阵列天线HFSS分析实例.docx

【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。

利用ADS和HFSS仿真微带天线案例01矩形微带天线设计原理在工程上，微带天线采用传输模法设计，在PCB板上实现，如图1(a)所示：L是微带天线长边，电场正弦变化；W是其宽边，天线的辐射槽便是宽边的边沿；ΔL是由边沿电容引起的边沿延伸。

图1(b)给出其等效电路图，可看成源阻抗通过长为L+2ΔL的传输线与负载阻抗ZL 相连，其中ZS=ZL是辐射槽的阻抗；Zin是从输入端口位置的辐射槽向里看的输入阻抗，即不包含第一个辐射槽阻抗在内的输入阻抗。

由具有任意负载阻抗的一段传输线的输入阻抗公式可得（微波工程51页）：其中，Z0为宽度W的微带线的特性阻抗，β为传播常数。

谐振时，把(2)带入(1)式得到：Zs=Zin=ZL。

这也表明半波长线不改变负载阻抗。

ΔL、εe由以下两个式子确定。

其中，W为微带天线的宽边；h为介质板的厚度；εr为相对介电常数。

W值不是很关键，通常按照下面的式子确定：02矩形微带天线ADS仿真设计。

要求：PCB基片εr=3.5，厚度h=1mm，导体厚度T=0.035mm，工作频率3GHz，输入阻抗50Ω。

2.1 几何参数计算根据式（2）-（5）计算天线几何参数。

2.2 馈线设计、ADS LineCalc工具使用（1）启动LineCalc,如图2所示。

（2）Substrate Parameters 栏中，设置PCB参数；Component Parameters 栏中，设置频率；Electrical 栏中设置阻抗和电长度。

具体设置如下：相对介电常数Er: 3.5介质厚度H: 1mm导体厚度T：0.035mm工作频率Freq:3GHz特征阻抗Z0=50Ω电长度E_Eff:180°其他为默认值。

（3）设置完成后，将Physical 栏中W和L的单位改成mm，然后点击Synthesize 栏下的“向上箭头”按钮，在Physical 栏中得到馈线的宽度为2.219360mm，长度为30.162200mm。

第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。

在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性良好，工程上实现比较方便。

关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1]。

微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。

微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。

利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。

本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。

1 微带阵列及馈电网络损耗分析1.1 微带阵列理论微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。

HFSS天线仿真实验报告半波偶极子天线设计通信0905杨巨U2009138922012-3-7半波偶极子天线设计半波偶极子天线仿真实验报告一、实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图特性等4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法二、实验仪器1、装有windows系统的PC一台2、 HFSS13.0软件3、截图软件三、实验原理1、首先明白一点:半波偶极子天线就是对称阵子天线。

2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。

一臂的导线半径为a，长度为l。

两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。

对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。

3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。

取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为:式中，Im为天线上波腹点的电流;k=w/c为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点;电流分布关于振子的中心店对称;超过半波长就会出现反相电流。

4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。

利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。

1 / 8半波偶极子天线设计电流元I(z)dz所产生的辐射场为图2 对称振子辐射场的计算如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为其中5、方向函数四、实验步骤1、设计变量设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。

提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化2、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。

其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。

基于HFSS的微带天线线阵仿真本文将介绍基于HFSS（High Frequency Simulation Software）的微带天线线阵仿真。

我们将确定文章类型为议论文，围绕HFSS技术和微带天线线阵仿真展开论述。

在无线通信领域，微带天线作为一种常见的天线类型，具有体积小、易于集成、易于共形等特点，被广泛应用于各种无线设备中。

为了优化微带天线的性能，常常需要对天线进行仿真和设计。

其中，HFSS是一款广泛使用的三维电磁仿真软件，可以用于微带天线的设计和仿真。

我们来了解一下HFSS的基本原理。

HFSS是一款基于有限元方法的电磁仿真软件，通过建立三维模型，对电磁场进行数值计算和仿真。

使用HFSS进行微带天线线阵仿真时，我们需要建立天线的三维模型，设置材料属性、边界条件和激励源等参数，然后进行计算和后处理。

在微带天线线阵仿真中，选用HFSS技术的原因主要有以下几点。

HFSS 可以精确地模拟电磁场分布和天线性能。

HFSS具有强大的网格划分功能，可以对复杂的微带天线结构进行精确的建模和仿真。

HFSS还提供了丰富的数据处理和可视化工具，方便用户对仿真结果进行分析和优化。

在进行微带天线线阵仿真时，需要注意以下几点。

需要对微带天线线阵的结构进行仔细设计，确保天线的性能符合要求。

在设置材料属性和边界条件时，需要充分考虑天线的实际情况，保证仿真的准确性。

在仿真过程中，需要对计算时间和计算精度进行合理控制，以获得最佳的仿真效果。

通过使用HFSS进行微带天线线阵仿真，我们可以获得以下成果。

我们可以得到天线的辐射特性和阻抗特性等关键性能参数。

我们可以观察到电磁场的分布情况，以及天线在不同频率和不同方向上的性能表现。

我们可以根据仿真结果对天线进行优化设计，提高天线的性能指标，例如增益、波束宽度、交叉极化等。

基于HFSS的微带天线线阵仿真是一种有效的天线设计和优化方法。

通过使用HFSS进行仿真和分析，我们可以快速地获得天线的性能参数和电磁场分布情况，从而更好地理解微带天线的性能和设计要点。

HFSS 仿真2×2线极化矩形微带贴片天线阵微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点，在通信、卫星电视接收、雷达、遥感等领域得到广泛应用，它一般工作在100MHz-100GHz 宽广频域的无线电设备中，而矩形微带天线是微带天线最常用的辐射单元，它是一种谐振型天线，通常在谐振频率附近工作。

C 波段，是频率在4—8GHz 的无线电波，通常的上行频率范围为5.925—6.425GHz ，下行频率范围为3.7—4.2GHz 。

雷达天线具有将电磁波聚成波束的功能，定向地发射和接收电磁波。

本实验采用HFSS13.0设计了一款工作于C 波段中心频率在5.75GHz 的矩形贴片线极化微带雷达天线阵列，根据理论经验公式初步计算出矩形微带贴片天线的尺寸，然后在HFSS13.0里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，对天线的结构进行优化，直到天线的中心频率为5.75GHz 为止。

1 单个侧馈贴片天线的仿真1.1 矩形贴片天线的设计导波波长g λ，矩形贴片天线的的有效长度e L 2/g e L λ= ， e g ελλ/0=有效介电常数为e ε，r ε为介质的介电常数211212121-⎪⎭⎫⎝⎛+-++=w h r r e εεε矩形贴片的实际长度为L ， L=e L －2L ∆=e ελ2/0－2L ∆=ef c ε02－2L ∆0f 天线的实际频率，L ∆微带天线等效辐射缝隙的长度()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=∆h W h W hL eeεε矩形贴片的宽度为W210212-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=r f c W ε基片尺寸取：g L LG λ2.0+≥ ，g W WG λ2.0+≥介质板材为Rogers RT /duroid 5880，其相对介电常数r ε=2.2，厚度h=2mm ，损耗角正切为0.0009。

在设计过程中，我们假设贴片、微带线的厚度t 与基片厚度相比可以忽略不计，即005.0/≤h t ，在设计过程中，我们令t=0。

平面结构阵列天线的仿真分析张健;刘晓倩;刘燕;李茹【摘要】由于各种微波射频系统对天线性能的要求越来越高,单个天线不易实现,而阵列天线通过对阵元数量、结构形态、排列方式、馈电幅度和相位的选择与优化,可得到单个天线元无法实现的辐射特性.以对微带天线的矩形贴片的分析为基础,完成Ku波段的4元线极化微带阵列天线设计.利用HFSS仿真软件构建阵列天线的物理模型,利用HFSS宏定义优化天线的尺寸参数,通过数据后处理得出驻波特性、3D增益、增益方向图和电场方向图等曲线.仿真结果表明,该4元微带阵列天线具有低副瓣、高增益特性,可满足天线工程需要.【期刊名称】《微处理机》【年(卷),期】2019(040)003【总页数】6页(P34-39)【关键词】微带阵列天线;馈电网络;Ku波段【作者】张健;刘晓倩;刘燕;李茹【作者单位】西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124;西北工业大学明德学院信息工程学院,西安710124【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;TN821.81 引言随着现代雷达和通信技术的蓬勃发展，各种微波射频系统对天线性能的要求日趋具体和严格。

因微带天线自身独特的优点，在通信、雷达等多个领域已被广泛应用，这就要求阵列天线不仅要具有特定形状的波束，还要结构紧凑，且体积和重量尽可能小，以满足不同条件下的工程需要。

阵列天线是由若干个天线单元按一定方式排列并给予适当激励获得预定方向图特性的天线；阵列天线的方向图特性是由天线单元数目、各单元间距、排列形式、幅度和相位五个要素确定的，同时还要考虑阵元自身的特性对阵列天线的影响。

阵列天线在结构上由载流线元、口径面元、尺寸较小的微带贴片等组成。

通过对阵元数量、结构形态、排列方式、馈电幅度和相位的选择与优化，可得到单个天线元无法实现的辐射特性。

因此，研究具有低副瓣、高增益特性的微带阵列天线的小型化、轻量化、高机动性，具有重要的工程意义。

2X2相控阵天线仿真分析温州大学 张文杰（wjzhg@）一、仿真分析软件HFSS13.0二、基本单元天线特性作为相控阵天线的基本单元，贴片天线的结构如下：2.1如下图，单元天线的回波损耗约‐20dB，中心频率0.889GHz2.2天线的增益方向图最大增益约7.2dB，最大辐射方向在Z轴方向，。

‐3dB夹角约81°.天线输入阻抗约（40+j2）ΩZ=（0.8+j0.04）X50=(40+j2)Ω三、2X2相控阵天线的模拟分析3.1相控阵天线布局四个单元呈矩形分布：上面二个，下面二个。

上面二个天线的中心矩为160mm（X方向,矢量U） ; 上下二个天线的中心矩为130mm（y方向，矢量V）。

z方向为平面法线方向。

设垂直矢量为U，水平矢量为V。

V矢量保持相位为0°不变，U矢量可在-90°到90°之间通过移向控制板设定或连续扫描。

理想状态下，即忽略连线及功率分配器阻抗适配引入的损耗和天线间相互干扰的情况下，几种典型情况仿真分析如下。

3.2 UV矢量同相位情况UV矢量同相位均为0°，天线总增益约13dB,X,Y方向‐3dB夹角为47°左右3.3 U 矢量为90°时U 矢量为90°时，天线总增益约12dB ，X 方向‐3dB 夹角为61°（‐52~9°），Y 方向约57°（‐30~27°）。

见下图。

3.4 V矢量为0°U矢量为‐90°时V矢量为0°U矢量为‐90°时，天线总的最大增益约12dB。

‐3dB角X方向59.5°（‐9.5~50°），Y方向约57°（‐30~27°）3.5 相控阵天线主要特点总结1、当V 矢量保持相位0°不变，U 矢量相位在‐90~90°之间扫描时，‐3dB 辐射角约为102°（‐52~50°）。

第二章创建项目本章中你的目标是：√保存一个新项目。

√把一个新的HFSS设计加到已建的项目√为项目选择一种求解方式√设置设计使用的长度单位时间：完成这章的内容总共大约要5分钟。

一.打开HFSS并保存一个新项目1.双击桌面上的HFSS9图标，这样就可以启动HFSS。

启动后的程序工作环境如图：图2－1 HFSS工作界面1．打开File选项(alt+F),单击Save as。

2．找到合适的目录，键入项目名hfopt_ismantenna。

图2－2 保存HFSS项目二.加入一个新的HFSS设计1．在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。

( 或直接点击图标。

)一个新的工程被加入到hfopt_ismantenna项目中，默认名为HFSSModel n。

图2－3 加入新的HFSS设计2．为设计重命名。

在项目树中选中HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击Rename项，将设计重命名为hfopt_ismantenna。

图2－4 更改设计名三.选择一种求解方式1．在HFSS菜单上，点击Solution Type选项.2．选择源激励方式，在Solution Type 对话框中选中Driven Mode项。

图2－5 选择求解类型图2－6 选择源激励方式四.设置设计使用的长度单位1.在3D Modeler菜单上，点击Units选项.2.选择长度单位，在Set Model Units 对话框中选中mm项。

图2－5 选择长度单位图2－6 选择mm作为长度单位第三章构造模型本章中你的目标是：√建立物理模型。

√设置变量。

√设置模型材料参数√设置边界条件和激励源√设置求解条件时间：完成这章的内容总共大约要35分钟。

一.建立物理模型1．画长方体。

在Draw菜单中，点击Box选项（或直接点击图标）；图3－1 通过菜单加入一个Box2．输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标为(x=-22.5mm,y=-22.5mm,z=0.0mm); 按下Enter键后输入三边长度：x方向45mm, y方向45mm, z方向5mm。

(word完整版)HFSS_V13天线仿真基本操作指南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阵列增益计算问题
HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款广泛使用的电磁仿真软件，主要用于高频电磁波的模拟和仿真。

阵列增益是天线阵列的一个重要参数，用于描述阵列天线在特定方向上的辐射强度。

在HFSS中，阵列增益的计算通常涉及以下几个步骤：
1. 建立模型：首先需要在HFSS中建立阵列天线的模型。

这通常涉及多个相同的天线单元，每个单元具有相同的幅度和相位分布。

2. 设置边界条件和激励：需要为模型设置合适的边界条件，如开放边界或完美匹配层（PML）。

此外，还需要为每个天线单元设置合适的激励，以产生预期的幅度和相位分布。

3. 求解频率和扫描角度：在设置好模型和边界条件后，需要指定求解的频率和扫描的角度范围。

这将决定阵列天线在各个方向上的辐射特性。

4. 后处理：在求解完成后，需要进行后处理来提取阵列增益。

这通常涉及绘制阵列天线在各个方向上的辐射强度。

具体操作步骤可能会根据HFSS的版本和具体需求有所不同。

建议查阅HFSS的官方文档或相关教程，以获取更详细的信息和具体的操作步骤。