利用HFSS电磁软件仿真设计准八木天线

八木天线的仿真设计一、八木天线简介：上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发明了这种天线，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天线”。

八木天线（YaGi Antenna）也叫引向天线或波导天线，它是由HF，到VHF，UHF波段中最常用的方向性天线。

八木天线是由一个有源激励振子和若干无源振子组成，所有振子都平行装制在同一平面上。

有源振子可以是半波振子，也可以是折合振子，一般常用折合振子，以提高八木天线的输入阻抗，便于和馈电线匹配。

主要作用是提高辐射能量。

至于无源振子根据它的功能可以分为反射器和引向器两种。

通常反射器的长度比有源振子长4～5%，而引向器可以有多个，第1～4个导向器的长度通常比有源振子顺序递减2～5%。

二、工作原理：有源振子被馈电后，向空间辐射电磁波，使无源振子中产生感应电流，从而也产生辐射。

引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。

此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。

反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180°，起到了抵消作用。

一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。

发射状态作用过程亦然。

三、设计要求：1、引向器的间距选择引向器间距的选择有两种方案：一种是引向器间距不相等，随着引向器数量序号的增加，相邻引向器的间距加大；另一种是引向器间距相等。

前一种方案调整麻烦，后一种方案调整简便，因此一般都采用等间距方案。

引向器间距一般在0.15-0.4波长范围内选择。

间距较大时，方向图主瓣较窄，输入阻抗的频率响应较平稳，但副瓣较大；间距选得小时，副瓣较低，抗干扰性能较好，但是增益和方向性差些。

H F S S V天线仿真基本操作指南HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】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)第一章创建工程一、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DrivenTerminal（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。

微波技术与天线仿真实验报告.docx《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验⼆H⾯T型波导分⽀器设计⼀．仿真实验内容和⽬的使⽤HFSS设计⼀个带有隔⽚的H⾯T型波导分⽀器,⾸先分析隔⽚位于T型波导正中央,在8~10GHz的⼯作频段内,波导输⼊输出端⼝的S参数随频率变化的关系曲线以及10GHz时波导表⾯的电场分布；然后通过参数扫描分析以及优化设计效⽤分析在10GHz处输⼊输出端⼝的S参数随着隔⽚位置变化⽽变化的关系曲线；最后利⽤HFSS优化设计效⽤找出端⼝三输出功率是端⼝⼆输出功率两倍时隔⽚所在位置。

⼆．设计模型简介整个H⾯T型波导分为两个部分：T型波导模型,隔⽚。

见图1。

图1三．建模和仿真步骤1.运⾏HFSS并新建⼯程,把⼯程另存为Tee.hfss。

2.选择求解类型：主菜单HFSS→solution type→driven modal,设置求解类型为模式驱动。

3.设置长度单位：主菜单modeler→units→in,设置默认长度单位为英⼨。

4.创建长⽅体模型1）从主菜单选择draw→box,进⼊创建长⽅体模型的⼯作状态,移动⿏标到HFSS⼯作界⾯的右下⾓状态栏,在状态栏输⼊长⽅体的起始点坐标为（0,-0.45,0）,按下回车键确认之后在状态栏输⼊长⽅体的长宽⾼分别为2,0.9,0.4。

2）再次按下回车键之后,在新建长⽅体的属性对话框修改物体的位置,尺⼨,名称,材料和透明度等属性。

在attribute选项卡中将长⽅体名称项（name）修改为Tee,材料属性（material）保持为真空（vacuum）不变,透明度（transparent）设置为0.4。

3）设置端⼝激励4）复制长⽅体第⼆个和第三个臂5）合并长⽅体5.创建隔⽚1）创建⼀个长⽅体并设置位置和尺⼨2）执⾏相减操作上诉步骤完成后即可得到H⾯T型波导的三维仿真模型图如图2所⽰图26.分析求解设置1）添加求解设置：在⼯程管理窗⼝中展开⼯程并选中analyse节点,单击右键,在弹出的快捷菜单中选择add solution type并设置相关参数,完成后⼯程管理窗⼝的analyse节点下会添加⼀个名称为setup1的求解设置项2）添加扫频设置：在⼯程管理窗⼝中展开analysis节点,右键单击前⾯添加的setup1求解设置项,在弹出菜单中单击add frequency sweep,并设置sweep name,sweep type,等参数。

基于开槽型接地板的新型双频准八木天线设计作者：黄文静孙俊胡耀文王行来源：《现代电子技术》2019年第15期摘 ;要：利用电磁仿真软件ANSYS HFSS设计一种基于开槽型接地板的新型双频准八木天线。

首先，设计一种新型巴伦结构的准八木天线，该天线的馈电由微带线实现，阻抗匹配通过一段[λ4]阻抗变换器实现，这不仅实现了微带线到共面带状线的转换，也改良了典型八木天线复杂的巴伦结构;然后，在此天线的基础上将矩形的引向振子改进为菱形的引向振子，改进后的天线中心频率处回波损耗降低为-73.5 dB，相比改进前降低了10 dB;最后，在此天线的反射地板非延长部分的中心两侧开两个矩形槽，改进后的天线具有在5.5 GHz和9.5 GHz两个频段内进行双频工作的特征。

关键词：准八木天线; 微带线; 菱形引向振子; 矩形槽; 回波损耗; 双频工作中图分类号： TN823+.24⁃34 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码： A ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章编号：1004⁃373X（2019）15⁃0008⁃05Design of dual⁃band quasi⁃Yagi antenna based on slotted earth plateHUANG Wenjing， SUN Jun， HU Yaowen， WANG Xing（College of Information Engineering and Automation， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650504， China）Abstract： A new type of dual⁃band quasi⁃Yagi antenna based on slotted ground floor is designed with the electromagnetic simulation software ANSYS HFSS in this paper. First， aquasi⁃Yagi antenna with a new Balun structure is designed， whose feed is realized by a microstrip line， and impedance matching is realized by a 1/4 impedance converter. It not only realizes the transformation of the microstrip line to the coplanar stripline， but also improves the complex Balun structure of the typical Yagi antenna. And then， the rectangle leading oscillator is improved to the rhombus leading oscillator on the basis of this antenna. The return loss at central frequency of the improved antenna is reduced to -73.5 dB， which means that the return loss is decreased by 10 dB in comparison with that of the antenna before the improvement. Finally， two rectangular grooves are made on both sides of the non⁃extended portion of the reflective plate of the antenna. The improved antenna has the characteristic of dual frequency operation in the two frequency bands of 5.5 GHz and 9.5 GHz.Keywords： quasi?Yagi antenna; microstrip line; rhombus leading oscillator; rectangular groove; return loss; dual⁃band operation0 ;引 ;言自从八木天线被发明以来，因为它设计简单、定向辐射能力强、增益高而倍受重视。

一种使用新型巴伦的双频宽带准八木天线赵廷辉;熊阳;余贤【摘要】准八木天线具有较好的方向性,但其带宽还不能满足实际应用需要.为解决双频带准八木天线带宽较低的问题,提出了一种新型双频准八木天线,其具有相对带宽较大的两个工作频带,并可以应用于定向WLAN/Wimax通信系统.该天线采用喇叭形巴伦来增加带宽,采用多支节结构的两对辐射偶极子来激发两个不同的频率.低频辐射偶极子采用阶梯阻抗来减小物理尺寸,通过合理配置两对辐射偶极子和反射器可以获得良好的辐射特性.使用Ansoft HFSS对天线进行优化,并制作了实物.实验测量结果显示该天线S11＜-10 dB的频段为2.36～2.8 GHz和3.3～3.8 GHz,前后比均在10 dB以上,带内增益分别在6 dB和8 dB以上.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2017(041)006【总页数】5页(P47-51)【关键词】双频天线;准八木天线;喇叭形连接结构【作者】赵廷辉;熊阳;余贤【作者单位】南开大学,天津300350;南开大学,天津300350;南开大学,天津300350【正文语种】中文【中图分类】TN82近年来，随着无线通信的快速发展，尤其是无线局域网络(WLAN) 和全球微波互联接入(WiMAX)的持续发展,对拥有大的阻抗带宽和良好辐射特性的双频或多频天线的需求急剧上升[1-3]。

平面印刷准八木天线具有结构紧凑、低剖面、重量轻、增益高和轴向辐射模式等特点而得到广泛的应用[4-12]。

一些研究人员引入开口环双模谐振器来实现双频,该天线的性能与谐振器的特性有关[4]。

一些研究者将低频偶极子作为高频的反射器，用高频偶极子作为低频引向器[5],这类天线增加了电容来调节阻抗匹配，虽然节省了空间，但大大增加了设计难度。

另外一些研究将偶极子上开了两个L形槽来激发不同的频率,并且使用双模谐振器来实现对双频的引向[6]。

然而，这些天线的共同特点就是它们的频带都很窄，这也是八木天线的特点之一。

课设报告课程名称：微波技术与天线课设题目：八木天线的仿真设计课设地点：电机馆跨越机房专业班级：信息1002班学号：学生姓名：指导教师：2013/6/27目录1、设计摘要2、设计原理3、八木天线参数选择及设计要求4、八木天线的HFSS10仿真（1）建立模型（2）确认设计(3) S参数（反射参数）（4）2D辐射远区场方向图（5）3D Polar5、仿真结果分析6、实验中的问题7、心得体会一、设计摘要八木天线又称引向天线，它由一个有源振子及若干无源振子组成的线形端射天线。

其结构示意图如下，在无源振子中较长的一个为反射器，其余的均为引向器，它被广泛应用于米波、分米波波段的通信、雷达、电视、及其它无线电系统中。

六元八木天线示意图八木天线中，有源振子可以是半波振子，也可以是折合振子一般常用折合振子，以提高八木天线的输入阻抗，以便和馈电线匹配。

主要作用是提高辐射能量。

无源振子是若干孤立的金属杆，它与馈线和有源振子不直接相连，作用是使辐射的能量集中到天线的端向。

二、设计原理：八木天线的工作原理是：有源振子被馈电后，向空间辐射电磁波，使无源振子中的产生感应电流，从而也产生辐射。

改变无源振子的长度及其与有源振子之间的距离，无源振子上的感应电流的幅度和相位也随着改变，从而影响有源振子的方向图。

若无源振子与有源振子之间的距离小于λ/4，无源振子比有源振子短时，整个电磁波能量将在无源振子方向增强；无源振子比有源振子长时，将在无源振子方向减弱。

比有源振子稍长一点的称反射器，它在有源振子的一侧，起着消弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用；比有源振子略短的称引向器，它位于有源振子的另一侧，它能增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。

通常反射器的长度比有源振子长4%～5%,而引向器可以有多个，第1～4个引向器的长度通常比有源振子顺序递减2%～5%。

本设计就是基于八木天线的基本理论的基础上，设计一个六元八木天线。

大线的基本理论幽２－５折合振子示意图图２－４半波偶极子的方向图２．２．２天线主要参数前面已经讲过，天线的基本功能是能量转换和定向辐射，天线的电参数就是能定量表征其能量转换和定向辐射的量。

天线的电参数主要有方向图、方向性系数、主瓣宽度、旁瓣电平、增益、天线效率、极化特性、驻波比、频带宽度、和输入阻抗等。

下面根据本文的研究重点对于天线的方向性系数、方向性图、天线增益和驻波比逐一做详细介绍。

一、方向系数Ｈ１。

方向性系数是一个用数字定量的衡量天线辐射电磁能量集中程度的参数，又称方向性增益。

它定义为在相同的辐射功率下，某天线产生于某点的功率通量密度与理想点源天线产生于同一点的功率通量密度的比值。

设某天线与理想点源天线的辐射功率密度分别为最和足。

，此天线在最大辐射方向１的功率通量密度和场强分别为ｓ。

和五＿，理想点源天线的功率密度与场强密度Ｓ。

和￡。

，则天线的方向性系数Ｄ为：ｃＪＦ２ＩＤ一＝卫ｌ一＝引…（２．”）５０ＩＢ．，０￡ｉｋ．是．方向性系数还可以这样来定义：在最大辐射方向的同一接收点电场强度相同的条件下，理想点源的辐射功率与有方向性天线的总辐射功率的比值，称为该天线在该点的方向性系数，即：Ｄ。

鱼ｆ是ＩＬ．岛由定义可知，由于天线在个方向辐射强度不同，Ｄ的值也随方向而异。

在辐射最强的方向上Ｄ的数值最大。

通常所说的某天线的方向系数，如果没有特别指明是哪个方向的，则都是指最大辐射方向的方向系数。

由定义可以看出，所有实际天线的方向性系数都大于１。

下面由式（２．２７）来计算天线的方向性系数的具体表达式。

仍取图２．２，若天线置于原点，取球坐标北京交通人学硕十论文３．１感应电动势法图３—１引向天线及坐标感应电动势法ｆ４】将引向天线看作幅度与相位都不均匀的端射离散直线阵，如图３，１所示的坐标系，对于图中的ｎ元引向天线，振子１为反射振子，振子２为有源振子，振子３到ｎ为引向振子，各振子的总长度分别为２ｆ。

，砬，笤，¨，现，各振子距振子１的距离分别为ｄ：，ｄ，，．．．，ｄ。

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。

天线设计流程：1.确定设计目标2.查阅资料，确定形状，给出结构图（变量形式）3.仿真建模、求解4.优化设计，确定变量值5.版图，加工，测试设计目标：设计并实现一款超宽带天线，天线馈电方式采用50Ohm微带线进行馈电，天线在3.1-10.6GHz频段范围内满足S11<-10dB，天线辐射方向图为全向。

天线介质基板采用选用介质板FR-4，其相对介电常数为4.4，厚度为h=0.8mm。

基于HFSS13.0的超宽带天线设计实例：一、建立工程菜单Project->Insert HFSS Design二、设置求解模式菜单HFSS->Solution Type->天线为Driven Modal三、天线模型建立1、设置模型尺寸长度单位菜单Modeler->Units->mm->OK单位一般设置为毫米mm。

2、天线模型结构本例天线采用的模型如图1所示，其详细结构尺寸见表1.图1超宽带平面天线结构图表1初步设计的超宽带平面天线尺寸微带线阻抗验证：1)、采用Agilent AppCAD计算2、采用LineCalc计算工具（ADS中的工具）3、输入设计参量菜单Project->Project Variables或者HFSS->Design Properties点击Add，输入w=16mm变量，详见下图依次输入表1中全部变量，最终如下图4、建立模型（1）创建介质板FR4（a）在菜单栏中点击Draw>Box，在模型窗口任意创建Box1（b）双击模型窗口左侧的Box1，改名为Substrate，在点击Material后面的按钮，选择Edit，搜索FR4，选择FR4_epoxy点击确定。

（c）双击模型窗口左侧Substrate的子目录Createbox，修改介质板大小及厚度。

介质板长l=32mm，宽w=16mm，厚h=0.8mm，如下图所示，点击确定。

（2）创建微带馈线（a）在菜单栏中点击Draw>Rectangle，在模型窗口任意创建Rectangle1（b）双击模型窗口左侧的Rectangle1，改名为microstrip，点击确定。

八木天线的设计仿真与测试一、本文概述本文旨在深入探讨八木天线的设计、仿真与测试。

八木天线，又称作Yagi-Uda天线，是一种广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域的定向天线。

其高效、紧凑和易于调整的特性使得它在众多天线类型中脱颖而出。

本文首先将对八木天线的基本原理和结构进行概述，接着详细介绍其设计过程，包括天线元素的选择、尺寸优化以及馈电方式等。

随后，本文将阐述如何利用仿真软件对八木天线进行性能预测和优化，这包括电磁场仿真、S参数分析、辐射方向图计算等关键步骤。

本文将介绍八木天线的实际测试方法，包括测试环境的搭建、测试设备的选择以及测试结果的分析和解读。

通过本文的阐述，读者将对八木天线的设计、仿真与测试有一个全面而深入的理解，为实际工程应用提供有力的技术支持。

二、八木天线设计基础八木天线，也称为Yagi-Uda天线，是一种定向天线，以其高效、紧凑和易于构造的特性而广泛应用于无线通信系统中。

其设计基础主要包括天线振子的排列、相位控制和馈电方式等方面。

八木天线由一根驱动振子（Driven Element）和若干根反射振子（Reflector）与引向振子（Director）组成。

驱动振子负责接收或发射电磁波，而反射振子和引向振子则通过调整与驱动振子的相对位置和相位，来改变天线的辐射特性。

反射振子通常位于驱动振子的后方，用于抑制后向辐射，提高天线的前向增益。

引向振子则位于驱动振子的前方，用于增强前向辐射。

相位控制在八木天线设计中至关重要。

通过调整各振子间的相位关系，可以控制天线的波束指向和宽度。

通常情况下，反射振子与驱动振子之间的相位差为180度，以产生反向电流，抵消后向辐射。

而引向振子与驱动振子之间的相位差则逐渐减小，以产生同向电流，增强前向辐射。

八木天线的馈电方式通常采用同轴电缆或波导。

馈电点的位置对天线的性能有重要影响。

通常，馈电点位于驱动振子的中点，以保证电流的均匀分布。

馈电线的阻抗匹配也是设计的关键，以确保最大功率的传输。

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八木天线的仿真设计专业班级学号姓名指导教师太原理工大学现代科技学院课程设计任务书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：专业班级信学号姓名成绩八木天线的仿真设计一、八木天线简介作为电磁换能元件，天线在整个无线电通信系统中位置十分重要，质量好坏直接影响着收发信距离的远近和通联效果，可以说没有了天线也就没有了无线电通信。

作为一款经典的定向天线，八木天线在HF、VHF以及UHF波段应用十分广泛，它全称为“八木／宇田天线”，英文名YAGI，是由上世纪二十年代日本东北帝国大学的电机工程学教授八木秀次，在与他的学生宇田新太郎研究短波束时发明的。

相对于基本的半波对称振子或者折合振子天线，八木天线增益高、方向性强、抗干扰、作用距离远，并且构造简单、材料易得、价格低廉、挡风面小、轻巧牢固、架设方便。

通常八木天线由一个激励振子（也称主振子）、一个反射振子（又称反射器）和若干个引向振子（又称引向器）组成，相比之下反射器最长，位于紧邻主振子的一侧，引向器都较短，并悉数位于主振子的另一侧，全部振子加起来的数目即为天线的单元数，譬如一副五单元的八木天线就包括一个主振子、一个反射器和三个引向器，结构如图1所示。

主振子直接与馈电系统相连，属于有源振子，反射器和引向器都属无源振子，所有振子均处于同一个平面内，并按照一定间距平行固定在一根横贯各振子中心的金属横梁上。

八木天线又称引向天线，是上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明的。

八木天线通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构成，反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且相互平行。

它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点必须与金属杆绝缘外，无源振子则都与金属杆短路连接。

因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不感应电流，也不参与辐射。

引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有源振子指向引向器的方向，所以它是一种端射式天线阵。

课设报告课程名称：微波技术与天线课设题目：八木天线的仿真设计课设地点：专业班级：学号：学生姓名：ALXB指导教师：年月日八木天线的仿真设计一、八木天线的结构及工作原理八木天线也叫做“引向天线”、“八木宇田天线”(Yagi-Uda antenna)、“寄生天线”，是一种定向天线。

这种天线是1928年由日本天线专家八木秀次和宇田太郞两人设计的。

八木天线的结构它由一个有源振子及若干无源振子组成的线形端射天线。

其结构示意图如下，在无源振子中较长的一个为反射器，其余的均为引向器。

八木天线示意图八木天线是基于普通的偶极天线发展而来的。

最简单的三单元八木天线由一位于中间的一根长度为半波长的偶极天线（有源振子）和位于偶极前后的引向器和反射器构成。

其中引向器的长度为略小于半波长，反射器的长度为略大于半波长，具体长度依据实际使用时的情况而定。

反射器与振子、振子与引向器之间的距离为四分之一波长。

增加引向器的数量可以增强天线的方向性和增益，但也会降低带宽、增加天线耦合难度。

引向器间的距离也为四分之一波长，距离振子越远，引向器应在前一引向器基础上再短一些。

也有采用多个有源阵子的八木天线。

工作原理八木天线的工作原理是：引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。

此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°；引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90°，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。

反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180°，起到了抵消作用。

一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。

发射状态作用过程亦然。

本设计就是基于八木天线的基本理论的基础上，设计一个六元八木天线。

基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计一、本文概述随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的关键组成部分，其性能对整个系统的性能具有决定性的影响。

微带贴片天线作为一种常见的天线类型，因其体积小、重量轻、易于集成和制造成本低等优点，在无线通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。

微带贴片天线的性能受到其形状、尺寸、介质基板等因素的影响，如何设计出具有优良性能的微带贴片天线成为了研究的热点。

本文旨在利用高频结构仿真器（HFSS）这一强大的电磁仿真工具，对不同形状微带贴片天线的性能进行仿真研究。

我们将对微带贴片天线的基本理论进行简要介绍，包括其工作原理、主要参数和性能评价指标等。

我们将设计并仿真几种不同形状（如圆形、方形、矩形、椭圆形等）的微带贴片天线，分析它们的性能特点，包括回波损耗、带宽、增益、方向性等。

我们将根据仿真结果，对不同形状微带贴片天线的性能进行比较和评价，以期为实际的天线设计提供有益的参考和指导。

通过本文的研究，我们期望能够为微带贴片天线的设计提供新的思路和方法，推动其在无线通信领域的应用和发展。

我们也期望通过本文的研究，能够加深对微带贴片天线性能影响因素的理解，为其他类型天线的设计提供借鉴和启示。

二、软件介绍及其在天线设计中的应用HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft 公司开发的一款三维电磁仿真软件，专门用于模拟分析高频结构中的电磁场问题。

该软件采用有限元法（FEM）进行求解，能够准确模拟包括微带天线在内的各种高频无源器件的三维电磁特性。

HFSS以其强大的仿真能力和广泛的适用性，在天线设计、微波电路、高速互连、电磁兼容等领域得到了广泛应用。

天线性能分析：通过HFSS，设计师可以分析天线的辐射性能，包括方向图、增益、效率等关键指标。

这对于优化天线设计，提高其性能至关重要。

天线结构优化：HFSS允许用户自由定义天线的几何形状和材料属性，通过参数化扫描和优化算法，找到最优的天线结构，从而提高其性能。

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.。