基于HFSS的天线设计研究及其应用

第２６卷第５期２０１０年９月齐齐哈尔大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｉｑｉｈａｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶ０１．２６．Ｎｏ．５Ｓｅｐ．，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“’。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，冈此可以方便地光刻，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伫１。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２Ｘ４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４Ｘ２４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６～８ｄＢ，为了实现远距离传输和获得

- 14 - Ansoft2004年用户通讯

应用HFSS9.0设计波导裂缝驻波阵天线

范景云

微波成像技术国家重点实验室 中国科学院电子学研究所 北京 100080

摘要 传统的波导裂缝天线设计方法非常复杂，且天线研制周期长，本文借助高频结构分析软件

HFSS9.0的优化功能给出了一种简便的矩形波导宽边纵向裂缝驻波阵的设计流程，并进行了仿真。仿真结

果与理论计算结果基本符合，利用HFSS9.0进行辅助设计的方法可以大大缩短天线研制周期。

关键词 波导裂缝，驻波阵天线，HFSS，优化

一、 引 言

在机载雷达天线中，波导裂缝天线阵是应用最广泛的形式之一。波导裂缝天线容易实现口径面的幅度分布和相位分布，

口径面的利用系数高，而且它可满足雷达系统对天线增益高、副瓣低、体积小、重量轻的要求，所以在机载雷达中获得了

广泛应用。

在阵列天线的条件下，必须考虑裂缝间的互耦影响。一般来说，在实际天线应用中，通过实验测量阵列之间的互耦误

差较大，且实验工作量很大。所以，非常有必要利用计算机仿真来部分代替常规的实验工作。Ansoft-HFSS软件采用有限

元法（FEM）解决三维电磁场问题，求出S、Y、Z参数，还可以得到场的方向图。

矩形波导宽边纵向裂缝驻波阵列的应用比较广泛，但对于谐振长度的求解，一直没有给出明确的理论推导和计算公式。

本文给出分析设计流程，讨论了HFSS在设计中的应用，尤其在求解谐振长度时的快速简便的方法，通过设计实例可以看

出仿真结果与理论计算结果十分接近，验证了此方法的正确性。

二、 波导纵向裂缝驻波阵的设计

右图为矩形波导宽边纵向裂缝阵天线的结构示意图。

图1 波导纵向裂缝阵天线结构示意图

图中，a为波导宽度，b为波导高度，t为波导壁厚，w为裂缝宽度，d为相邻裂缝间距，l为裂缝长度，x为裂缝相对波

导宽边中心线的偏移量。根据Elliott设计裂缝天线阵的基本理论，波导纵向裂缝驻波阵天线可以等效为图2的传输线模型[1]：

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。

PCB天线设计及HFSS仿真分析

一、 PCB天线简介：

（1）概念：PCB天线顾名思义就是指印制在PCB电路板上的天线，其具有制造简单和成本低等优点，广泛应用于蓝牙(Bluetooth)、WiFi、无线鼠标、Zigbee等近距离无线设备中。

（2）天线的发展历程即其发展的主要原因：

1、 天线发展史：半波偶极子天线->单极子天线

其中，单极子天线包括：倒L天线、蛇形倒L天线、倒F天线和蛇形倒F天线；

2、半波偶极子天线：全向天线2.15dB（双向，天线总长为工作波长的1/2，且（在馈点处）上下对称【各为工作波长的1/4】）；

3、单极子天线：长度为半波偶极子天线的一半，即天线总长为工作波长的1/4（故辐射空间为半波偶极子天线的一半、输入阻抗减小一半）

为减小单极子天线的尺寸（缩小占用PCB板的空间），单极子天线又可设计为：倒L天线（ILA）->蛇形倒L天线（MILA）【其占用空间更小】（他们的长度则不一定就是标准的工作波长的1/4，需结合实际，仿真分析，调试）

4、倒F天线：（由于倒L天线的输入阻抗不好调节->引出倒F天线），也属于单极子天线的一种。（注：天线标准输入阻抗为50欧姆）

天线的阻抗分布规律：输入端最小，末端最大

故：在天线输入阻抗为50欧姆的地方引出一个馈点，即实现了把天线的输入阻抗控制在标准的50欧姆

倒L天线->倒F天线（调节输入阻抗）->蛇形倒F天线（缩小占用PCB的空间）

5、天线的工作频率决定性因素是天线长度（决定性因素），天线长度应介于介质波长的1/4和自由空间波长的1/4 之间；

6、影响天线质量的主要因素：PCB板材（FR4）、PCB板厚、PCB板参考地面的尺寸、天线走线的宽度、天线位置、外壳

故不能直接复制别人的天线，需进行仿真分析和设计

具体查看lec02.pdf……

二、 用HFSS设计实例即具体操作：

现以2.4GHZ ISM （工作频段为2.4G HZ ~ 2.4835G HZ）Bluetooth/Wifi PCB天线为例，取其中心频率为2.45G HZ。