基于hfss讲义的圆锥喇叭天线设计
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。
Ansoft HFSS在天线设计中的应用
微波电路 � � � � � 滤波器－腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器 电磁兼容（EMC）/电磁干涉（EMI）－电磁屏蔽、耦合、近/远场辐射 连接器－同轴、SFP/XFP、底板、转换器 波导－滤波器、谐振器、转换器、耦合器 半导体/GAAs－螺旋导体、变压器
�
信号完整性/调整数字电路 � � � � 封装－BGA、QFP、flip-chip PCB 板－功率/地板、网格地板、底板 连接器－SFP/XFP、VHDM、GBX、NexLev、同轴 转换器－Differential/Single-ended 过孔
7
Maxwell 方程有积分和差分两种形式，因此也各有算法相对应。矩量法（ MOM ）是求 解积分方程的一种算法， 它通过求得散射体上的电流从而推出整个空间的场， 因此它只需在 散射体上划分网格。而时域有限差分法（FDTD）和有限元是求解差分方程的算法。它们直 接求解整个空间的场从而得到整个空间的场。直接求解整个空间的场？Are you crazy?好吧， 我承认求解整个空间的场是不可能的， 但不代表这种算法只存在于想像中。 总有聪明的人想 出聪明的办法来，他们人为的在散射体周围放置一种吸收边界，类似于暗室的吸波材料， 来 波入射到上面就被吸收， 因此不会有反射干扰到吸收边界之内的场， 由求得的近场则可以推 得整个空间的场。 还有一个分支是图上没有表达出来的，那就是时域、频域之分。时域有限差分法顾名思 义是时域算法，与之类似的还有 CST 采用的有限积分法。而矩量法和有限元法则属于频域 算法。至于具体的原理就不多说了，我们只要知道时域算法适用于宽频带，而频域算法适用 于窄频带就好。 另外， 我们还要知道为什么这几种算法为什么称为低频算法。 称为低频算法并不意味只 能计算很低的频率。 这主要是因为这种算法假设工作波长远远大于结构体的尺寸， 所以在对 结构离散化的时候就不能忽略细节问题，是一种严格的分析方法。而与之对应的高频算法， 则是假设工作波长远远小于结构体的尺寸， 这样就可以在计算的时候做一些近似。 比如一个 球面上的散射问题，由于有上面的假设，则可以把球面的某个区域等效为一个平面来求解。 既然是讲 HFSS 的，那我们还是主要来了解一下有限元这种算法的几个主要术语吧。 � � FEM－finite element method 有限元; Element － 单 元 指 有 限 元 法 中 对 整 体 问 题 细 分 后 的 小 个 体 。 HFSS 中 采 用”tetrahedral”（四面体）elements; � Meshing－网格剖分，即对求解空间细分、然后定义所有四面体单元顶点位置的过 程。我们必须给予 HFSS 的自适应网格剖分技术充分的肯定。我认为在电磁仿真软 件中最重要的不是算法，而是网格剖分。模型易建，算法成熟，直接决定最后的计 算精度的是网格对模型离散化的效果。可以把网格看作模型和算法之间的桥梁， 它 使算法得以实用化，而不是只存在于文献中的大量让人头痛的公式。HFSS 初始网 格（将几何子分为四面体单元）的产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格 可以快速解计算并提供场解信息， 以区分出高场强或大梯度的场分布区域。 然后只 在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确
基于HFSS的圆锥喇叭天线设计
本科生科研训练结题报告——基于HFSS的圆锥喇叭天线设计学院（系）：电子工程与光电技术学院姓名、学号：郝晓辉**********席家祯1104330126白剑斌1104330105指导老师：***摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。
天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。
圆锥喇叭天线属于面天线。
本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络S参数及软件HFSS。
在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。
本文对圆锥喇叭天线的设计提供了一定的参考作用。
关键词：圆锥喇叭天线；仿真AbstractAntenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip Antenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and so on.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna.In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presentedfirstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. In the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS.This paper provides the reference to cone horn antenna.Keywords：conic horn antenna;simulation目录第1章概述 (5)1.1 天线的应用背景 (5)1.1.1天线的发展与应用 (5)1.1.2喇叭天线的发展和应用 (6)1.2天线的基础知识 (6)1.2.1天线的原理 (6)1.2.2天线的辐射 (7)1.2.3方向系数 (8)1.2.4天线效率 (9)1.2.5增益系数 (10)1.2.6输入阻抗 (10)1.2.7微波网络S参数 (11)1.3喇叭天线基础知识 (13)1.3.1喇叭天线参数 (14)1.3.2给定增益设计喇叭 (15)1.3.3根据参数要求计算尺寸参数 (17)第二章 HFSS仿真喇叭天线 (18)2.1 HFSS简介 (18)2.2 圆锥喇叭天线的仿真 (18)2.2.1仿真步骤 (18)2.2.2仿真结果分析 (24)第三章结论与展望 (25)引言天线是一种换能器，它将传输线上传播的导行波，变换为在无界媒质（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。
一种新型微带馈电的圆锥喇叭天线设计
一种新型微带馈电的圆锥喇叭天线设计张文辉;李萍;安合志;王蕾蕾【摘要】设计了一种微带馈电双极化喇叭天线.该喇叭天线的辐射层中心为一圆锥喇叭孔的金属波导材料,通过双层正交的三角形带状线馈电结构来实现双极化,最下层加入金属反射腔来抑制背向辐射,提高天线增益.利用HFSS电磁仿真软件对天线进行优化仿真,仿真结果表明,该喇叭天线在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均＜2,两个端口的增益均＞8 dB.该喇叭天线体积小,增益高,采用微带馈电的形式,适合作为Ku波段卫星地面通信系统的天线单元.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2013(026)003【总页数】4页(P1-4)【关键词】喇叭天线;微带馈电;双极化【作者】张文辉;李萍;安合志;王蕾蕾【作者单位】武警工程大学研究生大队,陕西西安710086【正文语种】中文【中图分类】TN821+.3卫星地面通信系统天线一般采用抛物面天线，而抛物面天线由于采用刚性板块，因而具有重量大、成本高、机动灵活性差的缺点。
文献［1］提出用一种Ku波段的微带阵列天线代替抛物面天线，但微带天线单元由于工艺限制，增益较低、损耗较大。
喇叭天线由于具有较大的增益和良好的方向性而得到了广泛的应用。
然而，传统的喇叭天线体积庞大，结构复杂，而且采用波导馈电的形式，使得传统的喇叭天线难以组阵。
近年来，一些喇叭天线采用微带馈电的方式［2－4］，使得喇叭天线便于组阵。
文中提出了一种新型微带馈电喇叭天线，以辐射层为中心的波导喇叭孔的金属波导，通过双层正交微带馈电实现双极化，最下层为金属反射腔，用来提高喇叭天线的增益。
利用HFSS软件仿真得到该双极化喇叭天线两个端口的天线增益＞8 dB，在Ku波段上行(14.0～14.5 GHz)和下行(12.25～12.75 GHz)的反射系数VSWR均＜2，因此相对于传统的微带天线，更适合作为卫星地面通信系统的天线单元。
课件：实验6 圆锥喇叭天线设计
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创建一个放置于圆锥体Taper上的圆柱体，其截面半径 和高度分别用变量b和h3表示，其底面圆心位于（0， 0，h1+h2），并将其命名为Throat。
在主菜单栏中选择draw----cylinder或单击工具栏上的圆 柱体按钮，进入创建圆柱体的状态。新建的圆柱体会 添加到操作历史树的solids节点下，默认名cylinder1。
• 再次在三维模型窗口中单击鼠标右键，在弹出的菜单中选 择assign boundary----Perfect E命令，打开一个对话框，直 接单击ok按钮，将前面选中的表面的边界条件设置为理想 导体边界。
设置辐射边界条件 使用HFSS分析天线时，需要设置辐射边界，且辐射边界表面
距离辐射体需要不小于1/4波长。
第六章 圆锥喇叭天线的设计与 分析
一、喇叭天线
• 喇叭天线（Horn Antennas）是最广泛使用
的微波天线之一。它的出现与早期应用可 追溯到19世纪后期。喇叭天线除了大量用 做反射面天线的馈源以外，也是相控阵天 线的常用单元天线，还可以用做对其它高 增益天线进行校准和增益测试的通用标准。 • 它的优点是具有结构简单、馈电简便、频 带较宽、功率容量大和高增益的整体性能。
3.设计建模
• 创建喇叭模型 创建一个放置于xy平面上的圆柱体，其截面半
径和高度分别用变量a和h1表示，其底面圆心位于坐 标原点，并将其命名为Waveguide。
在主菜单栏中选择draw----cylinder或单击工具栏上的圆 柱体按钮，进入创建圆柱体的状态。新建的圆柱体会 添加到操作历史树的solids节点下，默认名cylinder1。
喇叭天线设计
1 课题背景喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便。
合理地选择喇叭天线尺寸，可以获得很好的辐射特性、相当尖锐的主瓣、较小副瓣和较高的增益。
因此，喇叭天线应用非常广泛，它是一种常见的天线增益测试用标准天线。
喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。
波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能量的部分。
对工作于厘米波或毫米波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上，所以，必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。
普通喇叭天线结构原理图如1.1所示。
图1.1 普通喇叭天线结构原理图HFSS全称为High Frequency Structure Simulator，是美国Ansoft公司（注：Ansoft公司于2008年被Ansys公司收购）开发的全波三维电磁仿真软件，也是世界上第一个商业化的三维结构电磁仿真软件。
该软件采用有限元法，计算结果精准可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。
HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；拥有精确自适应的场解器和空前电性能分析能力的功能强大后处理器；能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。
使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输出用户需要的设计结果。
HFSS软件拥有强大的天线设计功能，可以提供全面的天线设计解决方案，是当今天线设计最为流行的软件。
使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类天线，能够精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、S参数、增益、轴比、输入阻抗、电压驻波比、半功率波瓣宽度以及电流分布特性等。
基于HFSS的圆锥喇叭天线设计说明
本科生科研训练结题报告——基于HFSS的圆锥喇叭天线设计学院（系）：电子工程与光电技术学院、学号：郝晓辉 1104330111席家祯 1104330126白剑斌 1104330105指导老师：钱嵩松摘要天线是对任何无线电通信系统都很重要的器件，其本身的质量直接影响着无线电系统的整体性能。
天线可分为简单线天线，行波天线，非频变天线，缝隙天线与微带天线，面天线和智能天线等。
圆锥喇叭天线属于面天线。
本文首先介绍了天线的基础知识和基本参数，其中着重介绍了喇叭天线及其设计,接着介绍了网络S参数及软件HFSS。
在此基础上，进行了圆锥喇叭天线的设计，最后在软件HFSS中进行了仿真。
本文对圆锥喇叭天线的设计提供了一定的参考作用。
关键词：圆锥喇叭天线；仿真AbstractAntenna is an important part in any radio communication systems.The quality of antenna can affect the performance of whole systems.Antenna can be divided into simple Wire Antenna，Traveling-Wave Antenna，Frequence-Independent Antenna，Slot Antenna and Microstrip Antenna，Aperture Antenna，Smart Antenna and so on.Cone horn antenna is one of the Aperture Antenna.In this paper,basic knowledge and basic parameters of antenna are presented firstly ,especially the horn antenna and its design be emphasized.Then S-parameter and HFSS software are briefly introduced. In the base of above ,the cone horn antenna is designed.At last ,the antenna is simulated in HFSS.This paper provides the reference to cone horn antenna.Keywords：conic horn antenna;simulation目录第1章概述 (5)1.1 天线的应用背景 (5)1.1.1天线的发展与应用 (5)1.1.2喇叭天线的发展和应用 (6)1.2天线的基础知识 (6)1.2.1天线的原理 (7)1.2.2天线的辐射 (7)1.2.3方向系数 (9)1.2.4天线效率 (9)1.2.5增益系数 (10)1.2.6输入阻抗 (10)1.2.7微波网络S参数 (11)1.3喇叭天线基础知识 (14)1.3.1喇叭天线参数 (14)1.3.2给定增益设计喇叭 (16)1.3.3根据参数要求计算尺寸参数 (17)第二章 HFSS仿真喇叭天线 (17)2.1 HFSS简介 (17)2.2 圆锥喇叭天线的仿真 (18)2.2.1仿真步骤 (18)2.2.2仿真结果分析 (23)第三章结论与展望 (24)引言天线是一种换能器，它将传输线上传播的导行波，变换为在无界媒质（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。
双模圆锥喇叭天线的设计
相关内容的学习准备
1.3 圆锥喇叭 圆锥喇叭一般采用圆波导馈电，描述圆锥喇叭的尺寸有口径直径D，喇叭 长度R。圆锥喇叭的口径场的振幅分布与圆波导中的TE11相同，但是相位按平 方律沿半径方向变化。 下图计算了不同轴向长度圆锥喇叭的方向系数与口径直径的关系。从中可 以看出，圆锥喇叭仍然存在着最佳尺寸。与矩形喇叭类似，当轴向长度一定 时，增大口径尺寸的效果将以增大口径面积为优势逐渐地转向以平方相位偏移 为优势。
多模喇叭就是应此要求而设计的它利用丌连续截面激励起的数个幅度及相位来配置适当的高次模使喇叭口径面上合成的e面及h面的相位特性基本相同从而获得等化和低副瓣的方向图使之成为反射面天线的高效率馈源
隔页
1
相关 内容
2
设计 要求
3
模型 参数
4
HFSS 仿真
5
结果 展示
6
记录 总结
7
终页
8
相关内容的学习准备
1.1 天线 天线是任何无线电通信系统都离不开的重要前段器件。尽管设备的任务并 不相同，但天线在其中所起的作用基本上是相同的。天线的任务是将发射机输 出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成 高频电流能量送给接收机。为了能良好地实现上述目的，要求天线具有一定的 方向特性，较高的转换效率，能满足系统正常工作的频带宽度。天线作为无线 电系统中不可缺少且非常重要的部件，其本身的质量直接影响着无线电系统的 整体性能。
HFSS仿真流 程
建立喇叭模型 创建波端口，设置端口 激励。 求解设置，求解 工程。查看结 果。
1
3
Re Fa Mi
5
2016
Do
So
2
创建辐射边界。
4
HFSS 天线设计讲义
0
/100
/10
Problem Scale
Use a Quasi-Static Solver (OVERLAP)
Use a FEM Full-Wave Solver
Simulation Structures
W=44mil t = 1mil
1.增加Sweep變數。
3.按下增加。 出現訊息
4.按下確定。 出現訊息
2.設定要sweep的起始 結束 間隔。 5.按下確定。
使用變數sweep 開始分析
1.開始分析。
使用變數sweep 看分析結果
1. 3.選擇看sweep結果。
2.
使用變數sweep 看分析結果(2)
1.選擇要看的sweep結果。
2.只對port分析打勾。
1.分析。
3.開始分析。
Analysis Wave port at First
2.場形完整且連續 可進行完整分析。
1.看場形。
Boundary Radiation
減少運算時間 縮小體積 需在最大的Box增加 Radiation Boundary
Deembed
藍色箭頭 表示Deembed的位置。
圓心
半徑 (R1) 高度 命名:barrel trace1 barrel trace2
操作流程---(6)連通柱繪圖
連通柱焊墊繪圖:
1設定材質
L=800mil R2=50mil R1 = 20mil
2.結構繪圖
圓心
R3=30mil
半徑 (R3)
高度 命名:Pad1 圓心 半徑 (R3) 高度 命名:Pad2
操作流程---(2)繪圖功能
《HFSS软件设计与仿真实验》的实验指导书
《HFSS软件设计与仿真实验》的实验指导书1.HFSS软件入门：实验目的：熟悉hfss软件的工作界面及工作界面各个部分的作用作用与使用方法实验内容：菜单栏、工具栏、状态栏、工程管理窗口、属性窗口、进度窗口、信息管理窗口、3D模型窗口。
熟悉hfss软件的应用及其设计步骤：通过T型波导内场分析与优化设计的HFSS仿真实例，让学生对hfss操作步骤及设计流程有整体直观的了解及掌握，对每一个设计环节有一个初步定位。
Hfss的设计步骤如下：创建新的hfss工程设计，设置求解类型；创建T型波导模型（几何模型、设置边界条件、设置激励）；定义和添加变量；求解设置及扫频设置；运行仿真设计；仿真查看结果。
参考文献：ansoft hfss 磁场分析与应用实例Hfss原理与工程应用2.HFSS软件设计应用：实验目的：熟悉hfss软件的设计流程及操作步骤实验内容：（a）hfss软件的几何模型的创建:一维线模型（直线、曲线、圆弧）二维平面模型（矩形、圆形、椭圆、多边形）；三维模型（立方体、棱柱体、圆柱、球、圆锥）等的建立。
（b）边界条件的设置：理想导体边界、理想磁边界、辐射边界、理想匹配层、有限导体边界、阻抗边界、对称边界、主从边界、集总RLC边界，分层阻抗边界，无限大地平面边界等的设置。
（c）激励的设置:波端口激励、集总端口激励、磁偏置激励、照射波激励等的设置。
（d）材料属性的设置：相对电导率、相对磁导率、电导率、介质损耗角正切、磁损耗角正切、各向异性材料等的设置。
（e）求解的设置：求解类型、扫频、电场矢量、特性阻抗、阻抗乘法器等的设置及使用。
(f)优化设计的设置：优化方法、优化变量、目标函数、目标权值等的设置及其功能(g)结果查看的设置：阻抗、电磁场分布、谐振频率等的查看方法。
参考文献：ansoft hfss 磁场分析与应用实例Hfss原理与工程应用3.HFSS软件与天线设计实验一：对称振子天线的hfss软件仿真实验实验目的：掌握hfss工作界面、操作步骤及设计流程实验内容：T型波导内场分析与优化设计的HFSS仿真实例。