AnsoftHFSS设计圆极化微带天线阵

第５期基于ＨＦＳＳ的４×２４微带阵列天线的研究与设计３ＨＦＳＳ仿真设计结果及分析３．１ＨＦＳＳ仿真设计平台ＨＦＳＳ是Ａｎｓｏｆｔ公司推出的ｊ维电磁仿真软件，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ｉ维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。

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ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ和ＡｎｓｏｆｔＤｅｓｉｇｎｅｒ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。

ｈｎｍ（ａ）矩形微带贴片模型（”２Ｘ４子阵形式图２插槽型微带贴片与子阵天线结构图３＿２阵列天线的整体仿真利用ＨＦＳＳ进行微波无源器件及电路的设计大体经过物理建模、给模型参数赋予初值、运行仿真、参数调整优化等步骤。

在进行计算机建模之前，需要经过详细的理论分析过程，利用微带天线工程设计的相关经验公式来确定相关尺寸数据，理论分析大体经历分析数据、全波仿真分析优化贴片尺寸、馈电网络设计等步骤。

利用ＨＦＳＳ软件对由ＲＣＬ馈电网络的２Ｘ４微带子阵进行了仿真，建立的互维物理模型如图３所示，通过数据后处理就可以得出全向电场方向图和全向增益方向图，分别如图４和图５所示。

按照阵列天线方向图叠加原理和模块化的设计方法，可以得出４×２４结构微带阵列天线的整体Ｅ面和Ｈ面方向图，如图６所示。

通过２ｘ４微带子阵的全向电场方向图和全向增益方向图可知，天线最大估计电场强度为５．５Ｖ，天线最大估计增益为４ｄＢ。

- 122 - Ansoft2004年用户通讯用HFSS 对宽波束圆极化天线的设计房丽丽 应子罡 吕昕（北京理工大学 信息科学技术学院100081）摘要：本文用HFSS 设计了一种新型的螺旋天线结构，将角锥螺旋与四臂螺旋的结构巧妙的结合起来，并采用了自相移结构及渐进式的平衡馈电，经HFSS 对其辐射特性进行分析以及实测结果，都说明该种天线在实现宽波束圆极化的同时，展宽了频带，且结构简单。

关键词：圆极化 HFSS 螺旋天线一 引言星上测量装置及其他空间通讯设备上，需要天线具有宽波束、圆极化的性能，圆锥螺旋天线、谐振式四臂螺旋天线和微带天线都可以形成半球形的圆极化方向图。

但是考虑到天线装载在太空中，要受到高能粒子、宇宙射线的影响，以及大的温度交变，如果用微带天线的话介质层可能变脆剥落。

另外，微带天线不容易实现高的增益。

相比较下，螺旋天线不仅可以实现宽波束圆极化，还具有体积小、重量轻、结构稳定的优点，引起广泛的重视和应用。

我们这里提出了一种新型的螺旋结构，将圆锥螺旋天线与四臂螺旋天线结合起来，采用自相移实现90°相位差，采用渐变式的平衡馈电。

经过HFSS 仿真分析和实际测试，都说明该天线在实现宽波束圆极化的同时，展宽了频带，结构简单紧凑。

二 螺旋天线的结构1. 辐射部分角锥螺旋天线有单螺旋、双臂螺旋等形式，这里我们采用单臂螺旋角锥螺旋天线，可以表示为ϕρρb +=0 （1）其中，ρ为圆锥顶点到螺旋线任一点的距离，ρ0为圆锥顶点到螺旋线起点的距离，b 为常数，由圆锥的锥角和螺旋线的包角决定。

谐振式四臂螺旋部分由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂到馈电点的长度为M λ／4(M 为整数)．四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差90º；非馈电端开路(M 为奇数时)或短路(M 为偶数时)。

我们将角锥螺旋与四臂螺旋的结构结合起来。

其中，四臂螺旋的相位差通过同轴馈线末端开四个槽，分成四部分，每部分的末端与四臂螺旋的臂相连。

基于HFSS的圆极化微带天线分析与设计作者：吴峻岩陶琴于家傲来源：《科技信息·上旬刊》2018年第06期摘要：随着时代的发展，圆极化微带天线的应用范围逐渐扩大，其在实际应用中具有成本低、集成性高以及重量轻等特点。

基于此，本文将在HFSS的基础上，分析圆极化微带天线，并研究基于HFSS的圆极化微带天线设计方法，其中主要包括圆极化微带天线的应用性质、圆极化微带天线中馈电网络的选择、圆极化微带天线中的抗干扰算法以及圆极化微带天线的性能指标设计。

关键词：HFSS软件；圆极化微带天线；馈电网络前言：随着时代的发展，圆极化微带天线中的应用技术也越来越成熟，圆极化微带天线在实际应用的过程中能够提升接收效率以及信息传播速度，与传统天线相比具有较高的应用效率。

加上圆极化微带天线还能够在电离层的过程中产生法拉第螺旋效应，提升了圆极化微带天线的应用质量。

本文在研究圆极化微带天线的过程中，将会在HFSS的基础上对其展开研究设计，最终达到提升圆极化微带天线设计质量的目的。

一、HFSS的基础上的圆极化微带天线HFSS是一种辅助软件，在设计圆极化微带天线的过程中，能够帮助设计人员对其中的数据参数展开分析，提升最终圆极化微带天线的设计质量。

在此过程中还可以利用HFSS软件对圆极化微带天线中的影响因素展开分析，避免在实际圆极化微带天线设计中出现设计问题，在此基础上制定出最优设计方案。

由此可以看出，利用HFSS对圆极化微带天线展开设计，能够在降低圆极化微带天线设计难度的同时，提升最终圆极化微带天线的设计质量。

微天线最早出现在1953年，将辐射贴片贴在不同的介质基板中，其中介质基本的厚度小于微电天线的波长，微带天线在实际应用过程中具有性能高、外形小以及设计简单等优点，被广泛应用在卫星导航系统以及无线通信中。

例如，在卫星导航系统应用的过程中，可以根据单馈圆偏振发原理，保证微带天线中L/S波段双频导航天线的应用质量，进而提升系统短消息的通信功能以及定位功能。

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。

宽带圆极化微带天线设计关键词：微带天线，X波段，设计，分析，HFSS，仿真目录1 绪论 (1)1.1 本课题研究背景 (1)1.2 微带天线的发展 (1)1.3 微带天线的优缺点 (2)1.4 本课题研究内容 (3)2 微带天线基本概念及原理 (5)2.1 天线的基本概念 (5)2.2 天线的辐射原理 (6)2.3 天线的基本参数 (6)2.3.1 天线的极化 (7)2.3.2 天线方向图的概念 (7)2.3.3 天线输入阻抗的计算方式 (8)2.3.4 天线的谐振频率与工作频带宽带 (8)2.3.5 天线的驻波比 (9)2.4 微带天线的简介 (10)2.4.1 微带天线的结构与分类 (10)2.4.2 微带天线的辐射机理 (10)2.4.3 微带天线的形状 (11)2.5 微带天线的分析方法 (11)2.5.1 传输线模型法 (11)2.5.2 空腔模型法 (13)2.5.3 积分方程法 (13)2.6 微带天线的馈电方法 (14)2.7 微带天线圆极化技术 (15)2.7.1 圆极化天线的原理 (15)2.7.2 圆极化实现技术 (16)3 宽带异形贴片微带天线设计 (21)3.1 微带天线的仿真 (21)3.2 Ansoft HFSS高频仿真软件的介绍 (21)3.3 HFSS对具体实例的仿真 (21)3.3.1 选取微带天线模型 (21)3.3.2 微带天线的仿真优化 (23)4 双点馈电圆形圆极化微带天线设计 (35)4.1 HFSS对圆极化微带天线的仿真 (35)4.1.1 选取圆极化微带天线模型 (35)4.1.2 圆形圆极化微带天线的仿真优化 (35)5 总结结论及展望 (41)参考文献 (42)1 绪论1.1 本课题研究背景天线作为电磁波的发射和接收装置，在无线通信和雷达系统中有着不可替代的作用。

自19 世纪初首次在跨越大西洋的无线通信使用天线以来，无数科学家投身到了天线的研究当中。

一种以利用Ansoft HFSS软件对天线性能进行分析的
圆极化微带天线的设计
 0 引言
 微带天线由于独特的结构和多样化的性能，在各种无线电设备上得到了广泛的应用。

和常用的微波天线相比，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体（如飞行器）共形等优点。

其中圆极化微带天线，由于它能够接收任意极化的来波，并且其产生的圆极化辐射波可以被任意极化的天线所接收，从而越来越受到人们的关注。

用微带天线产生圆极化辐射波的关键是产生两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波。

 本文研究了一种中心开槽的圆极化缝隙微带天线，并用Ansoft HFSS软件对天线性能进行分析，设计了一种超高频圆极化微带天线。

1 天线理论分析与设计
 1．1 圆极化理论
 根据腔模理论可知，一个形状规则的单片微带天线由一点馈电可产生极化。

HFSS 天线设计实例这是一种采用同轴线馈电的圆极化微带天线切角实现圆极化设计目标!（具体参数可能不精确，望大家谅解）主要讲解HFSS操作步骤!GPS微带天线:介质板:厚度:2mm,介电常数：2。

2，大小:100mm*100mm工作频率：1.59GHz，圆极化（左旋还是右旋这里不讲了哈),天线辐射在上半平面覆盖！50欧同轴线馈电，1、计算参数首先根据经验公式计算出天线的基本参数，便于下一步建立模型。

贴片单元长度、宽度(正方形贴片长宽相等)、馈电点位置，分离单元长度.下表是经HFSS分析后选择的一组参数：2、建立模型首先画出基板50mm*50mm*2mm 的基板起名为substrate介电常数设置为如图2。

2的,可以调整color颜色和transparent透明度便于观察按Ctrl+D可以快速的使模型全可见！按住Ctrl+Alt键,拖动鼠标可以使3D模型自由旋转同理，我们画贴片：1、在基板上画出边长65mm(假设用公式算出的是这么多）的正方形2、起名为patch，颜色选绿色,透明度设为0。

5画切角是比较麻烦的1、用画线条工具,画三线段,坐标分别是0。

5.0, 5。

0。

0, 0.0。

02、移动三角形，选中polyline1，选菜旦里edit\Arrange\move，先确定坐标原点或任一点为基准点，将三角形移动到左上角和贴片边沿齐平.3、复制三角形，选中polyline1，选菜单里edit\arrange\duplicate\around axis，相对坐标轴复制，角度换成180，然后在右下角就出现了相对称的另一个三角形.4、从patch上切掉对角上的分离单元polyline1和polyline1_1：选中patch、polyline1和polyline1_1，选菜单里3D modeler\Boolean\Subtract把polyline1和polyline1_1从patch上切掉最后剩下先在介质板底面画一个100mm＊100mm的正方形作为导电地板。

1.引言在实际应用中,考虑到空气动力学以及需要减小阵列天线的雷达散射截面等方面的要求,常常要求阵列天线与某些形状的载体共形,例如飞机、导弹等运动平台。

在实际应用中,经常需要实现宽角域的阵列覆盖,而采用直线阵或平面阵往往难以实现以上角域覆盖的要求,常常需要将阵列共形安装在一个固定形状的表面上,从而形成非平面的共形天线阵[1,2,3,4]。

非平面共形阵的结构形式与直线阵和平面阵相比较复杂,对非平面阵的分析与综合通常也不同与直线阵和平面阵。

在对非平面阵的分析与综合时要注意以下几点。

首先,由于阵列单元的位置不在同一平面上,且平面间距通常并不相等,阵列因子与单元方向图无法分离,而阵因子往往也不是一个简单的多项式,因而对非平面阵的方向图的分析综合通常是复杂的。

其次,曲面上各单元的方向图可能各不相同,甚至可能产生严重畸变,导致较高的副瓣和较差的扫描特性。

第三,由互相不平行的表面上的阵列单元产生的辐射极化通常是不一致的,而这将引起严重的交叉极化。

2.圆环阵理论基础由于圆形阵列[5,6]的诸多优点,在基站天线、无线电测向、雷达、导航等设备中得到了广泛的应用。

最简单的圆阵是单层圆阵,其结构如图1所示。

则该阵列的场强方向函数为E n (r,θ,φ)=Nn =1!a n e-jkR nR n(3-28)式中,R n 为第n 个单元到观察点的距离R n =(r 2+a 2-2racos φ)1/2(3-29)在r>>a 的情况下R n ≈r-acosn φn =r-asin θcos(φ-φn )(3-30)其中,φn 为第n 个单元在水平面上的位置。

图1N 单元阵结构在远场条件下1/R n =1/r(3-31)因此,式(3-28)可简化为E n (r,θ,φ)=e -jkrr Nn =1!a n e+jkasin θcos (φ-φn )(3-32)又因为第n 个点源的电流可记为=I j α(333)于是,式(3-32)可进一步简化为E n (r,θ,φ)=e-jkrrAF(θ,φ)(3-34)AF(θ,φ)=N n =1!I n ej kasin θcos(φ-φn)+α#$n(3-35)3.天线单元设计图2天线单元结构示意图采用介电常数εr=2.65,介质板厚h=1m m,设计天线单元[7,8],结构尺寸如图2所示,a=57.5mm,b=57.9m m,L 1=6.8mm,L 2=17.8mm,L3=5.8m m,L 4=47.3m m,应用Anso ft HFS S 软件进行仿真,如图3所示,天线的阵中方向图与平面微带天线的方向图比较,可知,微带天线共形后,天线的增益下降,主波瓣变化很小,但后瓣电平增大。

一种双层圆极化微带天线仿真与设计F.1.1 1设计指标：工作频段：L1：1.575GHz±6MHz L2：1.227GHz±6MHz输入阻抗：50Ω驻波比：≤2极化方式：右旋圆极化轴比：≤3dB一. 开始：一）开启Ansoft HFSS 131. 进入Ansoft HFSS 13，点击Microsoft中的开始菜单，选择程序，然后选择Ansoft HFSS 13程序组。

点击HFSS 13。

二）设置工具选项注意: 在这个例子中，根据以下的步骤大纲来核实其中工具选项的设置：1. 选择菜单Tools > Options > HFSS Options2.HFSS Options窗口:1）选择点击Generala.确认该项“Use Wizards for data entry when creating new boundaries”前打勾；b.确认该项“Duplicate boundaries with geometry”前打勾；2）点击OK按钮。

3. 选择菜单Tools > Options > 3D Modeler Options.4. 在3D Modeler Options窗口中:1）选择点击Operationa.确认该项“Automatically cover closed polylines”前打勾；2）选择点击Drawingb.确认该项“Edit property of new primitives”前打勾；3）点击OK按钮。

三）建立一个新的项目1. 在Ansoft HFSS窗口中，在工具条中点击，或者在菜单条中选择File>New2. 从Project中，选择Insert HFSS DesignF.1.1 2四）设置求解类型1. 选择菜单HFSS>Solution Type2. 在Solution Type的窗口中，选择Driven Modal3. 点击OK按钮F.1.1 3二. 建立3D模型一）设置模型单位1. 选择3D Modeler>units2.设置模型单位，选择单位：mm3.点击OK按钮F.1.1 4二）建模1.添加变量右击HFSSDesignl，选择Design Properties，按表格数据依次添加表1数据。