阵列天线HFSS分析实例

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]：图2 波导纵向裂缝阵天线的传输线模型为了获得驻波阵列，将辐射波导的一端短路，相邻裂缝与短路板的距离为4/g λ[2]。

第1节未开槽的手机平面倒F天线（PIFA）图1 手机PIFA天线的三维图1.1 建立模型天线的HFSS模型如表1及表2表1 手机PIFA天线三维体模型表2 手机PIFA天线的二维面模型在HFSS中建立新的工程，在HFSS>Solution Type中选择Driven Modal。

在Modeler>Units中选择mm。

（1）创建手机电路板gnd，设置为perfect E。

（a）由工具栏选择yz平面，点击Draw Rectangle ，输入顶点位置坐标，按回车键之后，输入矩形的尺寸。

选择，点击画图的窗口，将窗口中的矩形调整到合适大小。

双击中的rectangle1，将name栏的rectangle1改为名字gnd （b）为GroundPlane设置理想导体边界。

点击HFSS>Boundaries>Assign>Perf E在理想边界设置中，将理想边界命名为PerfE_gnd（2）创建天线底座，材料的相对介电常数为3.3。

（a）点击Box，起始点位置坐标(0mm,0mm,0mm.)，长方体X,Y,Z三个方向的尺寸：dx=8mm，dy=30mm，dz=-28mm，在属性中将长方体改名chassis（如图2）。

图2 chasiss与gnd（b）将材料的相对介电常数设置为3.3。

双击chassis，进入Attribute界面，点击Material右侧的栏目选择Edit（如图3（a）），进入Self Definition界面（如图3（b）），点击Add Material进入View/Edit Material界面。

Material name设为plastic，点击确定，回到Self Definition界面，选择plastic，点击确定，回到Attribute界面，此时Material右侧栏目变为“plastic”，点击确定。

（a）(b)(c)图3 设置材料界面（3）创建Patch，设置为perfect E。

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。

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。

3、设置端口激励半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。

内容概述设计指标和天线尺寸计算HFSS设计流程1.重命名工程文件为：MSAntenna，设计名称为：Patch2.设置求解类型为：模式求解3.设置默认单位：mm4.创建参考地4.1创建4.2修改属性4.3修改参数（-45，-45,0），X=90，Y=904.4设置边界条件为：理想导体边界条件5.创建介质层5.1创建长方体5.2修改属性：Substrate，材料为Roger RO4003，颜色为墨绿，透明度0.65.3修改参数：顶点（-40，-40,0）X=80；Y=80；Z=56.创建微带辐射源6.1创建长方形6.2修改属性：Patch，铜黄，0.46.3修改参数：顶点（-15.5，-20.7，5）X=31;Y=41.46.4设置边界条件为：理想边界条件7.创建同轴馈线7.1创建圆柱体7.2修改属性：Feed，材料：pec；7.3修改参数：圆心（9.5,0,0），r=0.5；H=58.创建馈点孔8.1创建圆面8.2修改属性：Port8.3修改参数：圆心（9.5,0,0），r=1.58.4相减：GND-Port（保留Port平面作为集总端口平面）8.5设置Port端口为：集总端口8.5.1设置积分校准线：起始点（10,0,0）dX=1，dY=0，dZ=09.设置辐射边界条件9.1创建长方体9.2修改属性：Air，0.89.3修改参数：顶点（-80，-80，-35），X=160,Y=160,Z=759.4设置辐射边界条件10.添加求解设置项：频率：2.45GHz，最大迭代次数：1511.添加扫频设置项：类型：Fast，范围：1.5-3.5GHz，步长：0.0212.设计检查13.运行分析14.查看谐振点14.1标记谐振点15.由于没有达到设计要求，所以需要优化设计16.添加变量：Length：31mm；Width：41.4mm；Xf：9.5mm17.应用变量17.1Patch：X=Length；Y=Width17.2Feed：顶点坐标（Xf，0，0）17.3Port：顶点坐标（Xf，0,0）18.修改扫频范围为：范围：2.2-2.8GHz，步长：0.05GHz19.Length参数扫描分析：范围：28-31mm，步长：0.5mm 19.1设置19.2分析Length对谐振点的影响19.3查看分析结果19.4结论：Length=29.5mm时，接近2.45GHz20.Width参数扫描分析：范围：39-42mm，步长：0.5mm 20.1设置20.2分析Width对谐振点的影响20.3查看分析结果20.4结论：宽度Width对谐振点的位置影响不大21.优化设计21.1选取优化变量：Length：29-30mm。

内容概述
问题简介
HFSS设计步骤和设计流程
1.改名：工程名：Antenna_Array；设计名：Cell
2.设置求解类型
3.修改单位：in（英尺）
4.创建矩形波导模型
4.1创建长方体
4.2修改属性：WaveGuide,0.4
4.3修改参数：顶点（0,0,0）,X=0.4,Y=0.9,Z=1.0
5.创建自由空间模型
5.1创建长方体
5.2修改属性：Airbox,0.4
5.3修改参数：顶点（-0.05,-0.05,1）,X=0.5,Y=1.0,Z=1.0
6.设置边界条件
6.1前后表面
6.1.1前表面
6.1.2后表面（-0.05,-0.05,1） dX=0, dY=1,DZ=0
6.2左右表面6.2.1有表面
6.2.2左表面
7.设置上表面端口激励：Floquet端口激励
8.设置下表面端口激励：波端口激励
9.添加求解设置
10.设计检查
11.运行仿真分析
12.定义辐射表面
12.12D Plane
12.23D Sphere
13.查看方向图13.1查看平面方向图
13.2查看3D方向图
14.构造天线阵列
科教兴国。