HFSS天线设计-有限元方法
利用HFSS设计平面等角螺旋天线
利用HFSS设计平面等角螺旋天线HFSS（高频结构模拟器）是一种电磁场仿真软件，广泛应用于无线通信、射频电子、天线设计等领域。
在设计平面等角螺旋天线时，可以使用HFSS来进行仿真、优化和分析。
下面将介绍利用HFSS设计平面等角螺旋天线的步骤和注意事项。
1.定义天线的几何结构：在HFSS中，首先需要定义天线的几何形状。
对于平面等角螺旋天线，可以使用直线段和弧段来描述螺旋的几何结构。
可以选择合适的参数，如螺旋半径、线宽和线距等，来定义螺旋天线的几何形状。
2. 设置边界条件和材料属性：在进行仿真之前，需要设置适当的边界条件和材料属性。
对于平面等角螺旋天线，一般使用PEC（Perfect Electric Conductor）作为边界条件，以确保电磁波在螺旋天线表面的反射和吸收很小。
此外，还需要为天线材料设置合适的电磁参数，如相对介电常数和损耗正切等。
3.设定频率范围和场激励：在HFSS中，可以设置所需的频率范围和场激励方式。
一般来说，平面等角螺旋天线用于宽频工作，因此可以选择一个合理的工作频率范围。
对于激励方式，可以选择点源激励，即在螺旋天线的发射端施加一个适当的电流源。
4. 进行电磁波分析：在设置好几何结构、边界条件、材料属性、频率范围和场激励之后，可以进行电磁波分析。
HFSS使用有限元方法来求解Maxwell方程组，得到电磁场分布、辐射特性等结果。
5.优化和调整参数：根据仿真结果，可以对平面等角螺旋天线的几何参数进行优化和调整。
例如，可以改变螺旋半径、线宽和线距，以优化天线的电磁性能，如增益、辐射方向性等。
6.分析和评估性能：经过优化和调整之后，可以再次进行电磁波分析，得到优化后的天线性能。
可以对比不同参数设置下的性能，如频率响应、辐射图案等，进行评估和选择最佳设计。
在设计平面等角螺旋天线时1.准确地定义几何参数：几何参数的准确定义对于仿真结果的准确性至关重要。
要仔细测量几何参数，并正确输入到HFSS中。
基于ANSYS HFSS软件的Wi-fi天线设计与优化
基于ANSYS HFSS软件的Wi-fi天线设计与优化摘要：本文通过分析实际当中Wi-fi技术的技术要求，包括天线增益、辐射方向、工程实际情况等因素。
建立了基本的模型，通过ANSYS HFSS软件进行电磁场有限元方法（FEM）仿真分析并优化，最终采用双层微带阵列的结构，顶层材料为Rogers TMM(4)的介质板，底层为空气层。
在微带天线中介质板的介电常数和损耗对整个天线的增益和损耗的影响很大，是一个必须要考虑的要求。
由于空气的介电常数低，损耗小，不仅减小了损耗，提高了增益，拓宽了带宽，而且在一定程度上降低了工程中对优良介质板的要求。
关键字：ANSYS HFSS软件；微带天线；辐射增益；有限元法Abstract:This article through the analysis the requirements of wi-fi technology technical in practical application, including the antenna gain, radiation direction, the engineering actual situation and other factors. Basic model is established by ANSYS HFSS software electromagnetic field finite element method (FEM) simulation analysis and optimization, eventually adopt double-layer microstrip array structure, top material to Rogers TMM (4) of medium plate, the bottom as the air layer. Dielectric constant and loss of medium plate in the microstrip antenna affect the whole antenna gain and loss is very evident, is a must to consider requirements. Due to the dielectric constant is low and the air loss is small, not only reduced the loss, improve the gain, broaden the bandwidth, and to a certain extent, reduces the demand for excellent medium plate in engineering.Key words: ANSYS HFSS；microstrip antenna；antenna gain；finite element method (FEM)引言近代以来移动通信技术迅猛发展，并且越来越普及，Wi-fi技术是现代无线通信技术的重要组成部分。
hfss有限元法
hfss有限元法
HFSS（High-FrequencyStructureSimulator）是一种基于有限元法的电磁仿真软件，广泛应用于微波和射频电路设计领域。
它可以帮助工程师设计和优化射频、微波器件和天线，如功分器、耦合器、滤波器、天线等。
有限元法是一种数值分析方法，它将连续物理问题分割为有限数量的子问题，然后通过求解每个子问题的数学模型来得到整个问题的解。
在HFSS中，它将电磁问题分割为有限数量的元素，然后求解每个元素的电场和磁场，并通过这些元素之间的相互作用来得到整个问题的解。
HFSS的主要优点是其高精度和高效率。
它可以处理复杂的电磁问题，并且可以针对不同的物理现象进行建模和仿真。
此外，HFSS 具有可视化界面，可以帮助用户更直观地理解仿真结果，并进行更精细的优化。
在实际应用中，HFSS已经成为了微波和射频电路设计的主流工具之一。
它可以帮助工程师快速准确地评估不同设计方案的性能和特性，从而优化设计并提高产品的质量和可靠性。
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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
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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的微带天线设计与仿真
N o 16 D ec1
文章编号: 167226413 (2009) 0620040203
基于H F SS 的微带天线设计与仿真
来雪梅, 王代华, 张 哲
(中北大学, 山西 太原 030051)
摘要: 针对专用冲击波测试系统中微带天线的特性要求, 利用仿真软件H FSS 建立天线模型, 并对模型进行仿 真优化, 得到了最佳的天线参数。同时为该系统设计了中心频率为214 GH z的微带天线, 采用矢量网络分析仪 对天线的各参数进行了实测, 实测结果与仿真结果吻合, 验证了设计的有效性。 关键词: 微带天线; H FSS 软件; 仿真 中图分类号: TN 82 文献标识码: A
仿真曲线吻合较好。设计的天线在2149 GH z处的反射 系数达到- 31 dB、V SW R 值为1109、输入阻抗为Z in= 471293+ 6107j , 说明了本设计的有效性。
图 6 实测的V SW R 曲线图
图 4 仿真得到的史密斯圆图
图 5 实测的反射系数曲线图
4 结论 讨论了微带天线的设计原理, 根据天线尺寸的计
的波长为125 mm。综合考虑天线设计参ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ及环境适应
性要求, 最终选定介质基板厚度h= 018 mm , Εr= 414, 材料为 FR 4。 贴片和接地板材料为铜, 铜箔的厚度为
T , 其电导率为Ρ= 1157×107 s m。由式 (1) 可得: W ≤
38 mm。该值是微带天线宽度的最大值, 经过仿真、优
算公式, 分析了不同尺寸参数对微带天线的性能影响。 设计了中心频率为214 GH z的微带天线, 利用H FSS 软 件建立天线模型, 得出了天线特性的仿真曲线。 采用 矢量网络分析仪对设计的天线进行实测, 实测曲线与
2024版HFSS中文翻译及概述
场分布，进而得到整个模型的电磁场
值函数来逼近真实解。
分布和传播特性。
三维模型离散化
HFSS将三维模型离散化为有限个四面
体或六面体单元，并在每个单元上定
义电场和磁场的自由度，从而构建出
整个模型的有限元方程。
边界条件与求解器选择
边界条件设置
在HFSS中，用户可以根据实际问题的需求设置不同的边界条件，如完美电导 体（PEC）、完美磁导体（PMC）、辐射边界条件等。这些边界条件能够模拟 电磁波在不同介质和物体表面的反射和透射行为。
复杂几何体构建
通过基本图形的组合、变换和布尔运算等操 作，构建复杂几何体。
导入外部CAD文件
了解导入外部CAD文件的方法及注意事项。
网格划分策略及优化建议
网格划分原则
遵循由粗到细、逐步细化的原则 进行网格划分。
网格类型选择
根据模型特点选择合适的网格类 型，如四面体网格、六面体网格 等。
网格质量控制
主界面布局与操作习惯培养
主界面布局
HFSS主界面包括菜单栏、工具栏、项 目管理器、属性窗口、设计树等部分， 整体布局合理，方便用户操作。
操作习惯培养
建议用户从基础操作入手，逐步熟悉 HFSS的操作流程和界面布局，培养良 好的操作习惯。
菜单栏功能介绍
文件菜单
用于新建、打开、保存、导入、导出项目 文件等操作。
仿真菜单
包括运行仿真、查看仿真结果、优化设计 等核心功能。
编辑菜单
提供撤销、重做、复制、粘贴、删除等常 用的编辑功能。
工具菜单
提供网格设置、单位设置、选项设置等辅 助功能。
视图菜单
用于调整视图显示方式，如缩放、旋转、 平移等。
工具栏快捷方式使用技巧
基于hfss的超宽带天线的仿真设计
基于hfss的超宽带天线的仿真设计基于HFSS的超宽带天线的仿真设计学生姓名:学号:学院(系):2014年06月基于HFSS的超宽带天线的仿真设计摘要:超宽带通信技术以其高速率、抗多径效应和低成本等一般窄带系统无法比拟的优势成为最具竞争力和发展前景的技术之一。
作为系统的重要组成部分，超宽带天线的设计引起了越来越多的关注。
与传统的宽带天线相比，超宽带天线的设计更具有挑战性，这是由于天线除了需要具有超宽的工作频带(3.1GHz-10.6GHz)，还要能够保持尺寸的紧凑,价格的低廉,并且易于与平面大规模电路集成。
同时，由于在超宽带频段中还存在着一些窄带通信系统是使用的频段，因此，这就要求尽量避免潜在的电磁干扰。
本文主要基于HFSS仿真及分析超带宽天线。
关键词:HFSS 超宽带天线电磁干扰1、超宽带天线的特点以及研究背景无论是军事通信还是民用通信都对天线的宽频性提出了更高的要求，特别是UWB通信中，要求天线的带宽达3.1GHz-10.6GHz。
在超宽带天线的应用中，要求天线具有尺寸小，便于集成等特性。
因此，设计出能够与射频通信电路集成的平面微带天线就成为本文的主要研究目标。
此外，在FCC规定的3.1GHz-10.6GHz频段中，还存在的IEEE 802.16 Wimax系统(3.3GHz-3.6GHz)、C波段卫星通信系统(3.7GHz-4.2GHz)、IEEE 802.11bWLAN/HIPERLAN系统(5.15GHz-5.825GHz)。
因此，如何解决这些已经存在的系统与UWB 频段的电磁兼容问题，是本文研究的一个重中之重。
超宽带天线因为其频带特别宽，容易受到频带范围内其它窄带信号的干扰，如果窄带信号的所在的固定频率已知，那么可以用射频滤波技术来滤除这些干扰信号。
假如一个超宽带接收机，同时兼有高功率的窄带系统，高功率的窄带信号就会对超宽带接收机的信号进行干扰。
有时候希望把超宽带天线和具有高灵敏度的窄带接收机结合在一起，这样在一定环境里，超宽带系统就容易受到窄带接收机的干扰。
2024版HFSS19官方中文教程系列L05
2023REPORTING HFSS19官方中文教程系列L05•教程介绍与背景•基础知识回顾•模型建立与网格划分•边界条件与激励设置•求解设置与结果分析•高级功能与应用实例•总结与展望目录20232023REPORTINGPART01教程介绍与背景HFSS19软件概述HFSS19是一款高频电磁场仿真软件，广泛应用于天线设计、微波器件、电磁兼容等领域。
该软件基于有限元方法，支持多种求解器和高效算法，可快速准确地分析复杂电磁问题。
HFSS19提供了丰富的建模工具和材料库，支持多种导入格式，方便用户进行模型建立和编辑。
教程目标与内容01本教程旨在帮助用户掌握HFSS19软件的基本操作和分析方法，培养解决实际问题的能力。
02教程内容包括HFSS19软件安装与启动、界面介绍与基本操作、建模与网格划分、求解设置与后处理等方面。
03通过本教程的学习，用户将能够独立完成简单电磁问题的建模、分析和优化。
A BCD学习方法与建议在学习过程中，可以结合实际操作和案例分析，加深对知识点的理解和应用。
建议用户按照教程顺序逐步学习，掌握每个步骤的操作方法和注意事项。
为了更好地掌握HFSS19软件的应用技巧，建议用户多进行实践练习和案例分析。
遇到问题时，可以参考教程中的常见问题解答或寻求专业人士的帮助。
2023REPORTINGPART02基础知识回顾电磁场理论基本概念电场和磁场电荷周围存在电场，电流周围存在磁场。
电场和磁场是相互联系的，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。
麦克斯韦方程组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程，由四个方程组成，分别是高斯定律、高斯磁定律、麦克斯韦-安培定律和法拉第感应定律。
电磁波电场和磁场交替变化并相互激发，形成电磁波。
电磁波在真空中以光速传播，具有能量和动量。
有限元方法简介有限元方法的基本思想将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。
利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。
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建模过程：
（1）设置模型单位：3D Modeler>Units>选择cm>OK
2) 选择模型材料： 在search 材料框中 输入 rogers RT/等选 择5880材 料
3）建立基底：Draw>Box>在底部的坐标输入框中输入坐标,确认后在属性对话 框中输入基底名称SUB1，键入CTRL+D，缩小全部显示基底
1 S11 VSWR 1 S11
VSWR 2, S11 10dB
由于天线与馈线的阻抗不匹配或者天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量反 射，并与前行波干扰形成驻波。当完全匹配时，反射系数为0，驻波比为1， 这是理想状态。
b)远区辐射场特性 创建求解报告如图示：
如图设置输出参数
有关增益单位的定义：
四、HFSS的使用与实例
1、HFSS的安装：
依次安装: HFSS SCAP LIB 然后安装补丁：
见后图
并复制 license.lic to \Admin\
2、HFSS的应用：
以实例说明：
实例1：探针馈电的贴片天线
基底：10 by 9 cm 厚度：0.32 cm 相对介电常数：2.2
贴片：4 by 3 cm
12）创建辐射边界条件
首先选择真空材料 Draw>box>输入辐射边界的位置坐标 （-5，-4.5,0） 长宽高（10, 9, 3.32）确认 命名为air， Ctrl+D 缩小观察尺寸
下边设置辐射边界条件：
Edit>select>faces> 选择air的5个面，除了底面。 HFSS>boundaries>radiation 命名为rad1, 确认即可
9）馈电同轴线建模：
首先设置默认材料为真空 Draw>Cylinder>输入位置坐标 （-0.5, 0, 0）回车， 半径（0.16, 0, 0）回车 同轴线长度（0, 0，-0.5）回车 从properties 窗口中输入名称 coax
按住ctrl+alt,拖动鼠标变换视角
选择默认材料为pec， 建立同轴线的轴心 Draw>cylinder>输入 柱位置坐标（-0.5, 0, 0） 柱半径（0.07, 0, 0）
设置端口名p1,点击下一步
终端数目：1 从终端线中选择new line 出现下列对话框，并在底部的 坐标输入框中输入矢量线的位 置坐标始点（-0.34,0，-0.5） 长度为（-0.09,0,0）确认，下 一步到完成即可。
说明两点：
（1）两种波端口加法： Wave port：假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与 端口相同的截面和材料，每个端口都是独立的激励并且在端口中每一个入射模 式的平均功率为1瓦。 Lumped port：这种激励避免建立一个同轴或者波导激励，从而在一定程度上 减轻了模型量，也减少了计算时间。Lumpport也可以用一个面来代表，要注意 的是对该port的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要与其 他金属（或者电面）相连，否则结果记忆出错。 （2）本例中波端口新线的定义位置示意
3、dB dB是一个表征相对值的值，当考虑甲的功率相比于乙 功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10lg（甲 功率/乙功率）是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。 [例7] 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为 3.9dB。 [例8] 如果甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm， 则可以说，甲比乙大6 dB。
柱长（0, 0, -0.5）确认
输入名称coax_pin ok
10）创建波端口激励 Draw>Circle>输入端口面 的位置坐标 （-0.5,0，-0.5） 输入半径（0.16,0,0） 命名为port1，确认 选择port1,设置激励 HFSS>Excitations>Assign >Wave prot>
工作频率：2.25GHz
创建一个工程
注意检查： a)Tools>Options>HFSS Options b)Tools>Options>3D Modeler Options
Check it
设置求解类型：HFSS>Solution Type>Driven Tenminal
模式驱动：计算以模式为基础的S参数，根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩 阵的解，波导、天线、散射场等多用这个模式。这是种从场的方式进行仿真分析，给 出的是功率。 终端驱动：计算以终端为基础的多导体传输线端口的S参数，此时，根据传输线终端 的电压和电流表示S参数矩阵的解， 微带类用这个比较多。这是种从路的角度仿真分 析，给出的是电压电流，而集中端口就是通过RLC参数计算阻抗。 本征模：计算某一结构的本征模式或谐振，本征模求解器可以求出该结构的谐振频率 以及这些谐振频率下的场模式。
（-7，-4.5, 0.16）回车
（12, 9， 0）回车
5）设置ห้องสมุดไป่ตู้的边界条件：
Edit>Select>by name>选择gnd>ok Hfss>Boundaries>Assign>Perfect E >输入名称perfe_gnd, 确认infinite ground plane 未被checked>ok
0.07 0.16 中心位置坐标是-0.5，所以外径的位置是： -0.5+0.16=-0.34 指向轴心的长度为：0.16-0.07=0.09 矢量线的位置坐标始点（-0.34,0，-0.5） 长度为（-0.09,0,0）
11）创建探针（probe)，完成贴片天线设计
Draw>Cylinder>输入坐标 （-0.5,0,0） 半径（0.07,0,0） 长度（0,0,0.32）确认 命名为probe即可。
Check it
设置求解类型：HFSS>Solution Type>Driven Tenminal
（1）设置模型单位：3D Modeler>Units>选择cm>OK
2) 选择模型材料：
在search 材料框中 输入 rogers RT/等选 择5880材 料
3）建立基底：Draw>Box>在底部的坐标输入框中输入坐标,确认后在属性对话 框中输入基底名称SUB1，键入CTRL+D，缩小全部显示基底
6)创建缝隙，通过减运算完成地的设计 Draw>rectangle> 位置(-0.0775,-0.7,0.16)和 大小（0.155,1.4,0），输入名称slot确认 即可
完成地的设计： 从选择窗口选择gnd和slot, 从3d modeler>boolean> Subtract 选择：blank part：ground tool part:slot 如图完成减运算。
13）设置辐射场分析条件 HFSS>radiation>insert far field setup>infinite sphere 在对话框中如图选择参数 确定
14）创建分析设置
HFSS>analysis setup>add solution setup 选择General tab 求解频率：2.25GHz 最大迭代处理阶段数：20 （即hfss完成仿真的最大迭代次数，如果 在这个次数之内达到了delta S的收敛值， 就可以认为达到计算要求，否则会要求修 正收敛精度和迭代次数） 每个阶段的最大delta S: 0.02 （即收敛精度，这个与端口设计有关，是 两个连续迭代求解S参数的数量变化的收 敛值，即如果两次迭代过程的S参数的数 量变化和相位变化均小于这个设定值，那 么自适应分析求解就会停止，否则将继续 修改网格，直到在规定的迭代次数内达到 精度要求为止，否者结果是发散的，不能 用）
[例9] 如果甲天线为12dBd，乙天线为14dBd，可以说 甲比乙小2 dB。
实例2：缝隙耦合贴片天线
尺寸参数：
Patch:4*3cm
Sub:12*9*0.32cm
Permittivity:2.2
Feedline:7*0.495cm Slot:0.155*1.4cm
同样注意检查： a)Tools>Options>HFSS Options b)Tools>Options>3D Modeler Options
继续加人频率计算范围：
HFSS>analsis setup>add sweep>ok 如图编辑sweep 窗口：
保存工程，即可开始经行求解分析。
15）求解分析
模型检查：HFSS>Validation check 分析开始：HFSS>analyze 查看求解结果的敛散性： HFSS>results>solution data
（-7，-4.5, 0）回车 （12, 9， 0.32）回车
键入Sub1
键入Ctrl+D
4）建立有限大 ground：Draw>Rectangle>在底部的坐标输入框中输 入坐标(-7,-4.5,0.16)和（12,9,0）,确认后在属性对话框中输入地的名 称gnd，Ok, 然后键入CTRL+D，缩小全部显示基底
2、dBi 和dBd dBi和dBd是考征增益的值（功率增益），两者都是一个 相对值， 但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向 性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。 一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表 示出来要大2. 15。 [例3] 对于一面增益为16dBd的天线，其增益折算成单位 为dBi时，则为18.15dBi（一般忽略小数位，为18dBi）。 [例4] 0dBd=2.15dBi。 [例5] GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi）， GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi)。