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微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
一、前言
微带天线，即微带感应力天线，是一种先进的电磁发射天线，它采用微细空心管及其他微带元件，广泛应用于宽带、多址无线通信、脉冲定位系统、脉冲探测系统等许多应用中。
以HFSS为工具，设计微带感应力天线，能够更加直观地分析微带天线的性能，从而帮助我们了解微带天线的传输特性，并根据实际应用需求实现天线高效性能设计。
二、微波仿真HFSS的设计步骤：
1、首先，选择好所采用的HFSS软件，确定需要分析的微带感应力天线的构型，并建立计算模型。
2、根据相关理论，计算出微带天线的基本参数，如振子长度、空心管半径和微带宽度等，以及天线的振荡频率、相位阶跃和频带宽等。
3、设置相应的仿真网格，根据天线实际的构形，划分仿真区域，确定网格大小和步长，以达到较高的空间分辨率，从而获得更准确的仿真结果。
4、设置仿真参考电路，根据计算出的微带天线振子长度、空心管半径和微带宽度等，及其传输特性，利用HFSS软件设置好参考模型，以及仿真频率。
5、开启仿真计算，间接计算和直接计算，从而获得微带感应力天线的S参数，用于评估微带天线的性能。
应用 HFSS 设计一种双频段 GPS 微带天线彭祥飞，钟顺时（上海大学通信与信息工程学院，上海 200072）摘要：本文应用Ansoft 公司的HFSS 软件仿真设计一种双频段GPS 微带天线。
此天线由不同介电常数的 微波陶瓷基片组成,双层正方形切角的微带贴片通过单个探针馈电。
文中给出了天线的详细设计及实验结 果，仿真结果和实验结果很好的吻合,结果说明HFSS 软件的高效性和准确性。
关键词： Ansoft HFSS ； 微带天线；全球定位系统；双频段；圆极化；1前言Ansoft 公司 HFSS 仿真器提供了一种采用有限元法对三维高频结构电磁特性进行仿真计算的工具。
该软件具有很高的 计算精度,已经成为天线与微波电路设计方面的有力工具。
本文采用 Ansoft 公司的 HFSS 模块设计出一种双频段 GPS 微带 天线。
近年来微带天线由于它的尺寸小、成本低、易实现圆极化等优点在全球定位系统（GPS ）应用中独占鳌头。
大部分的 GPS 仅工作在L 1 频率，常用的GPS 微带天线加工在高 ∑ r 的厚陶瓷基片上 [1]，这样的天线低仰角性能好和带宽足够宽，具有 良好的广角圆极化。
但为了满足GPS 的一些特殊应用，如高精度的一体化检测或差分基准系统 [ 2 ]，GPS 天线必须在L 1/L 2 两 个频率(L 1：1575 MHz, L 2:1227 MHz )上实现圆极化。
如果用单馈电点实现双频圆极化，可以用两种微带天线结构：一种使 用单块贴片 [3, 4] , 其两圆极化工作频率比大约是 1.5 倍或更大些；另一种使用双层贴片 [5 7 ]，两圆极化频率比小于 1.5 倍。
本 设计中，L 1 和L 2 的频率比为 1.28 倍，小于 1.5 倍，所以用双层贴片设计能满足GPS 天线L 1/L 2 两个频率的要求。
但是绝大 多数文献[5~7]报道的双层贴片天线都加工在同一介电常数的两块基片上,基片中间引入空气层（可采用泡沫材料来支撑上 层），这样既增大了尺寸，又不便于加工。
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。
图1：微带天线的构造一、 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年左右的开展，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构造，由辐射源、介质层和参考地三局部组成。
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局部，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外表。
〔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、天线几何构造参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为eL，那么有2/geLλ=式中，gλ表示波导波长，有egελλ/=式中，λ表示自由空间波长，eε表示有效介电常数，且21)121(2121-+-++=Whrreεεε式中，rε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。
基于HFSS的微带天线设计科研报告1.科研背景天线作为无线收发系统的一部分，其性能对一个系统的整体性能有着重要影响。
近年来置天线在移动终端数日益庞大的同时功能也日益强大,对天线的网络看盖及小型化也有了更高的要求。
由于不同的通信网络间的频段差异较大，所以怎样使天线能够涵盖多波段并且同时拥有足够小的尺寸是设计置天线的主要问题。
微带天线具有体积小，重重轻，剖面薄，易于加工等诸多优点，得到广泛的研究与应用。
在无线通信技术中，对天线的带宽有了更高的要求;而电路集成度提高，系统对天线的体积有了更高的要求。
微带天线是由导体薄片粘贴在背面有导体接地板的介质基片上形成的天线，随着科技的进步、空间技术的发展和低剖面天线的需求，使微带天线进一步发展。
和普通的天线相比，微带天线有这些优点:体积小，重里轻，低剖面，能与载体共形;易于实现线极化和圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。
2.研究理论依据天线是-个用于发送和接收电磁波的重要的无线电设备，没有天线就没有无线电通信。
不同种类的天线适用于不同用途，不同场合，不同频率，不同要求等不同情况;天线种类繁多，可按照-定特征进行分类:根据用途分类，可分为通信天线，雷达天线等;根据工作频段分类，可分为短波天线，超短波天线，微波天线等。
2.1天线的基本概念天线无处不在o所有的无线电设备都需要使用无线电波来开展的工作，天线在作发射时，它将电路中的高频电流转换为极化的电磁波，发射向规定的方向;作接收时，则将来自特定方向的极化的电磁波转换为电路中的高频电流。
所以天线的功能主要功能有:(1)能量转换对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能里或传输线上的导行波能里尽可能多地转换为空间的电磁波能里辐射出去。
对于接收天线，传输到接收机上的由天线接收的电磁能里应尽可能转换为电路中的高频电流能里;天线和发射机或接收机应该尽可能良好的匹配。
(2)定向辐射或接收发射及接受天线的辐射电磁能里应集中在指定的方向，尽可能的不接收来自其它方向的电磁波，不要将能里损失在别的方向上，否则接收所需信号的同时，还有可能接收到不同方向的其它信号，造成不必要的干扰。
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。
用Sonnet & Agilent HFSS设计微带天线摘要：以一同轴线底馈微带贴片为题材，分别用Sonnet 软件及 Agilent Hfss 软件进行Simulate，分析其特性。
并根据结果对这两个软件作一比较。
天线模型：天线为微带贴片天线，馈电方式为50Ω同轴线底馈，中心频率3GHzξ=，尺寸 56mm*52mm*3.175mm基片采用Duroid材料 2.33rPatch ：30mm*30mm馈电点距Patch中心7mm处。
参见下图。
一.Sonnet参数设置如下图：介质层按照天线指标予以设置：画出Antenna Layout.Top viewBottom view其中箭头所指处为via ，并在GND 层加上via port. 即实现了对Patch 的底馈。
至此，Circuit Edit 完成。
下一步对其进行模拟。
模拟结果：S11，即反射系数图：可见中心频率在3G附近，。
进一步分析电流分布：在中心频率的附近，取3G，3.1G作表面电流分布图：可见，在中心频率的电流分布较为对称。
符合设计的要求。
远区场方向图：选取了若干个频率点绘制远区场增益图。
从中可以看到，中心频率的增益较边缘为大。
符合设计的要求。
二.Agilent HfssAgilent Hfss (high frequency structure simulator)是AGILENT公司的一个专门模拟高频无源器件的软件。
较现在广泛应用的ANSOFT HFSS功能类似，但操作简单明了。
能在平面结构上建模天线不同，Agilent Hfss可以精确地定义天线的立体结构。
并可将馈电部分考虑在模拟因素内，按要求设定辐射界面，等等。
可能在本文的例子中，由于结构比较简单，并不能充分体现这一点，但也应可见一斑。
本例与HFSS HELP中所附带的例子较为类似，因此我参照HELP文件，在HFSS5.6环境下较为顺利的完成了模拟。
用HFSS模拟天线，主要分Draw Model、Assign Material、Define Boundary、Solve、Post Process 五个步骤：⒈Draw Model：HFSS采用的是相当流行的AUTOCAD的ENGINE，因此绘制方法与AUTOCAD大同小异，这里不在赘述。
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一设计容简介双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。
其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。
其结构如图1所示。
图1故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。
L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。
输入阻抗为50欧姆。
设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y方向的。
介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使用理想薄导体。
因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质为pec的圆柱体模型。
而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其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，端口归一化阻抗为50欧姆。
HFSS仿真设计过程1.新建工程文件（1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。
新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。
（2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。
（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。
点击OK。
2.添加和定义设计变量在HF SS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。
在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。
使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。
其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。
设计属性对话框如图所示。
3.设计建模（1）创建介质基片：在主菜单中选择Draw→Box命令，进入创建长方体的状态，然后三维模型窗口创建任意一个长方体。
打开新建长方体属性对话框，把长方体的名称修改为Substrate,设置材质为FR4_epoxy,设置透明度为0.6.再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为2*L0，2*W0，H。
如图3-1所示。
这时就创建好了名称为Substrate 的介质基片模型。
然后按Ctrl＋D 全屏显示物体模型。
图3-1介质基片模型（2）创建辐射贴片：在主菜单中选择Draw →rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。
双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为Patch,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command 选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2，-W0/2，H），在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩形面的长宽为L0，W0。
如图3-2所示。
这时就创建好了名称为patch辐射贴片模型。
然后按Ctrl D 全屏显示物体。
图3-2 辐射贴片模型(3)创建参考地：在主菜单中选择Draw rectangle命令，进入创建矩形面的状态，然后任意创建一个矩形面。
双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称修改为GND,设置透明度为0.4.再双击历史树Substrate下的Createrectangle选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0，-W0，0），在Xsize,Ysize文本框中分别输入矩形面的长宽为2*L0，2*W0。
如图3-3所示。
这时就创建好了名称为GND的参考地模型。
然后按Ctrl D 全屏显示物体模型。
图3-3 参考地模型（4）创建同轴馈线的芯：在主菜单中选择Draw Cylinder命令，进入创建圆柱体的状态，然后任意创建一个圆柱体。
双击Solids节点下的rectangle1选项，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把圆柱体的名称修改为Feed,设置其材质为pec.再双击历史树Substrate下的CreateCylinder选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（L1，L2，0），在Radius文本框中分别输入圆柱体的半径为0.6。
在Height文本框中分别输入圆柱体的长度为H。
如图3-4所示。
这时就创建好了名称为Feed的圆柱体同轴馈线芯模型。
然后按Ctrl D 全屏显示物体模型。
图3-4 同轴馈线芯模型（5）创建信号传输端口面：同轴线馈电需要穿过参考地面来传输信号能量。
因此，需要在参考地面GND上开一个圆孔允许能量传输。
首先在参考地面上创建一个半径为1.5mm，圆心坐标为（L1，0，0）的圆面，并将其命名为Port。
然后在执行相减操作，使用参考地面减去圆面，从而在参考地面上开出一个圆孔。
在主菜单中选择Draw Circle命令，进入创建圆面的状态，然后任意创建一个圆面。
双击Solids节点下的Circle选项，打开新建圆面属性对话框的Attribute 选项卡，把矩形面的名称修改为Port。
再双击历史树Port下的CreateCircle选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（L1，L2，0），在Radius文本框中分别输入圆面的半径为1.5。
如图3-5所示。
这时就创建好了名称为Port的信号传输端口面模型。
然后按Ctrl D 全屏显示物体模型。
图3-5 信号传输端口面模型使用相减操作在参考地面挖一个圆孔。
按住Ctrl键的同时单机GND和Port 选项，选中这两个平面。
然后在主菜单中选择Modeler→Boolean→Substrate 命令，打开如图3-6所示的对话框。
同时为保留圆面port，需要选中对话框中的Clone tool objects before operation复选框。
最后点击OK。
图 3-6至此，就创建好了同轴线馈电的矩形微带天线的设计模型，如图3-7所示。
图3-74设置边界条件（1）把辐射贴片Patch和参考地设置为理想导体边界。
选中patch和gnd然后单击右键，在弹出的快捷菜单中选择assign→boundary→perfect E命令，打开理想导体边界条件设置对话框，保留默认设置不变，点击确定。
（2）设置辐射边界条件：在主菜单中选择Draw Box命令，进入创建长方体的状态，然后任意创建一个长方体。
双击Solids节点下的Box1选项，打开新建长方体属性对话框的Attribute选项卡，把长方体的名称修改为AirBox,设置透明度为0.8。
再双击历史树Substrate下的CreateBox选项，打开Command选项卡，在position文本框中输入顶点位置坐标为（-L0/2-length，-W0/2-length，-10），在Xsize,Ysize和Zsize文本框中分别输入长方体的长宽高为(L0+2*lengt，W0+2*length，10mm+H+length)。
如图所示。
单击AirBox选项，右击选择 assign→boundary→radiation,保留默认设置不变，点击确定。
5 设置端口激励：单击port,选择port后，右击选择assign→excitation→lumped port命令，打开集总端口设置对话框。
在name文本框输入名称1，点击下一步，在mode对话框中，单击impedance line项的none,选择new line，此时输入起始坐标（7.6,0,0），再输入坐标（0.9,0,0），并确定。
完成集总端口设置。
6：求解设置：选择菜单：HFSS 〉 Analysis 〉 Setup 〉 Add Solution Setupa。
点击通用（General）键求解频率：2.45GH，最大通过数目：20，通过的最大Delta S：0.02，点击确定按钮。
增加扫频选择菜单HFSS 〉 Analysis 〉Add Sweep，选择求解设置：Setup1 ，点击确定按钮。
编辑扫频窗口，扫描类型：快速（Fast）频率设置类型：线形计数（Linear Count）开始(Start)：1.0GHz，结束（Stop）：3GHz，计数（Count）：0.01GHZ点击确定按钮。
7.设计检查和运行仿真计算：1模型检查，选择菜单：HFSS 〉 Validation Check，点击关闭（Close）按钮。
注意：使用信息管理器可以看到任何错误或警告信息。
2求解过程，选择菜单：HFSS 〉 Analyze All。
8结果及分析：1查看天线的谐振频率：查看天线信号的端口回波损耗（即S11）的扫频分析结果。
右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择create modal solution data report→rectangular polt命令，打开报告设置对话框，选择sttup1:sweep1,在category列表框选中S parameter选项，在quantity列表框选中S（1,1），在Function列表框选中dB。
然后单击New Report按钮。
再单击close按钮。
如图8-1所示图8-1 S11扫频分析结果从结果报告中可以看出，矩形微带天线出现了两个谐振点，一个谐振点为2.45GHZ，且S11的值为-24.0917dB。
另一个谐振频率为1.7GHZ，此时的S11值为-11.3013dB。
2查看S11的Smith圆图结果：右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择create modal solution data report→Smith Chart命令，打开报告设置对话框，选择Trace选项卡的参数。
然后单击New Report按钮，得Smith原图结果，如图8-2所示。
图8-2从结果报告中看出，1.7GHZ是的归一化阻抗为1.00-j0.16。
2.45GHZ是的归一化阻抗为1.03-j0.03，在两个工作频点都达到了很好的阻抗匹配。
3 ①2.45GHZ时的增益方向图：右键单击工程树下的result节点，在弹出的菜单中选择create far fields report→radiation pattern命令，打开报告设置对话框，在geometry列表框选中之前定义的辐射表面EH Plane选项，在category列表框选中gain。
