，是中心频率为10 GHz的矩形微带天线(辐射元为矩形)，馈电方式选为中心侧馈。采用ROGER3010材料做为基板，厚度h=1．28 mm，相对介电常数=10．2。矩形贴片的尺寸为L×W。贴片单元的尺寸由经验公式计算可以得出： 利用ADS自带的计算传输线的软件LineCalc来计算传输线的宽度ω=0．162 mm。PBG材料的设计首先利用等效媒质模型得到初始的参数，更准确的参数则通过全波数值仿真获得。由于高阻抗表面PBG结构的周期大小远小于工作波长，适合用集总电路元件(电容、电感)组成的等效LC并联谐振电路来描述其电磁特性。像电路滤波器一样阻止沿表面传输的电流。如前所述，蘑菇型高阻抗表面相邻贴片间的电容效应(介质基片既起着支撑作用，又达到增强电容的效果)，与金属过孔的等效电感组成集中参数的并联谐振电路。这里有高阻面的设计公式： 式中：εr是介质的介电常数；t是高阻面的高度；g是周期间距；ω是单元边长；a为周期。最后得到的设计结果是，ω=1．73 mm，g=0．22 mm()。 2 建模与仿真 根据设计的PBG天线的结构，在HFSS中建模并仿真。模型图 仿真得到的反射系数图。 可以看到回波损耗小于-10 dB的带宽约为600 MHz，参考天线谐振频率为9．96 GHz，PBG 微带天线谐振频率为10．05 GHz。PBG天线的谐振频率比参考天线略高，这是因为二者之间的耦合造成的。二者在9．99 GHz具有相同的反射系数-21．28 dB，在这个频率上仿真得到其方向图。可以看到PBG结构使方向性有所增强，天线的增益大约提高0．53 dB。PBG贴片
宽带印刷偶极子天线设计 何庆强何海丹 (中国西南电子技术研究所，成都610036) 摘要：构建了一个宽带印刷偶极子天线，基于等效电路模型进行分析，给出了一套完整的设计计算公式。采用该方法进行设计，可一次成功，不必进行参数扫描和优化。给出的例子所得天线带宽达到54.15%，优于最新的国内外报道。 关键词：偶极子，巴伦，等效电路，宽带 Design of a Broadband Printed Dipole Antenna He Qingqiang He Haidan (Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036) Abstract: A broadband printed dipole antenna is created. Based on the analysis of equivalent circuit model, a perfect designing calculated process is given. Applying the proposed method, the dipole design can be successful once time and doesn’t need parameter tune and optimization. The designed dipole obtains a 54.15% bandwidth and has a better wideband characteristic compared with recent reports. Keywords: Dipole; Balun; Equivalent circuit; Broadband 1 引言 印刷巴伦偶极子天线最早研究起源于1974年[1]。最近几年的研究表明：通过快速的单元模型分析 计算，天线带宽可以达到18%[2]；通过采用V形地平面，天线带宽可以达到33%以上[3]；通过神经网络参数优化，天线的带宽可以达到40%[4]；采用等效电路优化结合周期性加载原理，印刷偶极子天线的带宽可以达到47.8%[5]。 在这篇文章里，我们基于等效电路模型进行分析，计算出了偶极子天线的物理参数尺寸。采用该方法进行设计，可一次成功，无须参数优化，所得天线的带宽可达54.15%，优于文献[1-5]给出的设计结果。2 等效电路模型分析与设计 图1给出了偶极子天线的几何结构及其参数。图中实线部分为天线结构示意图，该天线印刷在厚度为h，介电常数为 r ε的介质板上。印刷振子辐射臂长为L t，宽为L w；振子的下底长为L H，宽为L d。在振子的中间，刻有一纵向长槽，长为L ab，宽为S w。该天线采用标准的50欧SMA馈电。
. . . . . 图1：微带天线的结构 一、 实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz ，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。 ●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、 实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L 、辐射源的 宽度W 、介质层的厚度h 、介质 的相对介电常数r ε和损耗正切 δtan 、 介质层的长度LG 和宽度WG 。图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有2/g λ的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图2（a ）所示，在长度L 方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
基于HFSS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 天线结构尺寸如表所示: 一、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 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz:
(2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec ,
课程设计报告 课设名称：微波技术与天线课设题目：微带天线仿真设计课设地点：跨越机房 专业班级：学号： 学生姓名： 指导教师： 2012年 6 月 23 日
一、设计要求： 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，设计一个右手圆极化矩形贴片天线，其工作频率为2.45GHz，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 矩形贴片天线示意图 二、设计目的： 1.理解和掌握微带天线的设计原理 2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置 3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型 4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图 5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响 三、实验原理： 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≈
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 通信系统天线综合课程设计 学院名称： 专业班级： 学生： 学生学号：
一、课程设计目的 通过综合课程设计，在学习EDA仿真软 件HFSS使用方法的基础上，掌握常见通信系 统天线的仿真设计方法。 二、课程设计容： 以“通信系统天线”课程课件“Ch4.1 偶 极和单极天线”、“Ch4.2 常用振子天线和馈 电技术”、“Ch5 宽带天线_c”、“Ch6 移动系 统常用天线_c”为参考资料，分别仿真偶极 子天线、UHF probe 振子天线、共面波导馈 电领结天线和同轴馈电贴片天线，并对天线 进行分析。 三、设计步骤及仿真结果 天线设计实例1：偶极子天线 1）设计步骤 打开HFSS并保存一个新项目 打开File选项(alt+F),单击Save as。输入 项目名hfss_dipole。 一.Step1 创建模型 1、创建振子1 （1）选择cylinder图标 （2）输入参数： 切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置圆柱体的基坐标为(x=0 mm,y=0 mm,z=1.25mm); 按下Enter 键后输入半径和长度：dx =2.5mm, dy=0 mm, dz=73.75mm 。 （3）设置振子1的名称和材料 在对象列表中双击cylinder1， 弹出如下属性窗口。 设置名称：将Name改为“pole1”。 设置材料：单击Material的Value，在如下对话框中输入“pec”并确定。
2、创建振子2 （1）选择cylinder图标 （2）输入参数： 切换到参数设置区，设置圆柱体的基坐标为(x=0 mm,y=0 mm,z=-1.25mm); 按下Enter 键后输入半径和长度：dx =2.5mm, dy=0 mm, dz=-73.75mm 。注意此时坐标的选取。 （3）设置名称和材料 设置名称为“pole2”，材料同为“pec”。设置完毕，如下图所示。
燕山大学 课程设计说明书 题目: 基于ADS的矩形微带贴片天线的设计 学院（系）：理学院 年级专业：电子信息科学与技术13 学号： 学生姓名：张凤麒任春宇 指导教师：徐天赋 教师职称：副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：理学院基层教学单位：电子信息科学与技术13
说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年月日燕山大学课程设计评审意见表
基于ADS的矩形微带贴片天线设计 The Design of Rectangular microstrip patch antenna with ADS 摘要：本文研究了通信系统中的矩形微带贴片天线。首先介绍了矩形微带贴片的背景及微带馈电的设计考虑。使用了安捷伦辅助仿真工具ADS对2GHz矩形微带贴片天线结构及相应的参数进行了设置仿真及优化，尽可能达到其相应的技术指标。 Abstract：This paper studies the rectangular microstrip patch antenna in communication system. Firstly, the background of rectangular microstrip patch and the design considerations of microstrip feed are introduced. The microstrip patch antenna structure and corresponding parameters of 2GHz rectangular microstrip patch antenna are simulated and optimized by ADS, and the corresponding technical index is reached as far as possible. 关键词：矩形微带贴片天线 ADS 设计 Keyword：Rectangular microstrip patch antenna ADS design 一.矩形微带贴片天线的背景 微带贴片天线由于具有质量轻、体积小，易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。微带贴片天线由接地板、介质基片和介质基片上的辐射贴片构成的，其中辐射贴片可以是任意的几何形状，但是只有有限的几何形状能计算出辐射特性，比如矩形，圆形，椭圆形，三角形、半圆形、正方形等比较规则的几何形状，其中矩形和圆形贴片的研究最多，可以作为单独的天线使用也可以作为阵元使用。当然在实际应用中，也有矩形和圆形贴片达不到要求的情况，这就促使了人们对各种几何形状微带贴片天线的研究。本文选用矩形贴片来研究微带天线。
一、实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为，带宽( 回波损耗 S11<-10dB)大于 5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由 Deschamps于 1953 年提出来的，经过 20 年左右的发展， Munson和 Howell 于 20 世纪 70 年代初期制造出了实际的微带天线。微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。 图1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L、辐射源的 宽度 W、介质层的厚度 h、介质 的相对介电常数r和损耗正切 tan、介质层的长度LG和宽度 WG。图 1 所示的微带贴片天线是图 1：微带天线的结构 采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈 电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能， 形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有 g / 2 矩 的 改变，而在宽度 W方向上保持不变，如图 2（a）所示，在长度 L 方向上可以看做 成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图 2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成 垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小 相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分 量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
印刷偶极子天线设计及振子长度对天线特性影响的研究 温州大学 愚 公 2012年10月20日 一、 所用仪器 1、装有windows XP系统的PC一台 2、HFSS10.0仿真软件 二、 操作步骤 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。 定义对称偶极子天线的基本参数并初始化，如下表。 2、创建印刷偶极子天线模型如图。其中另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。过程 省略。
3、设置端口激励 印刷偶极子天线由中心位置馈电。 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。这里创建一个长方体设置为辐射边界条件。 5、外加激励求解设置 设计的印刷偶极子天线的中心频率在2.45G Hz，同时添加2.0G Hz ~3.0G Hz频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。 三、 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。HFSS10.0的设置方法与HSFF13有较大区别，具体步骤 如下面三个图所示：
其余各项结果的输出基本类似。以下不再赘述。
图中所示是在2G Hz ~3 G Hz频段内的回波损耗，设计的印刷偶极子天线中心频率约为2.45G Hz。 2、电压驻波比VSWR 电压驻波比VSWR,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。 由图可以看到在2.45GHz附近时，电压驻波比约为1.1，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，
课程设计 课程名称：微波技术与天线 课设题目：微带天线设计（不同切角） 实验地点：博学馆机房 专业班级：电信1201班 学号：2012001422 学生姓名： 指导教师：李鸿鹰 2015 年7 月 4 日
课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸的顺序进 行装订上交（大张图纸不必装订） 指导教师签名： 日期：2015-6-10 专业班级 电信1201 学生姓名 课程名称 微波技术与天线 课程设计 设计名称 微带天线设计 设计周数 1.5周 指导教师 李鸿鹰 设计 任务 主要 设计 参数 1 熟悉HFSS 仿真平台的使用 2 熟悉微带天线的工作原理与设计方法 3 在HFSS 平台上完成如下微带天线的仿真设计 设计要求如下： 频率：5.6GHz 介质：FR4 4 结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨 5 在1.5周内完成设计任务 设计内容 设计要求 6.11：分组、任务分配、任务理解 6.12：查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案设计。 6.15~6.18：熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。 6.19：同组同学结果汇总及讨论 6. 22：设计说明书的撰写 在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。 主要参考 资 料 刘学观，微波技术与天线，西安电子科技大学电出版社，2012 顾继慧，微波技术，科学出版社，2007 李明洋，HFSS 应用设计详解，人民邮电出版社，2010 学生提交 归档文件 1.设计报告 2.工程文件
《现代电子电路》课程设计题目矩形微带天线的设计与仿真 单位（院、系）：信息工程学院 学科专业: 电子与通信工程 学号：416114410159 姓名：曾永安 时间：2011.4.25
矩形微带天线的设计与仿真 学科专业：电子与通信工程学号：416114410159 姓名：曾永安指导老师：吴毅强 摘要：本文介绍了一种谢振频率为2.45GHz，天线输入阻抗为50Ω的使用同轴线馈电的矩形微带天线。通过HFSS V10软件对该天线进行仿真、优化，最终得到最佳性能。 关键词：HFSS，微带线，天线
Design and Simulation of Rectangular Microstrip Antenna Abstract:This paper introduces a rectangular microstrip antenna which works at resonance frequency of 2.45GHz and antenna input impedance of 50Ω and is fed by coaxial cable. The model of the antenna is set up a nd simulated by ANSOFT HFSS V10 ,and the optimal parameters of the microstrip antenna are obtained as well. Key words:HFSS,Microstrip,Antenna
1.引言 微带天线的概念首先是由Deschamps于1953年提出来的，经过20多年的发展，Munson和Howell于20世纪70年代初期制造了实际的微带天线。微带天线结构简单,体积小,能与载体共形, 能和有源器件、电路等集成为统一的整体,已被大量应用于100MHz～100GHz宽频域上的无线电设备中, 特别是在飞行器和地面便携式设备中得到了广泛应用。微带天线的特征是: 比通常的微波天线有更多的物理参数, 可以有任意的几何形状和尺寸；能够提供50Ω输入阻抗,不需要匹配电路或变换器；比较容易精确制造, 可重复性较好；可通过耦合馈电, 天线和RF电路不需要物理连接；较易将发射和接收信号频段分开；辐射方向图具有各向同性。本文设计的矩形微带天线工作于ISM频段，其中心频率为2.45GHz；无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均可工作在该频段上。选用的介质板材为Rogers R04003，其相对介电常数εr=3.38,厚度h=5mm；天线使用同轴线馈电。 2.微带贴片天线理论分析 图1是一个简单的微带贴片天线的结构，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 r和损耗角正切tanδ、介质层的长度LG和宽度WG。图1所示的微带贴片天线采用微带线馈电，本文将要设计的矩形微带天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内芯线穿过参考点和介质层与辐射元相连接。 图1 微带天线的结构
天线原理与设计华中科技大学 半波偶极子天线的HFSS仿真设计 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。 图1 对称振子对称结构及坐标 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点对称；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 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。
微波技术与天线 课程设计 题目：Novel Modified UWB Planar Monopole Antennab With Variable Frequency Band-Notch Function 专业： 2008级通信二班 作者1： 2班，200840603040，胡丹 作者2： 2班，200840603046，刘瑶瑶 作者3： 2班，200840603051，孙文静 作者4： 2班，200840603053，唐晓丽 指导教师：宗卫华 自动化工程学院 2011年6 月13 日
1、天线结构及性能 图1中显示了被推荐的宽频带的单极天线的构造，它由一个简单的天线矩形贴片、带有两个插槽的有缺口地平面和H-shaped导体面组成。被推荐的天线是建造在厚度为1.0毫米、相对介电常数为4.4的FR4基板上。微带线的宽度馈线是固定的1.86mm以获得50欧的特性阻抗。在基片的正面，印刷着一个大小是10*13.5mm矩形贴片，此矩形贴片到底面6mm长度的有槽基地的距离是2mm。关于地面结构(DGS)，地平面槽的设置提供额外的电流路径。另外这种结构改变了输入阻抗的电感及电容，从而改变带宽。通过改变插槽的形状和尺寸，应用于微带线的DGS引起了谐振频率可控的结构传输的共振特性。因此，通过在地面层插入两个插槽，然后慢慢改变它的参数（WS、LS）,可以获得更高的阻抗带宽。如图一所示，这两个插槽放置在距地面中心线1mm处（大约0.5Wf）. 如图1,H形导体面被放置在辐射补丁的下面，相对于纵向方向也是对称的。The conductor-backed面会扰乱共振响应还可以作为一个寄生的半波共振结构电耦合到矩形单极子。At the notch frequency,电流受寄生元素的支配，在寄生元素和辐射贴片之间他们相反的方向。由此，在the notch frequency附近可以产生理想的高衰变。通过慢慢改变WH、LH、DH参数可以获得可变的band-notch特性。在此设计中WH的宽度是控制过滤带宽的主要参数，也是寄生元素和辐射贴片耦合参数。另一方面，the notched band的中心频率对WH的改变不敏感。the notched band的共振频率取决于LH和DH。在此设计中，L 的最优化长度设定在大约0.5 参考文献中给出的天线结构图如图1，其回波损耗如图2，可见天线的-6dB带宽为3.1-4.8GHz以及6.2-11.4GHz，覆盖UWB的两个频带。天线的方向图如图3，在水平面具有全向性，符合UWB通信终端天线的方向性要求。
… 设计一、微带天线仿真设计 三角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，设计一个三角形贴片天线，其工作频率为，分析其远区辐射场特性以及S曲线。 一．设计目的与要求 1.理解和掌握微带天线的设计原理 2.选定微带天线的参数：工作频率、介质基片厚度、贴片模型及馈电点位置 3.创建工程并根据设计尺寸参数指标绘制微带天线HFSS模型 4.保存工程后设定边界条件、求解扫描频率，生成S参数曲线和方向图 5.观察对比不同尺寸参数的微带天线的仿真结果，并分析它们对性能的影响— 二．实验原理 如下图所示，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。
矩形贴片天线示意图 三．贴片天线仿真步骤 1、建立新的工程 】 运行HFSS，点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Dessign，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中 （a）选择Driven Modal。 （b）点击OK按钮。 3. 设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 《 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。 （2）设置模型单位： （a）在设置单位窗口中选择：mm。 （b）点击OK按钮。 4、创建微带天线模型 （1）创建地板GroundPlane。坐标：X：-45，Y：-45，Z：0按回车键。在坐标输入栏中输入长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0。 （2）为GroundPlane设置理想金属边界。在3D模型窗口中将3D模型以合适的大小显示（可以用Ctrl+D来操作）。
基于 HFSS 的天线设计 一、实验目的 ●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。 ◆微带天线要求：工作频率为 2.5GHz，带宽 ( 回波损耗 S11<-10dB)大于 5%。 ● 在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。 二、实验原理 1、微带天线简介 微带天线的概念首先是由 Deschamps于 1953 年提出来的，经过 20 年左右的 发展， Munson和 Howell 于 20 世纪 70 年代初期制造出了实际的微带天线。微带 天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线 通信中。 图 1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分 组成。与天线性能相关的参数 包括辐射源的长度L、辐射源的 宽度 W、介质层的厚度 h、介质 的相对介电常数r 和损耗正切 tan、介质层的长度 LG和宽度 WG。图 1 所示的微带贴片天线是图1：微带天线的结构 采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈 电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。 对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩 形贴片微带天线的工作主模式是 TM10模，意味着电场在长度 L 方向上有g / 2 的 改变，而在宽度 W方向上保持不变，如图 2（a）所示，在长度 L 方向上可以看做 成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。从图 2（b）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成 垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小 相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分 量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。
太原理工大学现代科技学院微波技术与天线课程设计 设计名称全波振子加引向器 专业班级信息13-1 班 学号2013101269 姓名陈凯 指导教师李鸿鹰
课程设计任务书 注：课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面—任务书—说明书—图纸 指导教师签名：日期：2016-6-10
专业班级 信息13-1 学号 2013101269 姓名 陈 凯 成绩 设计名称：全波振子+引向器 一、设计要求：全波振子+1个引向器完成天线的设计。 二、天线基本理论： 1.天线的功能及应用： a) 天线的功能 b) 天线的应用 天线在无线电系统中的应用 … … …… …… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… ……………………………… …线 …… …… …… …… … …… …… ……
2.天线的分类 按工作频段划分：超长波、长波、中波、短波、超短波和微波天线； 按用途划分：通信、广播、电视、雷达、导航和测向天线等 ； 按辐射方向划分：全向天线、定向天线； 按外形划分：偶极子天线、T 形、菱形、环形、螺旋、喇叭、反射面以及透镜天线等等。 按形状划分：线天线（导线或金属棒构成）、面天线（金属面或介质面构成）。线天线主要用于长波、短波和超短波；面天线主要用于微波波段。 3.电基本振子的辐射 给出在球坐标原点沿z 轴放置的电基本振子在各向同性理想均匀无限大自由空间的表达式： 320232022cos 41sin 41sin 40jkr A r jkr A jkr A r I l j k E e r r I l j k jk E e r r r I l jk H e r r H H E θ?θ?θπωεθπωεθπ---??=-+ ?????=-+- ??? ??=+ ???===注：9022000010362/E 120H k k θ? εεππλωεμηπ-======相移常数；波阻抗（远区场） a) 近区场 当kr<<1时称为近区场，此时230 30sin 42cos 41sin 40 A A r A r I l H r I l E j r I l E j r H H E ?θθ?θπθωεπθωεπ= =-=-=== 不难看出，上述表达式和稳态场的公式完全相符，因此，近区场又称为似稳区。场随距离 的增大而迅速减少。电场滞后于磁场90度，因此复坡印延矢量是虚数(12 S E H =?),每周平均辐射的功率为零。这种没有能量向外辐射的场称之为“感应场”。 b) 远区场 当kr>>1时称为远区场，此时60sin e sin e 200jkr A jkr A r r I l E j r I l H j r E H H E θ?θ?πθλθλ--==≈=== 此时，有电场和磁场两个分量在空间相互垂直且与r 矢径方向垂直，三者构成右手螺旋系
基于H F S S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 0，0，0 28.1，32， -0.79 Box Rogers 5880 （tm） GND 0，0，-0.79 28.1，32， -0.05 Box pec Patch 7.03 , 8 , 0 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine 10.13,0,-0. 79 2.49 , 8 , 0.05 Box pec Port 10.13,0,-0. 79 2.49 ,0, 0.89 Rectangle Air -5,-5,-5.79 38.1 , 42, 10.79 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。 二、建立微带天线模型 (1)点击创建GND,起始点：x:0，y:0，z:-0.79，dx:28.1,dy:32,dz:-0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (2)介质基片：点击，：x:0，y:0，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。 点击OK (3) 建立天线模型patch， 点击，x:7.03,y: 8, z:0 ，dx: 12.45，dy: 16，dz: 0.05 命名为patch，点击OK。 (4) 建立天线模型微带线MSLine 点击，x:10.13,y: 0, ,z: 0 ， dx:2.46，dy: 8，dz: 0.05， 命名为MSLine，材料pec, 透明度0.4 选中Patch和MSLine，点击Modeler>Boolean>Unite （5）、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地。Modeler>Grid Plane>XZ，或者设置 点击，创建Port。命名为port 双击Port下方CreatRectangle 输入：起始点：x: 10.13，y: 0，z:- 0.84，尺寸： dx:2.46，dy: 0，dz: 0.89 （6）、创建Air。 点击，x:-5，y:-5，z:-5.79， dx:38.1, dy:42, dz:10.79
天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education 毕业设计 专业： 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二○一三年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计 半波偶极子天线设计 The Design of the Half Wave Dipole Antenna 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 系别： 2013年6月
摘要 近年来,Radio frequency identification(RFID)技术飞速发展并逐渐成为自动物体 识别应用中的主要技术[1].现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等[2].这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线，即是对称振子天线，最常用的是半波振子，偶极子天线是研究天线的基础，具有很多特性，比如辐射特性阻抗特性，波长缩短效应，谐振特性等，它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源[3-4].所以深入了解半波偶极子天线的设计理论与优化技术是非常重要的.传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵.本设计采用现代计算机为基础，使用High Frequency Structure Simulator（HFSS）三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间和精力，设计出符合要求的天线. 论文从课题研究的背景和目的出发，介绍了半波偶极子天线的基本知识、设计原理.随后从设计和实现角度出发，针对半波偶极子天线提出了优化设计方案，并加以仿真并验证.最后依照仿真数据进行实物设计制作并验证其性能. 关键词：3GHz；天线；HFSS10；偶极子天线