HFSS 天线设计实例
【案例分析】经典HFSS仿真实例详解
【案例分析】经典HFSS仿真实例详解新朋友请点击上⽅RFsister关注我们关于仿真软件HFSS相信⼤家多少都有听过，这是⼀款⾮常强⼤好⽤的仿真软件，已经被应⽤于多个领域，当然，天线设计也离不开仿真软件。
本期⼩编为⼤家带来的是经典天线——对称振⼦天线仿真。
下⾯我们先来看看软件的简介。
HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，⽬前已被ANSYS公司收购；是世界上第⼀个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的⼯业标准。
HFSS提供了⼀简洁直观的⽤户设计界⾯、精确⾃适应的场解器、拥有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。
HFSS软件拥有强⼤的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、⽅向性、远场⽅向图剖⾯、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴⽐。
使⽤HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端⼝特征阻抗和传输常数；③ S参数和相应端⼝阻抗的归⼀化S参数；④结构的本征模或谐振解。
⽽且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft⾼频解决⽅案，是⽬前唯⼀以物理原型为基础的⾼频设计解决⽅案，提供了从系统到电路直⾄部件级的快速⽽精确的设计⼿段，覆盖了⾼频设计的所有环节。
下⾯我们先来看看建⽴HFSS⼯程的⼀般过程。
（1）⾸先第⼀步是运⾏Ansoft HFSS：（2）然后单击下图红框处图标，在当前⼯程中插⼊⼀个设计：（3）选择求解类型，如下图：（4）为建⽴模型设置合适的单位，如下图：（5）在3D窗⼝中建⽴模型。
（6）设置需要的辐射边界。
（7）如果选择激励求解或激励终端求解，则需要为模型设置激励。
（8）设置求解频率及扫频操作等。
（9）点击下图按钮，检查当前⼯程的有效性。
用HFSS对宽波束圆极化天线的设计
- 122 - Ansoft2004年用户通讯用HFSS 对宽波束圆极化天线的设计房丽丽 应子罡 吕昕（北京理工大学 信息科学技术学院100081）摘要：本文用HFSS 设计了一种新型的螺旋天线结构，将角锥螺旋与四臂螺旋的结构巧妙的结合起来，并采用了自相移结构及渐进式的平衡馈电，经HFSS 对其辐射特性进行分析以及实测结果，都说明该种天线在实现宽波束圆极化的同时，展宽了频带，且结构简单。
关键词：圆极化 HFSS 螺旋天线一 引言星上测量装置及其他空间通讯设备上，需要天线具有宽波束、圆极化的性能，圆锥螺旋天线、谐振式四臂螺旋天线和微带天线都可以形成半球形的圆极化方向图。
但是考虑到天线装载在太空中，要受到高能粒子、宇宙射线的影响，以及大的温度交变，如果用微带天线的话介质层可能变脆剥落。
另外，微带天线不容易实现高的增益。
相比较下，螺旋天线不仅可以实现宽波束圆极化，还具有体积小、重量轻、结构稳定的优点，引起广泛的重视和应用。
我们这里提出了一种新型的螺旋结构，将圆锥螺旋天线与四臂螺旋天线结合起来，采用自相移实现90°相位差，采用渐变式的平衡馈电。
经过HFSS 仿真分析和实际测试，都说明该天线在实现宽波束圆极化的同时，展宽了频带，结构简单紧凑。
二 螺旋天线的结构1. 辐射部分角锥螺旋天线有单螺旋、双臂螺旋等形式，这里我们采用单臂螺旋角锥螺旋天线，可以表示为ϕρρb +=0 （1）其中，ρ为圆锥顶点到螺旋线任一点的距离，ρ0为圆锥顶点到螺旋线起点的距离，b 为常数，由圆锥的锥角和螺旋线的包角决定。
谐振式四臂螺旋部分由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂到馈电点的长度为M λ／4(M 为整数)．四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差90º；非馈电端开路(M 为奇数时)或短路(M 为偶数时)。
我们将角锥螺旋与四臂螺旋的结构结合起来。
其中，四臂螺旋的相位差通过同轴馈线末端开四个槽，分成四部分，每部分的末端与四臂螺旋的臂相连。
利用ADS和HFSS仿真微带天线案例
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。
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随着无线通信技术的快速开展，无线通信已经广泛应用到雷达"移动通信"卫星定位"无线局域网络"卫星电视等诸多领域!而天线那么是无线通信系统号发射和接收的关键局部，它直接影响着无线通信的性。
随着移动通信中跳频"扩频等通信技术的开展，同时为了满足与多个终端的通信要求，实现多系统共用和收发共用等功能，这就要求天线在不同频段下工作。
因此天线的多频段通信技术成为现代无线通信领域迫切需要研究的问题。
微带天线有多种馈电方式，其中同轴线馈电是一种最常用的馈电方式!同轴线馈电是将同轴插座安装在接地板上，本文在一种常用的2.45GHz同轴馈电微带天线的根底上，利用HFSS三维电磁仿真软件合理设计同轴馈电的位置及改变辐射贴片的尺寸，使天线获得一个新的谐振频率，大小为1.9GHz，且输入阻抗为50Ω左右，并且对仿真结果进展了详细的分析。
最后根据仿真结果制作天线实物，在实际的电磁环境下对天线的驻波比进展测试，得到较好的效果。
1 2. 45 GHz同轴馈电微带天线参数一种常用的2. 45 GHz同轴馈电微带天线的原理图如图1和图2所示图1 中L0为辐射贴片X 轴长度，L0 = 27．9 mm; W0为辐射贴片Y 轴长度宽度，W0 = 40 mm; L1为同轴馈电点离辐射贴片中心距离，L1 = 6.6 mm。
图2 中介质基片厚度H = 1．6 mm; 介质基片介电常数ε = 4.4。
2双频微带天线设计在2．45 GHz 微带天线中的辐射贴片在X 轴方向的长度为27．9 mm，同轴线馈电点( A 点) 离辐射贴片中心距离为6．6 mm。
只需在此根底上分析给出微带天线的辐射贴片在Y 轴方向的长度和同轴线馈电点( B 点) 的位置，能够使天线能够工作于9 GHz，然后过A 点和B 点的垂直相交点( C 点) 即为需要找到的双频馈电点。
X 轴上的A 点为激发2．45 GHz 工作频率的馈电点，其输入阻抗为50 Ω左右，由于A 点位于辐射贴片Y 轴方向的中心线上，因此不会激发Y 轴上的工作频率。
(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的天线设计流程..
天线设计流程：1.确定设计目标2.查阅资料，确定形状，给出结构图（变量形式）3.仿真建模、求解4.优化设计，确定变量值5.版图，加工，测试设计目标：设计并实现一款超宽带天线，天线馈电方式采用50Ohm微带线进行馈电，天线在3.1-10.6GHz频段范围内满足S11<-10dB，天线辐射方向图为全向。
天线介质基板采用选用介质板FR-4，其相对介电常数为4.4，厚度为h=0.8mm。
基于HFSS13.0的超宽带天线设计实例：的超宽带天线设计实例：一、一、 建立工程建立工程菜单Project->Insert HFSS Design 二、二、 设置求解模式设置求解模式菜单HFSS->Solution Type->天线为Driven Modal 三、三、 天线模型建立天线模型建立 1、 设置模型尺寸长度单位设置模型尺寸长度单位菜单Modeler->Units->mm->OK 单位一般设置为毫米mm。
2、天线模型结构天线模型结构本例天线采用的模型如图1所示，其详细结构尺寸见表1. 超宽带平面天线结构图图1 超宽带平面天线结构图初步设计的超宽带平面天线尺寸表1 初步设计的超宽带平面天线尺寸w=16mm l=32mm h=0.8mm wd=1.5mm l1=12mm h1=11mm w1=3mm h2=20mm h3=4mm 微带线阻抗验证：1)、采用Agilent AppCAD计算计算2、采用LineCalc计算工具（ADS中的工具）中的工具）、输入设计参量菜单Project->Project Variables或者HFSS->Design Properties 点击Add，输入w=16mm变量，详见下图变量，详见下图中全部变量，最终如下图4、建立模型、建立模型（1）创建介质板FR4 （a）在菜单栏中点击Draw>Box，在模型窗口任意创建Box1 （b）双击模型窗口左侧的Box1，改名为Substrate，在点击Material后面的按钮，选择Edit，搜索FR4，选择FR4_epoxy点击确定。
HFSS仿真工程实例 (微波器件)
LR 10 lg 1 S21 j dB
2
（5-1-3）
滤波器的相位响应为
21 ArgS21 j
（5-1-4）
由此可得该网络的群延时响应为
d 21 d d
（5-1-5）
第5章工程实例 1.Butterworth响应 1930年，Butterworth提出了一类响应函数：
（5-1-11）
其中，ε =10LAr/10-1表示带内波纹系数。该响应在复平面上 的复极点为 2i 1 1 pi j cossinh j （5-1-12） 2n
1 1 1 sinh sinh n
（5-1-13）
第5章工程实例
来给出的高），由带外衰减给出模式k1的值：
L As
其中，LAs是阻带的衰减要求。
2 2 （5-1-19） 10 lg 1 10 lg 1 k2 1
第5章工程实例 (4)计算滤波器的节数n：
KK1 ' n K1 K '
（5-1-20）
其中，K是以k为模数的第一类完全椭圆积分 ;K′是以k的余 模数 k ' 1 k 2 为模数的第一类完全椭圆积分 ;K1 是以 k1 为 模 数 的 第 一 类 完 全 椭 圆 积 分 ;K1′ 是 以 k1 的 k1余 ' 模 1 数 k12 为模数的第一类完全椭圆积分。滤波器的节数选用大于n的 整数，为n+1。
（5-1-34）
在上面所述的准椭圆函数的构造方法中，必须对等波
纹系数进行适当的修正，以得到修正后的等波纹系数 ε 1。
修正波纹系数的方法有下面两种。 (1)取ω Fn导数为零的点，得到(-1,1)内各点的最大值α ， 则
Example1.3_HFSS_共面波导(CPW)馈电蝶形天线
第六节 共面波导(CPW)馈电蝶形天线·这个例子教你如何在HFSS设计环境下创建、仿真、分析一个共面波导（CPW）馈电蝶形天线。
·采用集总端口（Lumped Port）激励源为共面波导（CPW）馈电F.5.6. 1参考资料Guiping Zheng, A. Z. Elsherbeni, and C. E. Smith, “A coplanar waveguide bowtie aperture antenna,”Antennas and Propagation Society International Symposium, 2002. IEEE, Volume 1, 16-21 June 2002, Page 564-567.设计回顾一） C PW槽以及天线形状将会在一个金属平面上。
试想一下端口是怎样的？二） 将在8—12GHz的频段上对该天线进行分析。
试想空气体积应该设为多大？微波仿真论坛组织翻译 第179 页一.开始一）启动Ansoft HFSS1．点击微软的开始按钮，选择程序，然后选择Ansoft，HFSS10程序组，点击HFSS10，进入Ansoft HFSS。
二）设置工具选项注意：为了按照本例中概述的步骤，应核实以下工具选项已设置：1．选择菜单中的工具（Tools）>选项（Options）>HFSS选项（HFSS Options）2．HFSS选项窗口：1）点击常规（General）标签a．建立新边界时，使用数据登记项的向导（Use Wizards for data entry when creating new boundaries）：勾上。
b．用几何形状复制边界（Duplicate boundaries with geometry）：勾上。
2）点击OK按钮。
3．选择菜单中的工具（Tools）>选项（Options）>3D模型选项（3D Modeler Options）4．3D模型选项（3D Modeler Options）窗口：1）点击操作（Operation）标签自动覆盖闭合的多段线（Automatically cover closed polylines）：勾上。
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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。
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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, 0.0.0
2、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。
起名为 ground
下面就是画馈源了：我们采用同轴线馈电，有两种建模方法：
1、在馈电点画一0.5mm的铜柱代表同轴线内导体，起名为feed
2、在介质板底面馈电点处画一1.5mm的圆，起名为port
3、复制port为port1,复制feed为feed1
4、复选port和feed1，执行菜单里3D Modeler\Boolean\Subtract，使port成为一个内径0.5mm外径1.5mm
的圆环
5、复选ground和port1,执行菜单里3D Modeler\Boolean\Subtract，在ground上去掉半径为1.5mm的圆
port最后是这样的
画辐射吸收场区：画一个box，大约是离天线四分之波长。
由于天线是强辐射器件，故设定吸收边界条件为ABC（Asymptote Boundary Condition 渐进边界条件）时为，而不是，这样会提高计算精度，但同时计算时间喝内存需求也大大增加。