用Sonnet Agilent HFSS设计微带天线概要
微波仿真论坛_HFSS设计微带天线
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一、前言
微带天线，即微带感应力天线，是一种先进的电磁发射天线，它采用微细空心管及其他微带元件，广泛应用于宽带、多址无线通信、脉冲定位系统、脉冲探测系统等许多应用中。
以HFSS为工具，设计微带感应力天线，能够更加直观地分析微带天线的性能，从而帮助我们了解微带天线的传输特性，并根据实际应用需求实现天线高效性能设计。
二、微波仿真HFSS的设计步骤：
1、首先，选择好所采用的HFSS软件，确定需要分析的微带感应力天线的构型，并建立计算模型。
2、根据相关理论，计算出微带天线的基本参数，如振子长度、空心管半径和微带宽度等，以及天线的振荡频率、相位阶跃和频带宽等。
3、设置相应的仿真网格，根据天线实际的构形，划分仿真区域，确定网格大小和步长，以达到较高的空间分辨率，从而获得更准确的仿真结果。
4、设置仿真参考电路，根据计算出的微带天线振子长度、空心管半径和微带宽度等，及其传输特性，利用HFSS软件设置好参考模型，以及仿真频率。
5、开启仿真计算，间接计算和直接计算，从而获得微带感应力天线的S参数，用于评估微带天线的性能。
基于HFSS的天线设计教材
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。
微波射频网HFSS设计双频段GPS微带天线
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 ε的厚陶瓷基片上，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]，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, 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]，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]1[2[]4,3[75[−[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。
本文介绍一种双频段GPS 微带天线的新设计, 通过单个探针馈电的双层正方形切角的微带天线贴片，它们印在不同介电常数的微波陶瓷基片上。
(完整版)HFSS天线设计实例
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。
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计
基于HFSS的双频微带天线仿真及设计HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款广泛应用于天线设计领域的电磁仿真软件。
本文将基于HFSS进行双频微带天线的仿真和设计，包括仿真模型构建、参数设置、频率扫描、天线设计优化等内容。
以下是对于每个步骤的详细介绍。
首先，在HFSS软件中创建一个新的项目，然后选择"Design Type"为"Antenna"。
接下来，根据双频微带天线的特点，构建天线的几何结构。
双频微带天线通常由一个辐射贴片和一个馈电贴片组成。
辐射贴片的几何结构决定了辐射频率，馈电贴片的几何结构决定了馈电频率。
根据具体的设计要求，可以选择矩形、圆形或其他形状的贴片。
在构建天线的几何结构后，需要设置天线的材料属性。
可以选择常见的介质材料，如FR-4、Rogers等，然后设置其相对介电常数和损耗因子。
这些参数对天线的性能有重要影响，需要根据具体的设计需求进行调整。
完成材料属性设置后，需要定义辐射贴片和馈电贴片的端口。
通常，辐射贴片和馈电贴片的接地为共地，但其余部分分开。
可以通过选择适当的面来定义每个端口。
然后，设置端口的激励类型和激励参数。
常见的激励类型有电流激励和电压激励，而激励参数包括频率、幅度和相位等。
在设置好端口后，可以进行频率扫描，以获取天线的频率响应。
可以选择在一定范围内进行频率扫描，也可以单独指定感兴趣的频率点。
通过分析结果可以得到辐射和馈电贴片的共振频率，以及频率响应的带宽等信息。
如果设计的频率不满足要求，可以对几何结构和材料参数进行调整，然后重新进行频率扫描。
当天线的频率响应满足要求后，可以进行天线设计的优化。
优化的目标通常包括增加天线的增益、改善天线的辐射效率、扩展天线的带宽等。
可以通过对辐射贴片的长度、宽度、形状等进行调整，或者对馈电贴片的长度和宽度进行调整。
优化过程中，可以通过设置参数范围和优化目标，使用HFSS内置的优化算法进行自动优化。
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计引言一、HFSS介绍HFSS（High Frequency Structure Simulator），即高频结构模拟器，是由美国ANSYS 公司开发的一款专业的高频电磁场模拟软件，广泛应用于微波、射频和毫米波领域的电磁场分析与设计。
HFSS具有强大的仿真分析能力和友好的图形界面，在微带天线设计与分析领域有着广泛的应用。
二、矩形微带天线基本结构矩形微带天线通常由辐射片和衬底板两部分组成。
辐射片通常由金属片构成，形状可以是矩形、圆形、方形等，其大小与频率密切相关；衬底板可以采用介电常数较大的材料，如FR-4等。
辐射片与衬底板之间通过馈电位置（如微带线）连接。
在设计矩形微带天线时，需要考虑到辐射片的尺寸、馈电位置、地平板的大小等因素，以确保天线具有良好的频率特性。
三、HFSS仿真流程1. 建立模型：在HFSS软件中，首先需要建立矩形微带天线的三维模型。
通过绘制辐射片和衬底板的几何结构，设置材料参数和频率范围等，建立完整的仿真模型。
2. 设置边界条件：在建立完仿真模型后，需要设置合适的边界条件。
通常情况下，可以选择开放边界（PML）作为边界条件，以消除边界反射对仿真结果的影响。
3. 设置激励：在模型建立完成后，需要设置合适的激励方式。
根据具体的仿真需求，可以选择不同的激励方式，如电压激励、电流激励等。
4. 设定仿真参数：根据设计要求，设置合适的仿真参数，如频率范围、网格精度、求解器等。
这些参数的选择将直接影响仿真结果的准确性和计算速度。
5. 进行仿真计算：当所有仿真参数设置完毕后，即可进行仿真计算。
HFSS软件会根据设定的参数进行电磁场分析与计算，得到相应的仿真结果。
6. 仿真结果分析：根据得到的仿真结果，对矩形微带天线的性能进行分析，并进行必要的优化设计。
通过不断的仿真分析与优化设计，最终得到满足设计要求的微带天线结构。
四、矩形微带天线设计优化1. 辐射片大小优化：辐射片的大小直接影响着微带天线的工作频率。
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种常用于高频电磁场仿真的软件，可用于设计和优化天线等高频器件。
本文将对矩形微带贴片天线的仿真设计进行详细分析和报告。
1.研究目的本次仿真设计旨在设计一种结构简单、性能优越的矩形微带贴片天线。
希望通过HFSS软件的仿真分析，优化天线的频率特性、增益和辐射方向性。
2.设计细节首先，选择一种合适的基底材料和贴片形状。
常用的基底材料有FR-4、Rogers等，贴片形状一般选择矩形。
基于实际需求和设备限制，确定天线的工作频率范围和增益要求。
其次，根据工作频率计算出天线的尺寸。
根据微带天线的原理，通过公式计算出贴片的长度、宽度和介电常数。
可以利用尺寸调整和电气长度来调整频率响应和阻抗匹配。
然后，进行天线的仿真设计。
在HFSS软件中，建立仿真模型并进行电磁场分析。
可以通过调整尺寸、形状和介电常数等参数，优化天线的性能指标。
可以通过频率扫描和图形分析等方法，获得天线的频率响应、辐射特性、增益和辐射方向性等。
最后，评估和优化设计结果。
根据仿真结果对天线的性能进行评估，并进行合理的优化调整。
可以根据需求对天线的尺寸、形状和工艺参数进行调整，以达到最佳的性能指标。
3.仿真结果与分析通过分析仿真结果，可以总结出矩形微带贴片天线的设计优缺点：优点：1)结构简单，制造工艺成熟，易于实现和集成；2)在工作频率范围内具有较高的增益和辐射方向性；3)相对比较小的尺寸，适合应用于小型设备和多天线系统中。
缺点：1)工作频率受贴片尺寸和介电常数的影响较大，需要精确的尺寸控制和阻抗匹配设计。
4.结论与展望本文基于HFSS软件进行了矩形微带贴片天线的仿真设计和分析。
通过优化调整尺寸、形状和介电常数等参数，设计出了一种具有较高增益和辐射方向性的天线结构。
仿真结果表明，该设计满足了实际需求和性能指标。
然而，本文的仿真设计还存在一些改进空间。
HFSS双频微带天线设计说明
一设计容简介双频工作是微带天线设计的重要课题之一，相关的设计包括使用多层金属片，具槽孔负载之矩形金属片，具矩形缺口的正方形金属片，具短金负载的金属片，倾斜槽孔耦合馈入的矩形金属片等。
其中，获得双频工作的一种最简单的方法是辐射贴片的长度对应一个频率谐振，其宽度对应另一个频率谐振，然后从对角线的一角馈电，就能使同一个辐射贴片工作于两个频率上。
其结构如图1所示。
图1故在这个设计中，L1是表示馈电点长度方向的x坐标的变量，其值为7mm,表示的中心频率为2.45GHZ，输入阻抗为50欧姆。
L2是表示馈电点的y坐标的变量，其值为10mm,表示的中心频率为1.7GHZ。
输入阻抗为50欧姆。
设计模型的中心在坐标原点上，辐射贴片的长度方向是沿着x轴方向，宽度方向是沿着y方向的。
介质基片的大小是辐射贴片的两倍，参考地面辐射贴片使用理想薄导体。
因为使用50欧姆的同轴线馈电，这里使用半径为0.6mm的材质为pec的圆柱体模型。
而与圆柱体相接的参考地面需挖出一个半径为1.5mm的圆孔，将其作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50欧姆。
HFSS仿真设计过程1.新建工程文件（1）运行HFSS并新建工程：双击快捷图标，启动HFSS软件。
新建一个工程文件，工程名为Dual_Patch.hfss文件。
（2）设置求解类型：选择hfss→Solution Type,选中Driven Modal,然后点击OK。
（3）设置模型长度：选择Modeler→Units选项设置为mm。
点击OK。
2.添加和定义设计变量在HF SS →Design Propertied 命令，打开设计属性对话框，然后单击对话框。
在Name文本框中输入第一个变量名称H，在value文本框中输入该变量的初始值为1.6mm。
使用相同的方法，分别定义变量L0,W0,L1,length，L2。
其初始值分别为28mm，37.26mm,7mm，30mm，10mm点击确定。
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用Sonnet & Agilent HFSS设计微带天线
摘要：以一同轴线底馈微带贴片为题材，分别用Sonnet 软件及Agilent Hfss 软件进行Simulate，分析其特性。
并根据结果对这两个软件作一比较。
天线模型：
天线为微带贴片天线，馈电方式为50Ω同轴线底馈，中心频率3GHz
ξ=，尺寸56mm*52mm*3.175mm
基片采用Duroid材料 2.33
r
Patch ：30mm*30mm
馈电点距Patch中心7mm处。
参见下图。
一.Sonnet
参数设置如下图：
介质层按照天线指标予以设置：
画出Antenna Layout.
Top view Bottom view
其中箭头所指处为via，并在GND层加上via port.
即实现了对Patch的底馈。
至此，Circuit Edit完成。
下一步对其进行模拟。
Array模拟结果：
S11，即反射系数图：
可见中心频率在3G附近，。
进一步分析电流分布：
在中心频率的附近，取3G，3.1G作表面电流分布图：
可见，在中心频率的电流分布较为对称。
符合设计的要求。
远区场方向图：
选取了若干个频率点绘制远区场增益图。
从中可以看到，中心频率的增益较边缘为大。
符合设计的要求。
二.Agilent Hfss
Agilent Hfss (high frequency structure simulator)是AGILENT公司的一个专门模拟高频无源器件的软件。
较现在广泛应用的ANSOFT HFSS功能类似，但操作简单明了。
能在平面结构上建模天线不同，Agilent Hfss可以精确地定义天线的立体结构。
并可将馈电部分考虑在模拟因素内，按要求设定辐射界面，等等。
可能在本文的例子中，由于结构比较简单，并不能充分体现这一点，但也应可见一斑。
本例与HFSS HELP中所附带的例子较为类似，因此我参照HELP文件，在HFSS5.6环境下较为顺利的完成了模拟。
用HFSS模拟天线，主要分Draw Model、Assign Material、Define Boundary、Solve、Post Process 五个步骤：
⒈Draw Model：
HFSS采用的是相当流行的AUTOCAD的ENGINE，因此绘制方法与AUTOCAD大同小异，这里不在赘述。
我先分Air Box、Substrate Box、Coax Line、Patch几个部分画好模型。
其中COAX LINE 包括内导体（圆柱）及外层介质及外导体（环柱）；PATCH为一平面矩形，AIR BOX、SUBSTRATE BOX 为长方体。
同时，由于基板，同轴线之间会有重叠，所以应用3D OBJECTS 菜单中的Subtract命令将
重叠部分减去。
画好的天线模型如下图所示：
⒉Assign Material
由于在Draw Model 时并没有指定各组成部分的材质，因在此予以统一说明。
详见下图。
⒊Define Boundary
HFSS中需要定义Port. Perfect E. Perfect H. Ground Plane 以及重要的RADIATION 边界（即电磁能量的辐射面）。
按照天线设计要求，定义各边界如下图：
其中AIRBOX的各个界面为RADIATION 边界；
基板底面为GROUND PLANE（接地面）
PORT位于同轴线下端
同时，由于HFSS要求接地面与OUTER SPACE完全接触，否则无法模拟，所以应将SUB 与COAX的相交面定义为DEFAULT界面，（相当与将这一块平面从接地面上挖去）。
图：
其中BRICK为RADIATION ，HONEY COMB为METEL，黑色为PERFECT E界面。
至此，天线建模部分已经全部完成，以下进入SOLVE阶段。
⒋SOLVE
HFSS中可以设置FAST FREQ SWEEP （速度较快）及DISCRETE FREQ SWEEP（精度较高）
这里选用DISCRETE SWEEP ，从0.1Ghz ------5Ghz ,以0.1G为步长进行扫描。
设定完成之后，运行即可。
运行时间较SONNET长得多。
⒋Post Process：
在Post Process中，可以对解出的结果进行绘图，以获得直观的可视效果。
HFSS有3D作图功能，可以直观的绘制出场分布，以及远区场的立体图。
以下择要选取指标作图：
1.S Mag：（S11）
⒈中心频率恰好在3.0GHZ处，与设计要求完全相符。
⒉频带较窄，这是普通微带天线的通病。
Far Field 3 D：
3Ghz
3Ghz表面电流分布：
分布比较对称.
中心频率点3GHz天线参数表：
可见在中心频率点，增益、方向性均在可以接受的范围内。
其他频率点的参数均以计算出，
限于篇幅，不在此列出。
三.总结及比较：
本文分别用sonnet ,AGILENT HFSS分别对一个简单的微带贴片天线的实例进行了模拟。
结果基本上与设计要求相近。
特别是HFSS，在按照实例尺寸设计的条件下，取得了与实际要求完全吻合的结果。
电流分布、增益、方向性等各项指标均符合要求。
但是，由于SONNET 与HFSS软件的差异，在分析的结果上还是存在着一些差别，SONNET 在分析该天线时，中心频率略微偏离3GHZ。
而反射系数的大小也略有差异。
总的来说：
两个软件各有其优缺点。
Sonnet软件使用简单，易于上手，运行速度快，结果也误差不大。
而其在具体的参数设置上精确度不高，组件尺寸的精确度受到CELL SIZE的制约。
如在本例中，CELL SIZE为1mm （已是相当小的值），PORT的尺寸受制于此，只能精确到mm数量级。
这应该就在是本例中为什么中心频率略有偏差的原因。
而HFSS作为模拟仿真高频无源器件的专门工具，精确度高是其一大优点。
首先，在模型的绘制上，HFSS采用AUTOCAD 引擎，可以精确的描述任意的立体结构。
其次，可以方便地指定介质材料的各项参数。
而且，通过对边界条件的定义，可以精确的指定端口、射定发射边界面，以及E、H对称面、PERFECT E、H面等复杂的边界条件，而这些在SONNET 中都是无法实现的。
越是复杂的拓扑结构，HFSS相对来说就越有优势。
同时，HFSS还具有3D绘图功能，可以直观地显示出立体结构，利于把握。
作出3-DIM的远区场图，一目了然。
电科2班
朱俊达
3001143074。