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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。
（a ）俯视图 （b ）侧视图图2 矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为e L ，则有2/g e L λ= 式中，g λ表示波导波长，有 e g ελλ/0= 式中，0λ表示自由空间波长，e ε表示有效介电常数，且21)121(2121-+-++=W h r r e εεε 式中，r ε表示介质的相对介电常数，h 表示介质层厚度，W 表示微带贴片的宽度。
波导缝隙天线hfss课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解波导缝隙天线的基本概念，掌握其工作原理及数学模型。
2. 学生能运用HFSS软件进行波导缝隙天线的仿真设计，并解释仿真结果。
3. 学生能掌握波导缝隙天线的性能参数，如辐射图、驻波比等。
技能目标：1. 学生能操作HFSS软件，完成波导缝隙天线的建模、仿真和结果分析。
2. 学生能运用课堂所学知识解决实际工程中与波导缝隙天线相关的问题。
3. 学生能通过小组合作，进行有效沟通和协作，共同完成课程设计任务。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对天线与电磁场学科的兴趣，增强探索精神和创新意识。
2. 学生在学习过程中，树立正确的工程观念，关注工程实践中的实际问题。
3. 学生通过课程学习，认识到团队协作的重要性，培养团队精神和责任感。
本课程针对高年级学生，结合学科特点，注重理论与实践相结合。
通过课程设计，使学生在掌握波导缝隙天线基本知识的基础上，提高实际操作能力和解决实际问题的能力。
同时，培养学生合作、创新、实践等方面的综合素质，为未来从事相关领域工作打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 波导缝隙天线基本理论：波导缝隙天线原理、数学模型、缝隙激励方式。
2. HFSS软件操作：软件界面及基本操作流程，建模、仿真及结果分析技巧。
3. 波导缝隙天线设计：参数设置、优化方法，辐射图、驻波比等性能参数分析。
4. 实践操作：小组合作完成波导缝隙天线的设计与仿真，分析实验结果。
教学内容与教材关联如下：1. 教材第3章“波导与天线”部分，了解波导缝隙天线的基本原理和数学模型。
2. 教材第6章“电磁场仿真软件及应用”部分，学习HFSS软件的基本操作和应用。
3. 教材第7章“天线设计与应用”部分，学习波导缝隙天线的设计方法及性能分析。
教学进度安排：1. 第1周：波导缝隙天线基本理论，教材第3章内容。
2. 第2周：HFSS软件操作，教材第6章内容。
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款广泛应用于天线设计领域的电磁仿真软件。
本文将基于HFSS进行双频微带天线的仿真和设计，包括仿真模型构建、参数设置、频率扫描、天线设计优化等内容。
以下是对于每个步骤的详细介绍。
首先，在HFSS软件中创建一个新的项目，然后选择"Design Type"为"Antenna"。
接下来，根据双频微带天线的特点，构建天线的几何结构。
双频微带天线通常由一个辐射贴片和一个馈电贴片组成。
辐射贴片的几何结构决定了辐射频率，馈电贴片的几何结构决定了馈电频率。
根据具体的设计要求，可以选择矩形、圆形或其他形状的贴片。
在构建天线的几何结构后，需要设置天线的材料属性。
可以选择常见的介质材料，如FR-4、Rogers等，然后设置其相对介电常数和损耗因子。
这些参数对天线的性能有重要影响，需要根据具体的设计需求进行调整。
完成材料属性设置后，需要定义辐射贴片和馈电贴片的端口。
通常，辐射贴片和馈电贴片的接地为共地，但其余部分分开。
可以通过选择适当的面来定义每个端口。
然后，设置端口的激励类型和激励参数。
常见的激励类型有电流激励和电压激励，而激励参数包括频率、幅度和相位等。
在设置好端口后，可以进行频率扫描，以获取天线的频率响应。
可以选择在一定范围内进行频率扫描，也可以单独指定感兴趣的频率点。
通过分析结果可以得到辐射和馈电贴片的共振频率，以及频率响应的带宽等信息。
如果设计的频率不满足要求，可以对几何结构和材料参数进行调整，然后重新进行频率扫描。
当天线的频率响应满足要求后，可以进行天线设计的优化。
优化的目标通常包括增加天线的增益、改善天线的辐射效率、扩展天线的带宽等。
可以通过对辐射贴片的长度、宽度、形状等进行调整，或者对馈电贴片的长度和宽度进行调整。
优化过程中，可以通过设置参数范围和优化目标，使用HFSS内置的优化算法进行自动优化。
本科生科研训练结题报告——基于HFSS的圆锥喇叭天线设计学院（系）：电子工程与光电技术学院姓名、学号：郝晓辉1104330111席家祯1104330126白剑斌1104330105指导老师：钱嵩松摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。
天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。
圆锥喇叭天线属于面天线。
本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络S参数及软件HFSS。
在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。
本文对圆锥喇叭天线的设计提供了一定的参考作用。
关键词：圆锥喇叭天线；仿真AbstractAntenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip Antenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and soon.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna.In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presentedfirstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. In the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS.This paper provides the reference to cone horn antenna.Keywords：conic horn antenna;simulation目录第1章概述 (5)1.1 天线的应用背景 (5)1.1.1天线的发展与应用 (5)1.1.2喇叭天线的发展和应用 (6)1.2天线的基础知识 (6)1.2.1天线的原理 (6)1.2.2天线的辐射 (7)1.2.3方向系数 (8)1.2.4天线效率 (9)1.2.5增益系数 (10)1.2.6输入阻抗 (10)1.2.7微波网络S参数 (11)1.3喇叭天线基础知识 (13)1.3.1喇叭天线参数 (14)1.3.2给定增益设计喇叭 (15)1.3.3根据参数要求计算尺寸参数 (17)第二章 HFSS仿真喇叭天线 (18)2.1 HFSS简介 (18)2.2 圆锥喇叭天线的仿真 (18)2.2.1仿真步骤 (18)2.2.2仿真结果分析 (24)第三章结论与展望 (25)引言天线是一种换能器，它将传输线上传播的导行波，变换为在无界媒质（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种常用于高频电磁场仿真的软件，可用于设计和优化天线等高频器件。
本文将对矩形微带贴片天线的仿真设计进行详细分析和报告。
1.研究目的本次仿真设计旨在设计一种结构简单、性能优越的矩形微带贴片天线。
希望通过HFSS软件的仿真分析，优化天线的频率特性、增益和辐射方向性。
2.设计细节首先，选择一种合适的基底材料和贴片形状。
常用的基底材料有FR-4、Rogers等，贴片形状一般选择矩形。
基于实际需求和设备限制，确定天线的工作频率范围和增益要求。
其次，根据工作频率计算出天线的尺寸。
根据微带天线的原理，通过公式计算出贴片的长度、宽度和介电常数。
可以利用尺寸调整和电气长度来调整频率响应和阻抗匹配。
然后，进行天线的仿真设计。
在HFSS软件中，建立仿真模型并进行电磁场分析。
可以通过调整尺寸、形状和介电常数等参数，优化天线的性能指标。
可以通过频率扫描和图形分析等方法，获得天线的频率响应、辐射特性、增益和辐射方向性等。
最后，评估和优化设计结果。
根据仿真结果对天线的性能进行评估，并进行合理的优化调整。
可以根据需求对天线的尺寸、形状和工艺参数进行调整，以达到最佳的性能指标。
3.仿真结果与分析通过分析仿真结果，可以总结出矩形微带贴片天线的设计优缺点：优点：1)结构简单，制造工艺成熟，易于实现和集成；2)在工作频率范围内具有较高的增益和辐射方向性；3)相对比较小的尺寸，适合应用于小型设备和多天线系统中。
缺点：1)工作频率受贴片尺寸和介电常数的影响较大，需要精确的尺寸控制和阻抗匹配设计。
4.结论与展望本文基于HFSS软件进行了矩形微带贴片天线的仿真设计和分析。
通过优化调整尺寸、形状和介电常数等参数，设计出了一种具有较高增益和辐射方向性的天线结构。
仿真结果表明，该设计满足了实际需求和性能指标。
然而，本文的仿真设计还存在一些改进空间。
1、启动HFSS13.0软件2、创建工程“Project”->“Insert HFSS Design”3、设定单位“Modeler”->“Units…”将单位设为mm4、添加变量“HFSS”->“Design Properties…”点击“Add…”添加变量a=2mm5、方程法绘制天线“Draw”->“Equation Based Curve”输入天线的直角坐标系参数方程和参数取值范围曲线1：a*exp(0.221*_t)*cos(_t)a*exp(0.221*_t)*sin(_t)0~3*pi曲线2：(a*exp(0.663*pi)+1.65*0.001*(_t-pi))*cos(_t)(a*exp(0.663*pi)+1.65*0.001*(_t-pi))*sin(_t)pi~2*pi曲线3：(a*exp(0.663*pi)+1.65*0.001*pi+1.43*0.001*_t)*cos(_t)(a*exp(0.663*pi)+1.65*0.001*pi+1.43*0.001*_t)*sin(_t)0~pi6、三条曲线合体按住Ctrl鼠标左键选定“part1”、“part1_1”、“part1_2”，点击上方“Unite”完成合体7、曲线旋转形成天线面选中曲线->右键->“Edit”->“Sweep”->“Around Axis…”将旋转角度设为以Z轴为中心扫过90度8、旋转180度形成天线的第二个臂选定平面->右键->“Edit”->“Duplicate”->“Around Axis…”设置为以Z轴为中心旋转180度9、Ctrl+D将图像全屏显示。
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。
（ a ）俯视图（b ）侧视图图 2 矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为L e ，则有L eg / 2（1-1 ）式中，g 表示波导波长，有g0 /e（1-2 ）式中， 0 表示自由空间波长，e 表示有效介电常数，且11 h1rr（1-3 ）e2(112 )22W式中， r 表示介质的相对介电常数， h 表示介质层厚度， W 表示微带贴片的宽度。
由此，可计算出矩形贴片的实际长度L ，有L L e 2 L2 Lc 2 L （1-4 ）2 f 0 e2e式中， c 表示真空中的光速，f 0 表示天线的工作频率， L 表示图 2（ a ）中所示的等效辐射缝隙的长度，且有( L 0.412h(ee0.3)(W / h 0.264) （1-5 ）0.258)(W / h 0.8)矩形贴片的宽度 W 可以由下式计算：c11r2 W2（1-6 ）2 f0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，在微波应用中通常是使用50的标准阻抗，因此炫耀确定馈点的位置是天线的输入阻抗等于50。
对于图 3 所示的同轴线馈电的微带贴片天线，坐标原点位于贴片的中心，以（ x f , y f）表示馈点的位置坐标。
图 3 同轴线馈电的微带天线对于TM10模式，在W方向上电场强度不变，因此理论上W方向上的任一点都可以作为馈点，为了避免激发 TM1n模式，在 W方向上馈点的位置一般取在中心点，即y f 0（1-7 ）在 L 方向上电场有g / 2 的改变，因此在长度L 方向上，从中心到两侧，阻抗逐渐变大，输入阻抗等于50的馈点位置可由下式计算：x f L（1-8 ）2re ( L)式中，re (L)r1r1h22(1 12 )L12（1-9 ）上述分析都是基于参考地平面是无限大的基础上的，然而实际设计中，参考地都是有限面积的，理论分析证明了当参考地平面比微带贴片大出6h 的距离时。
计算结果就可以达到足够的准确，因此设计中参考地的长度L GND和宽度 W GND 只需满足以下两式即可，即LGND L6h（1-10 ）W GND W6h（1-11 ）三、实验步骤1、设计指标和天线几何结构参数计算本实验的矩形微带天线的中心频率为，选用的介质板材为Rogers RO4003，其相对介电常数r 3.55 ，厚度h =5mm，天线使用同轴线馈电。
根据上面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 和宽度 W、同轴线馈点的位置坐标（ x f , y f），以及参考地的长度L GND和宽度W GND。
(1)、矩形贴片的宽度 W把c 3.0 108/ , 2.5,r3.55代入式（1-6），可以计算出微带天m s f 0GHz线矩形贴片的宽度，即W 0.03978m39.78mm(2)、有效介电常数e把 h 5mm,W 39.78mm, r 3.55 代入式（1-3），可以计算出有效介电常数，即e 3.08(3) 、辐射缝隙的长度L把h 5mm,W 39.78mm, e 3.08 代入式（1-5），可以计算出微带天线辐射缝隙的长度，即L 2.32mm(4)、矩形贴片的长度 L把 c3.08 m s fGHz3.08,L2.32mm代入式（1-4），可以10 / , 2.5, e计算出微带天线矩形贴片的长度，即L29.55mm(5)、参考地的长度 L GND和宽度 W GND把 h 5mm,W 39.78mm, L29.55mm 分别代入式（1-10）和（1-11），可以计算出微带天线参考地的长度和宽度，即L GND59.55mm W GND69.78mm (6)、同轴线馈点的位置坐标（ x f , y f）把r 3.55, h 5mm,W39.78mm, L 29.55mm分别代入式（1-7）、式（1-8）和式（ 1-9 ），可以计算出微带天线同轴线馈点的位置坐标（x f , y f），即x f8.52mm y f 0mm2、HFSS设计和建模概述(1) 、建模概述本设计天线是使用同轴线馈电的微带结构，HFSS工程可以选择模式驱动求解类型。
在 HFSS中如果需要计算远区辐射场，必须设置辐射边界表面或者PML边界表面，这里使用辐射边界条件，为了保证计算得准确性，辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4 个波长。
因为使用了辐射边界表面，所以同轴线馈线的信号输入 / 输出端口位于模型内部，因此端口激励方式需要定义集总端口激励。
参考地和微带贴片使用理想导体来代替，在HFSS中可以通过给一个二维平面模型分配理想导体边界条件的方式模拟理想薄导体。
参考地放置于坐标系中z 0 的xOy平面上，由之前计算出的参考地长度L GND59.55mm，宽度W GND 69.78mm ，这里参考地长度和宽度都取90mm。
介质层位于参考地的正上方，其高度为 5mm，长度和宽度都取80mm。
微带贴片放置于 z 5 的xOy平面上，根据之前计算出的其长度和宽度的初始值分别为长度L29.55mm ，宽度W39.78mm ，设置其长度沿着x轴方向，宽度沿着y轴方向.使用半径为0.5mm的圆柱体模拟同轴线的内芯，圆柱体与 z 轴平行放置，圆柱体的底面圆心坐标为（ 8.52mm,0,0 ）。
设置圆柱体材质为理想导体（pec），圆柱体顶部与微带贴片相接，底部与参考地相接，在与圆柱体相接的参考地面上需要挖出一个半径 1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，使用HFSS分析设计天线一类的辐射问题，在模型建好之后，用户还必须设置辐射边界条件。
辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4 个波长，时自由空间中1/4个波长约为 30mm, 所以在这里设置辐射边界表面距离微带天线30mm ，整个微带天线模型（包括参考地、介质层和微带贴片）的长宽高为90mm 90mm 5mm，所以辐射边界表面的长宽高可以设置为160mm 160mm 60mm。
为了方便后续参数扫描分析和优化设计，在建模时分别定义设计变量Length 、Width 和 Xf 来表示微带贴片的长度、宽度和同轴线的馈点位置。
(2)、 HFSS设计环境概述● 求解类型：模式驱动求解● 建模操作：◆ 模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面◆ 模型操作：相减操作● 边界条件和激励◆ 边界条件：理想导体边界、辐射边界◆ 端口激励：集总端口激励● 求解设置◆ 求解频率：◆ 扫频设置：快速扫描，扫频范围为～●Optimetric s◆参数扫面分析◆优化设计●数据后处理： S 参数扫频曲线，天线方向图， Smith 圆图等。
3、创建微带天线模型(1)、设置求解类型为 Driven Model 和默认的长度单位为 mm。
(2)、创建参考地在z 0 的 xOy 平面上创建一个顶点位于 ( 45mm, 45mm) ，大小为90mm 90mm 的矩形面作为参考地，命名为 GND，并为其分配理想导体边界条件。
(3)、创建介质板层创建一个长宽高为80mm 80mm 5mm的长方体作为介质板层，介质板层的底部位于参考地上（即 z 0 的 xOy 平面上），其顶点坐标为( 40mm, 40mm,0)，介质板的材料为 Rogers RO4003，介质板层命名为 Substrate 。
(4)、创建微带贴片在 z 5 的 xOy 平面上创建一个顶点坐标为( 14.775mm, 19.890mm,0) ，大小为 29.55mm 39.78mm 的矩形图作为微带贴片，命名为 Patch ，并为其分配理想导体边界条件。
(5)、创建同轴馈线的内芯创建一个圆柱体作为同轴馈线的内芯，圆柱体的半径为0.5mm，长度为 5mm ，圆柱体底部圆心坐标为，材料为理想导体，同轴馈线命名为Feedline 。
(6)、创建信号传输端口面同轴馈线需要穿过参考地面，传输信号能量。
因此，需要在参考地面GND 上开一个圆孔允许传输能量。
圆孔的半径为 1.5mm ，圆心坐标为(8.52mm,0,0) ，并将其命名为Port。
在执行Modeler → Boolean → Substrate命令时，打开如下图所示的Subtract对话框，确认对话框的Blank Parts栏显示的是 GND，Tools Parts栏显示的是 Port ，表明使用参考地模型GND减去圆面 Port ，并且为了保留圆面Port 本身，需要选中对话框的Clone tool objects before subtracting复选框。
(7)、创建辐射边界条件创建一个长方体，其顶点坐标为( 80mm, 80mm, 30 mm) ，长方体的长宽高为160mm 160mm 60mm。
长方体模拟自由空间，因此材质是真空，长方体命名为Air 。
创建好这样的一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。
