基于HFSS三频全向高增天线设计与仿真

基于HFSS的多频段天线仿真与设计
华艳;任洁心;甄安然
【期刊名称】《中国科技信息》
【年(卷),期】2016(000)012
【摘要】本文基于HFSS三维电磁仿真软件,设计了一款可覆盖日常手机所用频段的天线。

通过对该天线模型的仿真设计及参数优化,可得该天线在
0.94GHz,1.80GHz,2.45GHz和3.12 GHz频段时性能较好,主要表现为回波损耗较小,驻波系数均小于2,增益较大。

分析结果表明该天线可作为5G手机天线。

【总页数】3页(P53-54,56)
【作者】华艳;任洁心;甄安然
【作者单位】扬州大学信息工程学院;扬州大学信息工程学院;扬州大学信息工程学院
【正文语种】中文
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摘要GPS是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统，它不仅具有全球性、全天候、实时高精度，三维导航与定位能力，而且具有良好的搞干扰和保密性。

而GPS 就是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端。

因此接受信号就必须用到微带天线。

所以基于GPS的微带天线的研究显得相当重要，广泛的科学实验活动也为这一技术的应用展现极为广阔的前景。

而高精度测量天线作为卫星导航接收机的重要组成部分，它的性能如何直接关系到卫星导航接收机测量精度的大小。

天线的相位中心变化和多径效应是高精度卫星导航测量系统中的显着误差来源，天线的低仰角增益影响接收机的灵敏度。

本文针对高精度卫星测量型接收天线的需求，设计了一种可工作在GPS导航系统的单频微带天线，并采用仿真软件Ansoft HFSS对天线结构进行了优化。

本文首先介绍了GPS卫星导航系统应用和工作原理，高精度测量型天线的研究现状、我国卫星导航系统的发展现状。

其次，分别介绍了微带天线分析方法和工作原理，分析了微带天线的基本辐射参数、电路参数、设计的基本思路和天线相位中心的标定。

再次，借助于仿真软件Ansoft HFSS软件对天线性能进行了数值仿真，设计出了单频圆极化微带天线。

关键词：GPS，天线，参数，仿真AbstractGPS is the most advanced and consummate system for satellite navigation and positioning in the world, it is not only global, all-weather, real-time high-precision, three-dimensional navigation and positioning capabilities, and has a good anti-interference and confidentiality. But GPS is through accepts the satellite signal, carries on the localization or the guidance terminal. Therefore accepts the signal to use the antenna. Therefore the GPS antenna's research appears quite important, widespread scientific experiment also for this technical application development extremely broad prospect.But the high-accuracy survey antenna takes the satellite navigation receiver's important component, its performance how direct relation satellite navigation receiver measuring accuracy size. Antenna's phase center change and the multi-diameter effect are in the high accuracy satellite navigation measurement system's appreciable error originate, antenna's low elevation angle gain affects receiver's sensitivity. This article in view of the high accuracy satellite survey receiving antenna's demand, designed one kind to be possible to work in the GPS guidance system's monofrequent microstrip antennas, and used simulation software Ansoft HFSS to carry on the optimization to the antenna structure.This article first introduced the GPS satellite navigational system application and the principle of work, the high-accuracy survey antenna's research present situation, our country satellite navigational system's development present situation. Next, introduced separately the microstrip antennas analysis method and the principle of work, have analyzed microstrip antennas's basic radiation parameter, the circuit value, the design basic mentality and the antenna phase center demarcation. Once more, with the aid of software has carried on the value simulation in simulation software Ansoft the HFSS to the antenna performance, designed the monofrequent circular polarization microstrip antennas.Key word：GPS, Antenna, Parameters, Simulation目录1绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状及发展趋势 (1)1.3课题研究的可行性 (2)1.4课题研究的必要性 (2)1.5论文的主要工作和内容安排 (2)2 GPS的组成 (4)2.1 GPS卫星星座 (4)2.1.1 GPS工作卫星及其星座 (4)2.1.2 GPS卫星及其功能 (5)2.2地面监控系统 (6)2.2.1系统的组成 (6)2.2.2系统的主要功能 (7)2.3用户设备部分 (8)2.3.1 GPS用户设备组成部分 (8)2.3.2 GPS接收机的作用 (9)2.3.3 GPS接收机分类 (9)2.3.4 GPS用户设备发展的主要趋势 (10)3 GPS的特点和用途 (12)3.1 GPS的特点 (12)3.1.1全球覆盖连续导航定位 (12)3.1.2高精度三维定位 (12)3.1.3实时导航定位 (12)3.1.4被动式导航定位 (12)3.1.5抗噪声干扰性能好、保密性强 (12)3.2 GPS的发展应用 (13)3.2.1 GPS的最初用途 (13)3.2.2 GPS系统用途广泛 (13)3.2.3多元化空间资源环境的出现 (13)3.2.4发展GPS产业 (14)3.2.5 GPS的应用将进入人们的日常生活 (14)4微带天线基本理论 (15)4.1微带天线简介 (15)4.2微带天线的分析方法 (16)4.3微带天线的基本参数 (17)4.3.1辐射参数 (17)4.3.2电路参数 (19)5微带天线基本设计思路 (21)5.1微带天线的设计主要有以下几个步骤 (21)5.2天线相位中心的标定 (23)6 GPS单馈点圆极化微带天线仿真设计 (25)6.1引言 (25)6.2单馈点圆极化微带天线仿真设计 (25)6.2.1微带天线的设计 (25)6.2.2仿真结果与分析 (28)6.2.3总结 (29)结论与展望 (30)1 主要研究工作总结 (30)2有待解决的问题 (30)参考文献 (32)致谢 (33)1 绪论1.1课题研究背景及意义在航天技术和计算机技术迅猛发展的今天，GPS（Global Positioning System）作为新一代卫星和导航和定位系统，是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。

基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计摘要：本文利用HFSS软件对不同形状的微带贴片天线进行了仿真设计。

通过对各种形状的微带贴片天线进行性能仿真分析，在不同频段下评估其天线参数，如增益、带宽等。

通过对比分析，找出性能较优的微带贴片天线形状。

本研究对微带贴片天线的设计和优化提供了一定的参考和指导。

关键词：HFSS；微带贴片天线；仿真设计1. 引言微带贴片天线广泛应用于移动通信、雷达系统、卫星通信等领域。

其具有结构简单、制造工艺方便、重量轻、频带宽广、使用灵活等优点。

而微带贴片天线的性能受到其形状、尺寸和材料等因素的影响。

本文将利用HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件对不同形状的微带贴片天线进行仿真设计，旨在寻找性能较好的天线形状，并为微带贴片天线的实际设计提供一定的参考和指导。

2. 微带贴片天线的基本原理微带贴片天线是通过在基底板上制备一片金属片来实现辐射，基底板的材料可以是电介质材料。

微带贴片天线由贴片（patch）、馈电线（feed line）和反射层（ground plane）组成。

基本原理是在贴片上注入射频信号，通过馈电线将信号传输到贴片上，然后贴片将电磁波辐射至空间中。

贴片的尺寸和形状以及馈电线的位置和长度将直接影响到天线的工作性能。

3. HFSS软件介绍HFSS是一款高性能的电磁场仿真工具，广泛应用于天线设计、微波器件的仿真分析等方面。

它可以对各种类型的天线和微波器件进行三维模拟，通过输入几何参数和电磁性能参数，可以得到仿真结果和相应性能参数。

4. 不同形状微带贴片天线的仿真设计在本研究中，我们设计了三种不同形状的微带贴片天线，分别为矩形、圆形和椭圆形。

设计参数如下：矩形贴片天线：边长2cm，贴片材料为铜。

圆形贴片天线：直径2cm，贴片材料为铜。

椭圆形贴片天线：长轴4cm，短轴2cm，贴片材料为铜。

图1：微带天线的结构一、 实验目的●利用电磁软件Ansoft HFSS 设计一款微带天线。

◆微带天线要求：工作频率为2.5GHz ，带宽 (回波损耗S11<-10dB)大于5%。

●在仿真实验的帮助下对各种微波元件有个具体形象的了解。

二、 实验原理1、微带天线简介微带天线的概念首先是由Deschamps 于1953年提出来的，经过20年左右的发展，Munson 和Howell 于20世纪70年代初期制造出了实际的微带天线。

微带天线由于具有质量轻、体积小、易于制造等优点，现今已经广泛应用于个人无线通信中。

图1是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射源、介质层和参考地三部分组成。

与天线性能相关的参数包括辐射源的长度L 、辐射源的宽度W 、介质层的厚度h 、介质的相对介电常数r ε和损耗正切δtan 、介质层的长度LG 和宽度WG 。

图1所示的微带贴片天线是采用微带天线来馈电的，本次将要设计的矩形微带贴片天线采用的是同轴线馈电，也就是将同轴线街头的内心线穿过参考地和介质层与辐射源相连接。

对于矩形贴片微带天线，理论分析时可以采用传输线模型来分析其性能，矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L 方向上有2/g λ的改变，而在宽度W 方向上保持不变，如图2（a ）所示，在长度L 方向上可以看做成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度W 方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。

从图2（b ）可以看出，微带线边缘的电场可以分解成垂直于参考地的分量和平行于参考地的分量两部分，两个边缘的垂直电场分量大小相等、方向相反，平行电场分量大小相等，方向相反；因此，远区辐射电场垂直分量相互抵消，辐射电场平行于天线表面。

（a ）俯视图 （b ）侧视图图2 矩形微带贴片天线的俯视图和侧视图2、天线几何结构参数推导计算公式假设矩形贴片的有效长度设为e L ，则有2/g e L λ= 式中，g λ表示波导波长，有 e g ελλ/0= 式中，0λ表示自由空间波长，e ε表示有效介电常数，且21)121(2121-+-++=W h r r e εεε 式中，r ε表示介质的相对介电常数，h 表示介质层厚度，W 表示微带贴片的宽度。

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。

超高频探针天线
一、操作步骤（我用的是HFSS10）
1.进行HFSS和3Dmodeler的设置；
2.建立工程；
3.设置解决方案类型为终端驱动；
4.设置单位为英寸；
5.设置缺省材料为铜；
6.建立大小两圆柱，相减，得一圆环孔；
7.改变圆环尺寸，得另一个圆环；
8.建立Arm_1，并与两个圆环连接；
9.建立中心管脚；
10.建立Arm_2；
11.建立接地管脚，并与Arm_2和中心管脚相结合；
12.建立波端口，在导体底部作圆p1；
13.设置缺省材料为真空；
14.建立空气Air；
15.建立辐射边界，将Air设为辐射边界；
16.建立波端口激励；
17.建立无线大地平面（此过程将原来Z=0平面上的辐射边界覆盖掉了，所以最后检查的时候，会有一个gnd_plane与Rad1重合的一个警告）；
18.建立辐射设置；
19.添加解决方案设置，求解频率0.55GHz，最大迭代10次，每次迭代允许ds=0.02；
20.添加扫频，从0.35GHz到0.75GHz，至此，模型建立完成；
21.验证检查，一个警告；
22.求解运算；
二、运算结果；
此为收敛情况
创建关于S参数的直角坐标系图
建立远区场覆盖图。

实验三：基于HFSS勺偶极子天线设计与仿真、实验目的1、熟悉HFSS仿真环境及仿真过程；2、掌握天线相关参数，相关概念；3、掌握偶极子天线结构,建模方法；4、根据仿真结果，进行相关分析研究。

、实验内容设计一个中心频率为3GH的半波偶极子天线,其HFSS设计模型如图所示。

天线沿Z轴方向放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0∙48 λ半径为”200。

天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0∙24mm ，辐射边界和天线的距离为λ4.根据仿真结果求天线的回波损耗、驻波比、Smith圆图、输入阻抗和方向图。

变量含义变量名变量初值(mm)工作波长Iambda100天线总长度Ien gth0.48XIambda端口距离gap0.24单个极子长度dip_le ngth Ien gth/2—gap/2天线半径dip radius Iambda/200辐射边界圆柱体半径rad radius dip radius+lambda/ 4辐射边界圆柱体高度/2rad height dip le ngth+gap/ 2+Iambda/10学号：201524124228 姓名：陈文观、实验步骤新建工程设计建模，按上表数据进行建模求解设置设计检查和运行仿真计算看运行结果进行截图ArrSoft HF＊ dipolt * HFSSD⅞⅞igπ1 — 3D MOdder ^ ［dipole — HFSSDeSjgnI — Modeler］〈,File Edit VJeW Projeet DraW Modelelr HFSS TOOIS WindoW HelP⅛¾⅛回“苗I ⅛国I區⅛h？? ∣eee∆θ^s^i⅛i j© o jχγ Zl l≡—^3 ∣ ¾ E ⅛ E□ Q U!倉⅛s ！妝巒气也＆1解PrOieCt Manager 丄X E IflZl dipole＊申融HFSSMsignI+s —! I DefinitiOnS did§DiPOle CJ CrtatKyE ；■““[J f JDUPliCatle lI— LJ DUPIiC^eIPrOigr t JName Val,.。

基于HFSS矩形微带天线仿真与设计HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种基于有限元法的高频电磁场仿真软件，常用于微带天线的仿真与设计。

微带天线是一种常见的高频天线，广泛应用于通信系统、雷达系统、航天航空领域等。

HFSS软件可以通过电磁场分析和仿真，帮助工程师进行微带天线的设计和优化。

以下是基于HFSS矩形微带天线仿真与设计的一般流程：1. 几何设计：确定微带天线的基本结构和尺寸。

对于矩形微带天线，需要确定矩形天线的长度和宽度。

2. 设置材料参数：选择合适的材料参数，包括介电常数和损耗 tangent。

3. 建立模型：使用HFSS软件中的设计工具，绘制微带天线的三维几何模型。

4. 设置边界条件：为模型设置适当的边界条件，包括射频端口（端口的位置和大小）和地面端口。

5. 网格划分：根据模型的尺寸和几何形状，进行网格划分。

合理的网格划分可以提高仿真结果的准确性和仿真速度。

6. 应用激励：给模型应用合适的电磁激励条件，电源电流或电压。

7. 运行仿真：通过HFSS软件运行电磁场仿真，得到微带天线的频率响应、辐射图案等关键参数。

8. 优化设计：根据仿真结果，对微带天线的参数进行优化。

可以通过调整天线的尺寸或形状，改变天线的工作频率和增益。

9. 评估性能：通过仿真结果评估微带天线的性能，包括工作频率带宽、谐振频率、辐射效率和辐射模式等。

10. 进行实验验证：对设计好的微带天线进行实际制造和测试，验证仿真结果的准确性。

HFSS矩形微带天线的仿真与设计流程主要包括几何设计、设置材料参数、建立模型、设置边界条件、网格划分、应用激励、运行仿真、优化设计、评估性能和实验验证。

通过HFSS软件的仿真和优化，可以帮助工程师设计出高性能的矩形微带天线。