HFSS 缝隙天线设计

应用HFSS9.0设计波导裂缝驻波阵天线范景云微波成像技术国家重点实验室 中国科学院电子学研究所 北京 100080摘要 传统的波导裂缝天线设计方法非常复杂，且天线研制周期长，本文借助高频结构分析软件HFSS9.0的优化功能给出了一种简便的矩形波导宽边纵向裂缝驻波阵的设计流程，并进行了仿真。

仿真结果与理论计算结果基本符合，利用HFSS9.0进行辅助设计的方法可以大大缩短天线研制周期。

关键词 波导裂缝，驻波阵天线，HFSS，优化 一、 引 言在机载雷达天线中，波导裂缝天线阵是应用最广泛的形式之一。

波导裂缝天线容易实现口径面的幅度分布和相位分布，口径面的利用系数高，而且它可满足雷达系统对天线增益高、副瓣低、体积小、重量轻的要求，所以在机载雷达中获得了广泛应用。

在阵列天线的条件下，必须考虑裂缝间的互耦影响。

一般来说，在实际天线应用中，通过实验测量阵列之间的互耦误差较大，且实验工作量很大。

所以，非常有必要利用计算机仿真来部分代替常规的实验工作。

Ansoft-HFSS 软件采用有限元法（FEM ）解决三维电磁场问题，求出S 、Y 、Z 参数，还可以得到场的方向图。

矩形波导宽边纵向裂缝驻波阵列的应用比较广泛，但对于谐振长度的求解，一直没有给出明确的理论推导和计算公式。

本文给出分析设计流程，讨论了HFSS 在设计中的应用，尤其在求解谐振长度时的快速简便的方法，通过设计实例可以看出仿真结果与理论计算结果十分接近，验证了此方法的正确性。

二、 波导纵向裂缝驻波阵的设计右图为矩形波导宽边纵向裂缝阵天线的结构示意图。

图1 波导纵向裂缝阵天线结构示意图图中，a 为波导宽度，b 为波导高度，t 为波导壁厚，w 为裂缝宽度，d 为相邻裂缝间距，l 为裂缝长度，x 为裂缝相对波导宽边中心线的偏移量。

根据Elliott 设计裂缝天线阵的基本理论，波导纵向裂缝驻波阵天线可以等效为图2的传输线模型[1]：图2 波导纵向裂缝阵天线的传输线模型为了获得驻波阵列，将辐射波导的一端短路，相邻裂缝与短路板的距离为4/g λ[2]。

实验报告（2012 / 2013 学年第一学期）课程名称课程设计实验名称平面缝隙天线实验时间2012/2013学年第一学期指导单位电子科学与工程指导教师黄晓东学生姓名季明新班级学号B09020423学院(系) 电子科学与工程学院专业电磁场与无线技术一、实验时间：10月15日- 10月19日 8:30-11:3010月22日- 10月26日 13:30-17:30二、实验设备与仪器1,硬件：PC机一台2,软件： HFSS 软件三、实验过程及成果验证3.1 设计要求实验HFSS软件设计中心频率为3GHz的矩形微带天线，并给出其天线参数。

介质基片采用厚度为1mm的聚四氟乙烯(Er=2.2)板，天线馈电方式为微带线馈电，采用集总端口馈电。

3.1.1 设计指标S11≤-10dB，并考虑天线的输入阻抗与辐射臂物理尺寸的关系。

3.2 设计步骤3.2.1 天线结构3.2.1.1 在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。

图3.2.1.1表示出了微带缝隙天线的结构。

图3.2.1 微带缝隙天线3.2.1.2 微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形，圆形，或者环形,其缝隙形状如下图3.2.1.2窄缝圆环宽缝圆图3.2.1.2 各种缝隙3.2.2 计算天线尺寸由于缝隙形状为窄缝的微带缝隙天线与对称阵子相对偶，且较常见，因此先采用窄缝，缝宽暂定为2mm。

根据对偶关系，可以知道缝隙的长度与偶极子对称阵子天线的长度相近，约为1/2 λ,用公式λ=V/f可以算出中心点的波长，1/2λ≈36mm ,介质板的宽度一定要大于缝的长度，为了有富余量，设为50mm,介质板的长度暂定为80mm。

馈线的宽度用IE3d进行估计，算得3.07473mm,如下图3.2.2。

取3mm,馈线的长度应大于介质板的一半即40mm,暂定50mm.对于辐射边界的设定，由于使用HFSS分析天线时，辐射边界表面和辐射体的距离通常需要大于1/4λ,3GHz的由空间中的1/4λ个波长为25mm,这里创建一个长方体的模型作为辐射表面，天线在长方体中间，辐射表面长宽高至少为130mm,100mm,50mm，辐射表面就取以上各值。

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。

波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程1. 引言波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。

高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。

使用HFSS 的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。

利用HFSS 提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。

本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。

并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。

2.基本理论波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。

通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。

根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。

行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于g /2 ，驻波阵在距离终端g /4 处接短路滑块，单元间距均为g /2 ，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。

2.1 波导缝隙天线理论分析波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。

Stevenson 等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。

图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。

归一化等效谐振电导为：。

基于HFSS的天线设计流程HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种用于高频电磁场仿真的软件工具，常用于天线设计领域。

以下是基于HFSS的天线设计流程，详述了设计前的准备、模型建立、仿真和优化等关键步骤。

一、设计准备1.需求分析：明确天线设计的要求，如频率范围、增益、方向性等。

2.材料选择：根据设计要求选择合适的材料，如介电常数、磁导率等。

二、模型建立1.创建天线几何体：使用HFSS的建模工具，绘制天线的几何形状，如导线、片状、贴片等。

2.导入材料参数：为天线几何体设置材料参数，指定介电常数和磁导率等参数。

3.锁定边界条件：确定边界条件，如天线周围是否存在接地平面或闭合结构等。

三、仿真设置1.电磁辐射频率范围：设定天线的工作频率范围。

2.网格划分：对天线模型进行网格划分，使得模型细节得到准确表达。

3.求解器设置：选择合适的求解器类型和参数，如自适应网格细化程度、计算精度等。

4.激励方式：选择天线的激励方式，如电流激励、电压激励等，设定激励位置和幅度。

四、仿真分析1.获取S参数：运行仿真分析，获得天线的S参数，即反射系数和传输系数。

2.方向图：计算天线的方向图，分析天线的辐射花样和辐射功率密度。

3.阻抗匹配：根据S参数结果，优化天线的匹配网络，以提高天线的输入阻抗匹配度。

五、优化设计1.参数化：对天线的关键参数进行参数化设置，方便后续的优化建模。

2.参数扫描分析：对参数进行范围扫描分析，观察参数变化对天线性能的影响。

3.优化算法：根据优化目标，选择合适的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等。

4.优化迭代：根据优化算法计算出新的参数组合，重新运行仿真，比较新的性能结果。

5.反馈分析：根据优化结果进行反馈分析，调整参数范围，直至达到设计要求。

六、仿真验证1.原型制作：根据优化结果，制作实际天线样机。

2.测量验证：通过测试设备对样机进行测量，比较测量结果与仿真结果的一致性。

实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真一、实验目的1.设计一个波导缝隙阵天线 2。

查看并分析波导缝隙阵天线的二、实验设备装有HFSS 13。

0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。

这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0。

5λg ，距离波导宽边中心有一定偏移。

Stevenson 给出宽边上纵向并联缝隙的电导为()a x g g π21sin =()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221=其中，x 为待求的偏移，a 为波导内壁宽边长度，λg 为波导波长.在具体的设计中，可以利用HFSS 的优化功能来确定缝隙的谐振长度。

首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量，主要有缝隙偏移波导中心线的距离Offset ，缝隙的长度L ，缝隙的宽度W 等。

一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W ，应用HFSS 的优化功能得出缝隙的偏移量Offset 和缝隙长度Length 。

如图1所示，在波端口的Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2个波导波长的缝隙中心的Y 矩阵参数，根据波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。

因此，当缝隙谐振时有Im （Y ）=0。

单缝谐振长度优化示意图如下:短路波端口设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev 电流分布,前10个缝的电平分布如下:n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n0.33 0.29 0.39 0.50.62 0.73 0.83 0.91 0.971.0根据电平分布进行归一化：∑==101212n naK可以得到K=0。

100598.由下式可以得到各个缝隙的导纳值：gn=Ka2n 各个缝隙的导纳如下:g_1=0。

010955,g_2=0。

00846 g_3=0.0153,g_4=0。

0265 g_5=0。

03867，g_6=0.0536 g_7=0.0693，g_8=0。

基于HFSS缝隙耦合贴片天线的仿真设计报告HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种电磁仿真软件，广泛应用于无线通信、微波电路、天线设计等领域。

其中，扇形缝隙耦合贴片天线是一种常见的天线结构，具有较好的性能和应用潜力。

本报告将基于HFSS对缝隙耦合贴片天线进行仿真设计。

在设计前，我们首先要设置仿真的参数。

通过选择“Analysis”菜单下的“Design Settings”打开仿真参数设置对话框。

在对话框中，我们可以设置模型的频率范围、单位、边界条件等。

根据实际需求，选择合适的参数设置后，可以开始进行仿真设计。

在HFSS软件中，我们可以进行多种类型的仿真分析，如S参数、辐射模式、电场分布等。

在缝隙耦合贴片天线的仿真设计中，我们可以使用S参数分析来研究天线的频率响应。

通过选择“Analysis”菜单下的“S-parameters”选项，进行设置并运行仿真。

仿真完成后，可以得到天线的S参数结果，包括频率响应和射频性能指标。

除了S参数仿真，我们还可以进行辐射模式仿真。

通过选择“Analysis”菜单下的“Radiation”选项，进行设置并运行仿真。

仿真完成后，可以得到天线的辐射模式图，可以直观地观察到天线的辐射特性。

此外，HFSS还提供了电场分布仿真功能，可以用于研究天线的电场分布状况。

通过选择“Analysis”菜单下的“Fields”选项，进行设置并运行仿真。

仿真完成后，可以得到天线的电场分布图，可以观察到天线不同部分的电场强度和分布情况。

通过上述的仿真设计，我们可以对缝隙耦合贴片天线的性能进行评估和优化。

根据仿真结果，可以对天线的尺寸、结构或材料进行调整和优化，以达到更好的性能指标。

综上所述，基于HFSS的缝隙耦合贴片天线仿真设计可以为天线工程师提供一种快速、准确的设计手段。

通过HFSS软件的功能和仿真工具，可以对天线的性能进行全面分析和评估，为天线设计和优化提供有力的支持。

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。