Ansoft HFSS在设计对数周期天线时的仿真方法

基于HFSS的超宽带天线的仿真设计超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术在通信、雷达、生命科学以及计算机网络等领域都有着重要的应用。

为了实现超宽带通信，需要设计优化的超宽带天线。

本文介绍了基于HFSS软件的超宽带天线的仿真设计。

首先，超宽带天线的设计需要考虑其频率范围和辐射特性。

超宽带天线能够在多个频段内工作，其辐射波形应该符合超宽带信号的要求。

因此，我们需要设计一种在整个频率范围内都能够辐射信号的天线。

在超宽带天线设计中，一种常见的方法是采用螺旋天线。

螺旋天线是一种能够产生圆极化辐射的天线，其具有较宽的频带。

通过调整螺旋天线的尺寸和参数，可以实现在超宽带频率范围内的工作。

使用HFSS软件进行超宽带天线的设计和仿真。

HFSS是一种电磁场仿真软件，能够帮助工程师分析和解决各种无线电频率设备的问题。

使用HFSS软件，可以对超宽带天线进行三维电磁场模拟，并获得其频率响应、辐射图案等参数。

在使用HFSS软件进行仿真设计时，首先需要生成天线的三维模型。

可以通过绘制天线的结构和几何形状，或通过导入CAD文件生成。

在建模过程中，需要注意准确的尺寸和几何参数。

接下来，需要通过设置边界条件和材料参数来定义仿真模型。

在超宽带天线的仿真中，可以采用均匀网格和适当的边界条件来提高计算效率和准确度。

完成模型设置后，可以进行频率扫描仿真来获得天线的频率响应。

通过设置所需的频率范围和步进值，可以获取超宽带天线在整个频率范围内的响应特性。

然后，进行辐射特性的仿真。

通过设置天线的激励条件，可以得到天线的辐射图案和增益等参数。

辐射图案是描述天线辐射能力的重要指标，可以通过HFSS软件进行仿真和分析。

在得到仿真结果后，可以对超宽带天线的性能进行评估和优化。

可以根据仿真结果对天线的尺寸、结构和材料进行调整，以达到设计要求。

总之，基于HFSS的超宽带天线的仿真设计可以帮助工程师实现高效、准确的天线设计。

通过HFSS软件的仿真分析，可以获得超宽带天线的频率响应、辐射图案等各种性能指标，为超宽带通信和其他应用领域提供支持。

【案例分析】经典HFSS仿真实例详解新朋友请点击上⽅RFsister关注我们关于仿真软件HFSS相信⼤家多少都有听过，这是⼀款⾮常强⼤好⽤的仿真软件，已经被应⽤于多个领域，当然，天线设计也离不开仿真软件。

本期⼩编为⼤家带来的是经典天线——对称振⼦天线仿真。

下⾯我们先来看看软件的简介。

HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，⽬前已被ANSYS公司收购；是世界上第⼀个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的⼯业标准。

HFSS提供了⼀简洁直观的⽤户设计界⾯、精确⾃适应的场解器、拥有空前电性能分析能⼒的功能强⼤后处理器，能计算任意形状三维⽆源结构的S参数和全波电磁场。

HFSS软件拥有强⼤的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、⽅向性、远场⽅向图剖⾯、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴⽐。

使⽤HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端⼝特征阻抗和传输常数；③ S参数和相应端⼝阻抗的归⼀化S参数；④结构的本征模或谐振解。

⽽且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft⾼频解决⽅案，是⽬前唯⼀以物理原型为基础的⾼频设计解决⽅案，提供了从系统到电路直⾄部件级的快速⽽精确的设计⼿段，覆盖了⾼频设计的所有环节。

下⾯我们先来看看建⽴HFSS⼯程的⼀般过程。

（1）⾸先第⼀步是运⾏Ansoft HFSS：（2）然后单击下图红框处图标，在当前⼯程中插⼊⼀个设计：（3）选择求解类型，如下图：（4）为建⽴模型设置合适的单位，如下图：（5）在3D窗⼝中建⽴模型。

（6）设置需要的辐射边界。

（7）如果选择激励求解或激励终端求解，则需要为模型设置激励。

（8）设置求解频率及扫频操作等。

（9）点击下图按钮，检查当前⼯程的有效性。

HFSS-V13天线仿真基本操作指南什么是HFSS？HFSS（High-Frequency Structure Simulator，高频结构模拟器）是一款用于电磁场仿真的软件工具。

它由美国安捷伦（ANSYS）公司开发，主要应用于微波、天线和信号传输系统的设计和分析。

HFSS通过数值计算求解电磁波方程，对电磁场的传播、辐射与散射进行仿真计算。

HFSS-V13天线仿真步骤1. 新建工程打开HFSS软件，进入主界面，选择File -> New -> Project新建一个工程。

2. 定义工作空间在工程管理器窗口中，右键点击Models，选择Add -> Model添加一个新的模型。

在弹出的对话框中，定义工作空间的名称、单位和坐标系，并设置模型类型为Electromagnetic。

3. 新建天线模型在上一步中新创建的模型下，右键点击Boundaries，选择Add -> WavePort Excitation添加一个新的波口激励。

设置波口参数，包括频率、极化、波型等。

同时设置好波口与模型的接口和计算网格。

4. 设计天线结构在模型下，右键点击Design，选择Draw -> Polyline绘制天线结构轮廓。

根据具体情况，可以绘制出天线的天线半径、天线长度等参数。

5. 定义材料参数在模型下，右键点击Materials，选择Add -> Custom Material添加一个新的材料。

设置材料参数，包括介电常数、导电率和磁导率等。

6. 定义仿真设置在模型下，右键点击Analysis Setup，选择Add -> HFSS3D Layout添加一个新的仿真设置。

在仿真设置对话框中，设置仿真器类型、求解器选项、频率范围和收敛条件等。

7. 启动仿真计算在模型下，右键点击Analysis Setup，选择Analyze启动仿真计算。

在计算完成后，可以查看仿真结果分析电磁场传播、辐射和散射等情况。

HFSS天线仿真操作步骤画激励面点选矩形框1 设置边界条件1 选择某个需要设成地的面，然后2 设为地平面（打钩）注：辐射单元也需要设置，但不需要在无线地的选项中打钩。

2 设介质选择好某个体，Box1.在下面的菜单中有“Material”项目。

点““Material”，弹出一个菜单。

选“Add Material”，又弹出一个菜单将原介电常数数值1修改为4.5后点“OK”则该处改为2.65点“确定”3 设置金属化孔重新选择某个面：“Edit”“Select”“By Nane”弹出菜单选择金属化通孔，点“OK”点框图中的“vacuum”（真空）弹出一个菜单移动滑动条到出现“copper”双击，确定。

4设置激励端口选“Wave Port”，弹出一个菜单。

选“下一步”点“None”，弹出下拉菜单，选“New Line”出现下面菜单设电场方向从下底板拉到上底板，但方向必须是垂直的为保证是垂直的，dx必须为0. 回车后弹出菜单点“下一步”出现下面菜单选择选完成。

5 创建辐射边界1 选2 输入合适数值3 输入合适数值4 回车确定5 辐射边界的一个面必须和激励面是一个面。

选“HFSS”“Boundaries(边界)”“Assign（分配）”“Radiation（辐射）”弹出一个菜单点“OK”。

让辐射边界不显示出来。

点右键，选“View”“Hide Selection”6 选择步进值点“放大镜”符号弹出一个菜单设置步进值点，弹出下面菜单：点“确定”，弹出下面菜单：修改几个数值：8 运行中心频率选“4G”打开“Setup1”下面的“Sweep1”修改步进值为“0.01”10输出曲线1 用左键点击“Results”弹出下拉菜单：选第一个“Create Report”(创建报告)弹出一个菜单点“OK”,弹出一个菜单：选“Done”即可输出曲线12 表面电流分布的输出1 选择要分析电流的那个面点右键，选“Fields”，“E”“Mag_E”,弹出一个菜单选“Done”，即可显示结果。

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。

第四章应用ANSOFT HFSS对曲面结构贴片天线的模拟4.1应用HFSS对锥形衬底圆贴片天线的模拟所求解的结构体图型如4.1.1图所示。

图4.1.1结构体模型结构体的具体尺寸如下所示：a=1.2λ0h=0.6λ0其中介质锥的介电常数εr =2.0。

选定工作频率为f=15GHz,相对应的真空中的波长为λ0=20 mm，这样结构体的几何尺寸已经完全确定，下面介绍求解的全过程。

选定求解方式为(Solution Type)Driven modal。

1.建立所求结构体的几何模型(单位：mm)。

由于此结构体的几何形状较简单，使用工具栏中的Draw命令可直接画出，这里不再赘述述。

画出的结构体如图4.1.2所示。

2.充结构体的材料选定结构体中的锥体部分,添加其介电常数εr =2.0的介质材料。

图4.1.2 结构体的几何模型注：如果HFSS中没有提供与所需参数完全相同的材料，用户可以通过新建材料或修改已有材料，使其参数满足用户需求。

3. 设定结构体的边界条件及其激励源。

a.选定结构体的贴片部分，设定其为理想导体(PerfE)。

b.画出尺寸为X×Y×Z=70mm×70mm×40mm的长方体作为辐射边界,并设定其边界条件为辐射边界条件(Radiation Boundary)。

c.由于要求出结构体的RCS，因此设定激励源为平面入射波(Incident Wave Source)。

如图4.1.3所示。

图4.1.3 设置激励源为平面入射波图4.1.4 求解过程的设定细节4. 设定求解细节，检验并求解a.设定求解过程的工作频率为f=15GHz.其余细节设定如图4.1.4所示。

b. 设定远区辐射场的求解(Far Field Radiation Sphere 栏的设定)。

c. 使用V alidation check命令进行检验，无错误发生，下一步运行命令Analyze，对柱锥结构体进行求解。

目录引言 (I)1 绪论 (3)1.1 HFSS简介 (3)1.1.1 HFSS发展历程 (3)1.1.2HFSS仿真原理 (3)1.1.3HFSS的仿真过程 (4)1.1.4HFSS的功能 (5)1.2应用领域 (5)1.3HFSS的基本操作 (5)1.3.1HFSS的一般仿真操作 (5)1.3.2HFSS的一般操作界面 (6)2 微带天线理论 (8)2.1微带天线 (8)2.1.1传输线即微带天线 (8)2.1.2微带贴片天线 (9)2.2圆形微带贴片天线理论 (10)2.3极化理论 (12)2.3.1圆极化理论简述 (12)2.3.2左旋圆极化与右旋圆极化 (13)3 贴片天线的仿真过程 (14)3.1实验内容 (14)3.2HFSS贴片天线仿真 (14)3.2.1创建工程 (14)3.2.2创建模型 (15)3.3设置参量 (22)3.3.1设置变量 (22)3.3.2设置模型材料参数 (23)3.3.3设置边界条件和激励源 (24)3.3.4设置求解条件 (25)3.4创建参数分析并求解 (26)3.4.1添加参数设置 (26)3.4.2定义输出变量 (28)3.4.3求解 (28)3.5优化求解 (29)3.5.1选择优化变量 (29)3.5.2设置远区辐射场 (29)3.5.3添加优化设置 (29)3.5.4求解优化分析 (30)4 结果演示与分析 (30)4.1贴片天线的仿真结果 (30)4.1.1贴片天线的仿真结果 (30)4.1.2贴片天线的仿真结果分析 (30)引言发生多撒飞洒发多少我都发范德萨范德萨分到达发到付啊放大但是的但是上的放大放大飞机返回来烦你的经费户附近的看是否就安分点积分激发你觉得离开谁惹你北京网络法律能发奶粉就发觉你废物了南方vfjdklafnlfefjdalfn费劲儿了奶粉就为了你附近的少年富放你家里是南方金额女王1 绪论1.1 HFSS简介电磁场学科是围绕麦克斯韦方程组为中心展开的研究。

一种微带贴片对数周期天线的改进设计于臻;王江华;冉小英【期刊名称】《电信科学》【年(卷),期】2012(28)6【摘要】基于传统的对数周期偶极子天线的原理和结构特点,结合微带天线的优势,改进设计了一种工作在1.2～3.2 GHz的以楔形夹角相连的16单元微带贴片对数周期单极子天线.利用VB软件设计了一款天线计算器,方便了天线尺寸参数的计算和优化调整,使用Ansoft HFSS软件搭建天线的模型并进行仿真优化.利用PNA3621网络分析仪对制作的天线进行了测试.测量结果表明,在该频带范围内,天线方向对称性较好,旁瓣较少,与仿真结果较为吻合,天线输入端的电压驻波比(VSWR)和回波损耗(RL)较为理想,宽带特性较好.%Based on the principles and the structure characteristics of traditional log-periodic dipole antenna, combined with the advantages of microstrip antenna, this paper improves the design of a wedge-angle microstrip patch log-periodic monopole antenna with 16 units working from 1.2 GHz to 3.2 GHz. It proposes an anienna interactive calculator with VB software to calculate and adjust antenna parameters conveniently. Then, to construct, simulate and optimize the antenna model with Ansoft HFSS software. The antenna is tested by PNA3621 vector network analyzer. Measurement results show that the antenna has good characteristics with symmetrical radiation pattern, broad bandwidth, little number of side lobes, the voltage standing wave ratio, which agree well with the simulation results.【总页数】6页(P92-97)【作者】于臻;王江华;冉小英【作者单位】华北科技学院电子信息工程学院,廊坊065201;北京邮电大学电子工程学院,北京100876;华北科技学院电子信息工程学院,廊坊065201;华北科技学院电子信息工程学院,廊坊065201【正文语种】中文【相关文献】1.一种改进型微带贴片八木天线的设计 [J], 倪国旗;余白平;梁军2.双模微带三角形贴片滤波器的改进设计 [J], 崔鹤;魏彦玉;曹锐;宫玉彬;王文祥3.一种2.4GHz圆极化微带贴片天线的设计与实现 [J], 任丽红;王浩4.一种用于微波输能的宽带矩形微带贴片天线设计 [J], 王靖;朱家豪5.双模微带三角形贴片滤波器的改进设计 [J], 邓哲;吕文俊;程崇虎;朱洪波因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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HFSS v13.0高频仿真软件操作指南目录第一章创建工程Project一、前期准备第二章创建模型3DModeler一、绘制常见规则形状二、常用操作三、几种常见天线第三章参数及条件设置(材料参数、边界条件和激励源等) Setting一、设置材料参数二、设置辐射边界条件三、设置端口激励源四、特定边界设置第四章设置求解项并分析Analyze一、设置分析Add Solution Setup二、确认设置并分析Validation Check Analyze All第五章查看结果Results一、3D极化图（3D Polar Plot）二、3D直角图（3D Rectangular Plot）三、辐射方向图（Radiation Pattern）四、驻波比(VSWR)五、矩阵数据(Matrix Date)一、前期准备1、运行HFSS后，左侧工程管理栏会自动创建一个新工程：Project n 。

由主菜单选File > Save as,保存到一个方便安全的文件夹，并命名。

(命名可包括下划线、字母和数字，也可以在Validation Check之前、设置分析和辐射场之后保存并命名)2、插入HFSS设计由主菜单选Project > Insert HFSS Design 或点击图标，(大口径的由主菜单选Project > Insert HFSS-IE Design)则一个新的项目自动加入到工程列表中，同时会出现3D画图窗口，上侧出现很多画图快捷图标。

3、选择求解类型由主菜单选HFSS > Solution Type（求解类型），选择Driven Model或Driven Terminal（常用）。

注：若模型中有类似于耦合传输线求耦合问题的模型一定要用Driven Terminal，Driven Model适于其他模型，不过一般TEM模式（同轴、微带）传输的单终端模型一般用Driven Terminal分析。

HFSS天线仿真操作步骤画激励面点选矩形框1 设置边界条件1 选择某个需要设成地的面，然后2 设为地平面（打钩）注：辐射单元也需要设置，但不需要在无线地的选项中打钩。

2 设介质选择好某个体，Box1.在下面的菜单中有“Material”项目。

点““Material”，弹出一个菜单。

选“Add Material”，又弹出一个菜单将原介电常数数值1修改为4.5后点“OK”则该处改为2.65点“确定”3 设置金属化孔重新选择某个面：“Edit”“Select”“By Nane”弹出菜单选择金属化通孔，点“OK”点框图中的“vacuum”（真空）弹出一个菜单移动滑动条到出现“copper”双击，确定。

4设置激励端口选“Wave Port”，弹出一个菜单。

选“下一步”点“None”，弹出下拉菜单，选“New Line”出现下面菜单设电场方向从下底板拉到上底板，但方向必须是垂直的为保证是垂直的，dx必须为0. 回车后弹出菜单点“下一步”出现下面菜单选择选完成。

5 创建辐射边界1 选2 输入合适数值3 输入合适数值4 回车确定5 辐射边界的一个面必须和激励面是一个面。

选“HFSS”“Boundaries(边界)”“Assign（分配）”“Radiation（辐射）”弹出一个菜单点“OK”。

让辐射边界不显示出来。

点右键，选“View”“Hide Selection”6 选择步进值点“放大镜”符号弹出一个菜单设置步进值点，弹出下面菜单：点“确定”，弹出下面菜单：修改几个数值：8 运行中心频率选“4G”打开“Setup1”下面的“Sweep1”修改步进值为“0.01”10输出曲线1 用左键点击“Results”弹出下拉菜单：选第一个“Create Report”(创建报告)弹出一个菜单点“OK”,弹出一个菜单：选“Done”即可输出曲线12 表面电流分布的输出1 选择要分析电流的那个面点右键，选“Fields”，“E”“Mag_E”,弹出一个菜单选“Done”，即可显示结果。

ANSYS 2011中国用户大会优秀论文HFSS软件二次开发在对数周期天线设计中的应用梁宇宏，张云，温剑中国西南电子技术研究所，成都，610036[ 摘要 ] 随着电磁场理论及计算电磁学的发展，各种电磁场数值计算方法已经广泛应用于电磁场工程设计中。

经过多年的发展与完善，商业化电磁仿真软件如ANSOFT HFSS的计算精度与效率不断提高，成为工程设计中必不可少的工具。

仿真软件HFSS向用户提供了用户开发工具，可以实现自动化、批处理建模仿真，并能够对仿真数据做后处理。

编写了一个基于HFSS脚本语言的程序。

利用该程序，对一个对数周期偶极子天线的进行了建模和仿真。

仿真结果显示满足设计要求。

[ 关键词]HFSS；用户开发工具；对数周期偶极子天线Application of the User Programmable Feature of HFSS in Log-Periodic Dipole Antenna DesignLIANG Yu-hong, ZHANG Yun , WEN JianSouthwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu, 610036, China[ Abstract ] With the development of the EM theory and CEM, lots of numerical algorithms have been used in EM engineering. After rapid development in recent decades, commercial EMsoftware as ANSOFT HFSS have higher accuracy and efficiency, and become necessarytools in EM engineering. HFSS also provide with a build-in User Programmable platform. Itcan do the modeling and simulation task automatically and in batches. It can do postprocessing as well. A program based on the HFSS scripting is developed. Modeling andsimulation of A log-periodic dipole antenna are performed using this program. The simulatedresult shows that it is fit for the requirement.[ Keyword ] HFSS; User Programmable platform; log-periodic dipole antenna1前言目前，仿真软件ANSOFT HFSS的计算精度和效率不断提高。

基于HFSS仿真软件的天线设计与调优天线是如今无线通信设备中不可或缺的一部分，通过天线将电磁波转换成信号，实现无线通信。

天线的设计和调优是影响无线通信设备性能的关键因素，优秀的天线设计能够提高通信质量和传输速率，从而提高用户体验和设备性能。

而基于HFSS仿真软件的天线设计与调优已经成为了当今设计领域的重要工具。

一、HFSS仿真软件简介高频结构模拟软件（High-Frequency Structure Simulator，HFSS）是美国ANSYS公司研发的一款专门用于高频电磁场仿真分析的电磁场仿真软件，主要用于电磁场分析、天线设计、微波电路设计和系统分析。

HFSS具有完整的三维数值电磁场求解器，可以方便地进行电磁波计算和分析。

其模拟精度高，支持多种材料和内置模型库等多种功能。

二、天线设计基础知识天线的设计主要涉及天线结构的选择、频率范围、辐射模式等基本参数，其中，基本参数包括天线的阻抗匹配、辐射方向、增益和效率等指标。

天线结构的选择天线的结构形式多种多样，可分为线性天线和非线性天线两类。

在选择天线的结构时，需要考虑天线的形状、尺寸和材料等因素。

线性天线一般采用金属丝或金属棒等导体实现，包括单极天线、双极天线、饰片天线、圆极化天线、螺旋极化天线等，非线性天线则更加复杂，如各种周期性天线、基于共振现象的天线等。

天线频率范围天线设计时需要确定天线的频率范围，通常以天线的带宽作为衡量标准，可根据实际需求选择不同的工作频段。

天线的增益和效率天线的增益和效率是天线性能的重要指标。

增益是指天线在辐射方向上将输入功率转换成辐射功率的能力，而效率是指天线对输入功率的利用率。

三、基于HFSS仿真软件的天线设计与调优HFSS仿真软件能够提供准确的天线模型和全波分析，可以帮助工程师们在仿真环境中预测和优化天线性能。

下面我们将介绍基于HFSS仿真软件的天线设计和调优的主要流程。

1. 建立天线模型在HFSS软件中，用户需要准确的建立天线模型。

HFSS软件在天线仿真分析与优化中的应用朱秀娥【期刊名称】《《福建师大福清分校学报》》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】6页(P39-44)【关键词】天线仿真; HFSS软件; 优化; 八木天线; 平面螺旋天线【作者】朱秀娥【作者单位】福建师范大学协和学院信息技术系福建福州 350117【正文语种】中文【中图分类】TN82天线作为无线电系统的耳目，在通信工程、电磁分析中是不可或缺的部分，对天线进行理论分析和实际应用是电子信息工程、通信工程等专业的学生必须具备的能力[1-3].由于硬件教学条件的限制，天线课程的教学主要以理论知识传授为主，根据麦克斯韦方程的求解推导出一系列的公式和结论出来，教学过程枯燥，学生兴趣点不高，且结果不够直观.为了增强学生的学习氛围并更好地掌握课堂知识，在天线的课堂上可以引入HFSS 仿真软件平台，使用HFSS 仿真软件不仅可以模拟和分析各种类型的天线，还可以在天线的设计与优化中起到重要的作用，它是学习天线和电磁场相关课程不可缺少的软件.论文提出将HFSS 软件引入天线课的课堂中，通过对八木天线和平面螺旋天线的分析与优化设计，介绍HFSS 仿真软件的使用过程和在具体天线中的参数优化设计，使大家对天线的性能参数有更深层次的理解；并且该软件在微波及相关电磁场分析中都可以得到充分的运用.1 HFSS 软件简介HFSS 软件是一款三维电磁场仿真软件.切向矢量有限元法可用于解决任何三维射频和微波器件的电磁场分布.利用HFSS 可以为天线和天线阵列提供全面的仿真分析和优化设计，其适用范围包括面天线、波导、线天线、天线阵列、雷达反射截面等几方面.准确计算天线的各种参数，包括2D、3D 的远场辐射方向图、天线增益、方向系数、轴比、天线阻抗、电压驻波比、S 参数等.工程实践表明，HFSS 软件的仿真结果与真实天线的实测结果基本吻合[4].由于真实天线的制作与测试耗时长、费用高，而借助电磁仿真技术可节约设计成本、提高设计精度和效率[4].通过HFSS 仿真软件的学习，可以让学生对天线的设计分析与优化有直观的视觉认识，反之，学会了HFSS 软件的使用方法，也可以进一步促进学生对天线理论知识的认知，为他们今后从事相关工作打好基础.2 基于HFSS 仿真软件的天线实验实例分析设计在理解典型天线的理论方法和设计方法的基础上，利用HFSS 软件对工作中心频率为1GHz 的引向天线的仿真分析与优化设计和工作中心频率为3GHz 的平面螺旋天线的仿真分析，并对仿真结果进行分析、比较，进一步加深对天线基本理论的理解，对天线的性能参数有直观的认识.2.1 引向天线的HFSS 仿真分析与优化该天线又称八木天线，是由日本八木和宇田在1927 年发明的.它作为一种经典天线，被广泛应用于无线通信，通常由一个有源振子、一个反射器和几个平行排列的引向器构成.八木天线可以看成是由长度接近于半个波长的对称振子组成的天线阵，因此可得到比单个半波振子更强的方向性.引向天线的结构图如图1所示.该模型中Z 轴为天线阵列的阵轴，并包含4个引向振子.要求工作的中心频率为1GHz，波长为300mm，依据该天线的理论分析，设置相关参量大小为：反射振子的半轴长度为75mm；有源振子的半轴长度为65mm；引向振子的长度为54mm；引向天线的振子半径为2.5mm；反射振子与有源振子之间的间距为48mm，引向振子与有源振子之间的间距以及各引向振子之间的间距均为50mm.图1 引向天线建模结构图在计算辐射特性时，HFSS 软件模拟实际的自由空间，类似于将天线放置在微波暗室中.从理论上讲，从暗室中的天线辐射的能量不应该反射回来.它吸收天线辐射的能量，并提供计算远场的数据.在引向天线模型中的外围的圆柱形盒子就相当于这个暗室.空气盒子的设置有两个关键：一个是形状，一个是大小.形状要求反射尽可能低，然后空气盒子的表面应平行于模型表面，以使来自天线辐射出来的电磁波尽可能垂直地入射到空气盒子的内表面，尽可能防止反射的发生.从理论上讲，盒子尺寸越大那么就越接近于理想自由空间，如果盒子尺寸是无限大的，那么模型就处在一个理想自由空间中，可是空气盒子越大，则计算量越大越难，仿真越慢.一般而言，要求空气盒子距离天线的最近辐射面的距离大于等于1/4 波长.论文中两个例子的空气盒子采用的形状都是圆柱形的.本例子中的引向天线的空气盒子的半径为160mm，高度为450mm.首先要验证仿真结果的正确性，在Project工作区中选中Result 项→Solution→Data →Convergence，view 选择plot，看是否收敛到红线以下，假如未收敛到红线以下，需重新仿真，假如收敛，才可以按照以下步骤进一步查看结果.图2 引向天线仿真结果正确性的验证图天线的频带特性可以通过查看激励端口S11 的扫频分析结果和电压驻波比来得到.回波损耗S11 和电压驻波比VSWR 可以通过公式直接换算，所以S11 参数和电压驻波比VSWR 只需要分析一种参数即可.论文选择观察回波损耗S11.在天线领域，通常只要求研究输入端口的散射情况，即输入端口的反射功率和入射功率的比值，S11 越小，则反射系数就越小，功率利用率则越高.下图是本例引向天线的S11 参数的扫频曲线.端口阻抗设置为50Ω.图3 引向天线回波损耗的扫频曲线从图中所示天线的S11 参数的扫频曲线可以看出，该天线阵的谐振点为0.95GHz.这与我们预期的中心工作频率1GHz 仍有一定的差距，因此我们需要对设计进行优化，以达到天线谐振频率为1GHz 的要求.根据八木天线的原理和经验，八木天线的谐振频率主要由有源振子的长度L0 决定，另一方面反射器与有源振子的距离dR 也影响着天线频带特性.因此，在进行优化之前，应该扫描和分析这两个参数，以获得它们对天线谐振频率的影响关系.然后有针对性地进行优化设计.但当其他变量固定时，反射器与有源振子两者的间距dR 对天线的谐振频率的影响不大[6].所以论文仅扫描分析有源振子的长度L0对天线频带特性的影响.八木天线的谐振频率与有源振子的长度密切相关，当L0 为65mm 的时候，其谐振频率为0.95GHz 左右，因此想将谐振频率提高到1GHz，应该减少有源振子的长度，在指定L0为优化变量的前提下，在HFSS 软件中，添加优化设置，如图4 和图5 所示，利用HFSS 软件的优化设计功能，对变量L0 进行扫描和分析，得到如下图6 优化结果.图4 优化设置1图5 优化设置2图6 优化分析结果数据从上图可见，HFSS 的优化设计一共进行了20 次的迭代计算，其中第9 次的迭代计算的目标函数S11 的数值最小，为13.245dB，此时对应变量L0 的值为62.700mm.在优化结果中应用参数并查看优化的S11参数指标.从图7 可以看出，S11 的最小值位于1GHz 处，最小值为13.2dB，并且实现了引向天线在1GHz 时发生谐振，满足了设计要求.图7 优化后的引向天线的S11 参数扫频曲线根据优化数据，重新使用HFSS 软件对引向天线进行仿真，可以获得该天线阵的回波损耗（S11）、输入阻抗（Zin）及远场区的3D方向图、2D 方向图等.各个参数的仿真结果如图所示.从图8、图9、图10 可以看出八木天线的最大辐射方向矢沿着天线的轴向，所以该天线是属于端射型天线的一种，且八木天线的前后比高，绝大多数磁场能量都被反射振子反射到轴线前端.其最大辐射方向的增益为11.1dB.另外从图11 中可以得到天线阵的输入端阻抗为33.64+j8.89Ω.图8 以dB 为单位的三维方向图图9 以倍数为单位的三维方向图图10 以分贝为单位的二维方向图图11 引向天线的阻抗特性曲线2.2 平面螺旋天线的HFSS 仿真分析在现代通信中，通常要求天线具有更宽的工作频带特性甚至要求是多模通信，因此通常希望天线的特性在宽频带上保持恒定.具有10∶1 或有更宽频带带宽的天线称为非频变天线.平面等角螺旋天线就是一种非频变天线，其两个等角螺旋臂上电流在经过一个波长的臂长后，能够迅速减少，那么其有效作用区在周长约为一个波长的范围内，该特性符合终端效应弱的条件，并且能够形成非频变特性.其上限频率由螺旋臂的起始半径决定，其下限频率由螺旋臂的最大半径决定.平面螺旋天线建模结构图如图12 所示.其中空气盒子的半径为50mm，高度为100mm，关于原点中心对称.圆柱形的介质基板的材料为硅，半径为20mm，高度为1mm.生成的两个螺旋臂的曲线方程坐标分别为：图12 平面螺旋天线模型结构图在HFSS 软件中建模后仿真计算可得到如下结果图.图13 平面螺旋天线S11 参数的扫频曲线从回波损耗的变化趋势可以看出，随着平面螺旋天线工作频率的增大，S11 参数的变化趋势是减小的，因为频率越高，有效半径越小，末端的截断效应损失越少，相应的回波损耗也就越小.图14 平面螺旋天线的阻抗特性曲线从图14 可以看出，平面螺旋天线在中心频率为1.7GHz 和2.6GHz 的谐振点工作.在这两个谐振点上，输入阻抗是纯电阻，这有利于天线输入的阻抗匹配.但是在并联谐振点1.7GHz 附近时，其输入阻抗太大，不利于天线的能量传播，所以通常选择在2.6GHz 左右.由于平面螺旋天线的性能参数跟螺旋臂的生成参数紧密相关，不再详细介绍其优化过程.从图15、16 可以直观清晰地看出，在不同的频率的信号作用下，平面螺旋天线的有效作用区的变化趋势，频率越高，则其有效作用区越接近中心点，频率越低，则其有效作用区越远离中心点，其末端截断后的损耗也就越大.天线表面电流在通过有效作用区域后迅速衰减，有效作用区域在距离中心点的周长为一个波长的区域. 图15 3GHz 时的天线表面电流分布图16 1GHz 时的天线表面电流分布3 结语通过上面两种不同天线的分析可以得出利用HFSS 仿真软件可以很好地、很直观地、很具体地分析天线的一些性能参数，包括回波损耗、阻抗特性、远场区的三维方向图和二维方向图、天线表面电流分布图等.对于结构上造成的工作中心频率有所偏差的问题也可以通过结构参数优化的办法得以改善.这从很大程度上帮助学生以及工程人员对理论性极强、分析极其复杂的天线系统的理解，在现实的天线的设计分析中也有重要的意义.【相关文献】[1] 高建平,屈乐乐,杨天虹.电磁波工程基础[M].北京：北京航空航天大学出版社,2015.[2] 陈波,王志敏,杨峰.电磁场与波课程中天线教学创新实验设计[J].实验科学与技术,2011,9(2)：19-21+90.[3] 刘亮元,贺达红.电磁场与电磁波仿真实验教学[J].实验室研究与探索,2010,29(5)：30-32.[4] 屈乐乐,杨天虹.基于HFSS 仿真软件的天线实验课程研究[J].实验技术与管理2016,33(7)：129-132.[5] 侯维娜,邵建兴.Anosoft HFSS 仿真软件在天线教学实践中的应用[J].数字通信,2009,19(4)：87-89.[6] 冯奎胜,李娜，等.Ansoft HFSS 入门教程与仿真实例[M].北京：电子工业出版社,2013.[7] 李莉.天线与电波传播[M].北京：科学出版社,2013.。