基于HFSS的偶极子天线设计与仿真
半波偶极子天线的HFSS仿真设计
半波偶极子天线的HFSS仿真设计在开始仿真设计之前，首先需要进行天线的三维建模。
打开HFSS软件，并选择新建工程，设定仿真频率范围和单位。
然后点击导航栏的“模型创建”按钮，选择“3D模型”。
在新建的3D模型中，选择“导入”按钮，导入天线的CAD模型，或者手动绘制天线的几何结构。
根据具体的设计要求，设置天线的尺寸和材料等参数。
接下来，需要定义天线的材料特性。
点击导航栏的“材料”按钮，选择“创建材料”。
根据具体的天线材料属性，设置材料的介电常数、磁导率等参数。
点击“应用”按钮，完成材料属性的定义。
然后，进行边界条件的设置。
点击导航栏的“边界条件”按钮，选择“终止条件”。
选择边界条件的类型，如正常边界条件、电磁边界条件等。
根据具体的设计要求，设置边界条件的参数。
点击“应用”按钮，完成边界条件的设置。
接下来，需要设定仿真的激励模式。
点击导航栏的“激励”按钮，选择“微带激励端口”。
设置仿真的频率、激励电压等参数。
根据具体的设计要求，设置激励的位置和方向等参数。
然后，进行网格划分。
点击导航栏的“网格划分”按钮，选择“全局网格划分”。
根据具体的仿真要求，设置网格划分的密度、精度等参数。
点击“划分”按钮，生成网格。
完成网格划分后，需要进行仿真求解。
点击导航栏的“求解器设置”按钮，选择合适的求解器，如频域求解器或时域求解器等。
根据具体的仿真要求，设置求解器的参数。
然后点击“求解”按钮，进行仿真求解。
仿真求解完成后，可以进行结果的分析和优化。
点击导航栏的“结果”按钮，选择合适的结果显示方式，如3D图像、功率图等。
根据具体的设计要求，分析天线的辐射图案、增益等性能指标。
根据需要，进行参数的优化，如改变天线的尺寸、位置等。
再次进行仿真求解，直至达到预期的性能指标。
本文介绍了使用HFSS软件进行半波偶极子天线的仿真设计的步骤和方法。
通过三维建模、材料定义、边界条件设置、激励模式设定、网格划分、仿真求解和结果分析等步骤，可以实现对半波偶极子天线性能的仿真和优化。
HFSS天线仿真操作步骤(GAO)
HFSS天线仿真操作步骤画激励面点选矩形框1 设置边界条件1 选择某个需要设成地的面，然后2 设为地平面（打钩）注：辐射单元也需要设置，但不需要在无线地的选项中打钩。
2 设介质选择好某个体，Box1.在下面的菜单中有“Material”项目。
点““Material”，弹出一个菜单。
选“Add Material”，又弹出一个菜单将原介电常数数值1修改为4.5后点“OK”则该处改为2.65点“确定”3 设置金属化孔重新选择某个面：“Edit”“Select”“By Nane”弹出菜单选择金属化通孔，点“OK”点框图中的“vacuum”（真空）弹出一个菜单移动滑动条到出现“copper”双击，确定。
4设置激励端口选“Wave Port”，弹出一个菜单。
选“下一步”点“None”，弹出下拉菜单，选“New Line”出现下面菜单设电场方向从下底板拉到上底板，但方向必须是垂直的为保证是垂直的，dx必须为0. 回车后弹出菜单点“下一步”出现下面菜单选择选完成。
5 创建辐射边界1 选2 输入合适数值3 输入合适数值4 回车确定5 辐射边界的一个面必须和激励面是一个面。
选“HFSS”“Boundaries(边界)”“Assign（分配）”“Radiation（辐射）”弹出一个菜单点“OK”。
让辐射边界不显示出来。
点右键，选“View”“Hide Selection”6 选择步进值点“放大镜”符号弹出一个菜单设置步进值点，弹出下面菜单：点“确定”，弹出下面菜单：修改几个数值：8 运行中心频率选“4G”打开“Setup1”下面的“Sweep1”修改步进值为“0.01”10输出曲线1 用左键点击“Results”弹出下拉菜单：选第一个“Create Report”(创建报告)弹出一个菜单点“OK”,弹出一个菜单：选“Done”即可输出曲线12 表面电流分布的输出1 选择要分析电流的那个面点右键，选“Fields”，“E”“Mag_E”,弹出一个菜单选“Done”，即可显示结果。
HFSS_半波偶极子天线设计解析
在主菜单栏中选择HFSS----Solution Type，选中 Driven Model单选按钮，然后单击ok按钮，完 成设置。
（3）设置模型长度单位
在主菜单栏中选择Modeler----units，选择mm。
2.添加和定义设计变量 在HFSS中定义和添加如图1所示的变量。 在HFSS主菜单栏中选择HFSS----Design
▪ 对于半波偶极子天线而言，输入阻抗近似看为辐射电阻 73.2欧姆。
▪ 可见，半波偶极子天线的输入阻抗是纯电阻，易于和馈 线匹配，这也是它被较多采用的原因之一。
3.2 半波偶极子天线设计 变量定义
▪ 这里要求设计一个中心频 率为3GHz的半波偶极子 天线，天线沿z轴放置， 中心位于坐标原点，天线 材质使用理想导体，总长 度为0.48λ，半径为 λ/200.天线的馈电采用 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λ/4。
2.添加和定义设计变量 在HFSS中定义和添加如图1所示的变量。 在HFSS主菜单栏中选择HFSS----Design
Properties命令，打开设计属性对话框，单击 ADD按钮，打开add property对话框，在add property对话框中的name输入lambda，初始值 100mm，然后单击ok。 依次定义变量length，初始值0.48*lambda；定义 变量gap，初始值0.24mm；定义变量 dip_length，初始值length/2-gap/2；定义变量 dip_radius，初始值lambda/200；定义变量 rad_radius，初始值dip_radius+lambda/4；定 义变量rad_height，初始值 dip_length+gap/2+lambda/10。 最后点确定按钮。
HFSS_半波偶极子天线设计
双击操作历史树中的Dipole下的 createcylinder节点，打开新建圆柱体属性 对话框的command选项卡，在该选项卡中 设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。 在center Position文本框中输入底面圆心坐 标（0，0，gap /2）,在Radius文本框中 输入半径值dip_radius，在height文本框中 输入长度值dip_length，如下图所示。然后 单击确定按钮，完成圆柱体Dipole的创建。 到此为止创建好了名称为Dipole的理想导体细 圆柱体模型，按快捷键ctrl+D全屏显示。
辐射边界 圆柱体高 度
3.3 HFSS天线设计流程
设置求解类型：模式驱动（driven model）、 终端驱动（driven Terminal） 创建天线的结构模型：根据天线的初始尺寸和结构， 在HFSS窗口中创建出天线的HFSS参数化设计模型。 设置边界条件：在HFSS 中，与背景接触的表面都被 默认设置为理想导体边界（Perfect E）；为了模拟 无限大的自由空间，必须把与背景相接触的表面设 置为辐射边界条件或者理想匹配层（PML），这样 才能计算出远区辐射场。
cos cos 2 2 15I 2 r 2 sin dd 36.6 I 2 m Pr Pav dS m 2 2 0 0 r sin 这里使用R r 来表示辐射电阻，有：
2
1 2 Pr 36.6 I I m Rr 2 所以：Rr 73.2
3.4天线的HFSS仿真设计
1.新建设计工程 （1）运行HFSS并新建工程 启动HFSS软件，新建一个工程文件，把工程文件 另存为dipole.hfss。 （2）设置求解类型 在主菜单栏中选择HFSS----Solution Type，选中 Driven Model单选按钮，然后单击ok按钮，完 成设置。
HFSS天线仿真实验报告
HFSS天线仿真实验报告半波偶极子天线设计通信0905杨巨U2009138922012-3-7半波偶极子天线仿真实验报告一、实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图特性等4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法二、实验仪器1、装有windows系统的PC一台2、HFSS13.0软件3、截图软件三、实验原理1、首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。
2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。
一臂的导线半径为a，长度为l。
两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。
对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。
3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。
取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为：式中，Im为天线上波腹点的电流；k=w/c为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心店对称；超过半波长就会出现反相电流。
4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。
利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。
电流元I(z)dz所产生的辐射场为图2 对称振子辐射场的计算如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为其中5、方向函数四、实验步骤1、设计变量设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。
提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化2、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。
其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。
3、设置端口激励半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。
基于HFSS天线去耦仿真的设计
基于HFSS天线去耦仿真的设计 1、天线去耦网络的意义 大多数无线系统天线单元的都尽可能的松散排布，其相互之间的间隔足够大，因此天线间的互耦效应较弱。
但是在手机等移动终端，由于空间狭窄，天线单元之间间距很小，从而会产生强烈的电磁耦合。
研究表明，当天线间的间距小于或等于信号波长的一半时，接收天线上所收到的信号已经明显受到互耦效应的影响了。
当天线单元之间的间距继续减小，这种现象就会变得更加明显，从而严重影响无线系统的接收性能。
因此，一个空间狭窄的无线系统，在其天线设计过程中就必须考虑尽可能好的处理天线间的互耦。
在工程中，一般用隔离度表征天线间的互耦效应，在wifi频段的天线设计中，通常要求天线隔离度大于15dB。
解决天线互耦问题的方法有很多，例如改变天线的间距和极化方式、设计去耦网络、设计缺陷地结构、设计电流中和线等。
这些方法都可以利用HFSS来进行仿真分析，其中利用去耦网络技术来降低天线间的耦合度，天线单元的设计和去耦网络的设计可以分开进行，避免了联合仿真优化设计的复杂性，因此这里先介绍如何使用HFSS仿真设计天线去耦网络。
2、HFSS仿真设计天线去耦网络的步骤 从网络分析的角度来看，去耦的实质就是使多端口网络的阻抗矩阵的互阻抗趋向于零，或者使散射矩阵的反向传输系数趋向于零。
常见的去耦网络结构如下图所示，其去耦原理正是基于对网络参数的分步分析来实现的。
简单来说，可以分为以下三个步骤： 第一步，由于初始天线阻抗匹配良好，而天线之间却存在强烈的耦合。
因此网络D的功能是将两个端口之间的传输导纳从复数变为纯虚数。
第二步，引入并联电抗来抵消上述的纯虚数传输导纳，使得传输导纳的取值为零，这样便达到了去耦的目的。
第三步，由于去耦网络的引入，从端口看去天线的阻抗失配，因此，再外加匹配网络使得天线达到阻抗匹配。
HFSS不仅可以准确仿真天线的远场辐射特性，在去耦网络、匹配网络的EM仿真运用上也便利。
下面举一个简单的实例。
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的天线设计流程
基于HFSS的天线设计流程HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一种用于高频电磁场仿真的软件工具，常用于天线设计领域。
以下是基于HFSS的天线设计流程，详述了设计前的准备、模型建立、仿真和优化等关键步骤。
一、设计准备1.需求分析：明确天线设计的要求，如频率范围、增益、方向性等。
2.材料选择：根据设计要求选择合适的材料，如介电常数、磁导率等。
二、模型建立1.创建天线几何体：使用HFSS的建模工具，绘制天线的几何形状，如导线、片状、贴片等。
2.导入材料参数：为天线几何体设置材料参数，指定介电常数和磁导率等参数。
3.锁定边界条件：确定边界条件，如天线周围是否存在接地平面或闭合结构等。
三、仿真设置1.电磁辐射频率范围：设定天线的工作频率范围。
2.网格划分：对天线模型进行网格划分，使得模型细节得到准确表达。
3.求解器设置：选择合适的求解器类型和参数，如自适应网格细化程度、计算精度等。
4.激励方式：选择天线的激励方式，如电流激励、电压激励等，设定激励位置和幅度。
四、仿真分析1.获取S参数：运行仿真分析，获得天线的S参数，即反射系数和传输系数。
2.方向图：计算天线的方向图，分析天线的辐射花样和辐射功率密度。
3.阻抗匹配：根据S参数结果，优化天线的匹配网络，以提高天线的输入阻抗匹配度。
五、优化设计1.参数化：对天线的关键参数进行参数化设置，方便后续的优化建模。
2.参数扫描分析：对参数进行范围扫描分析，观察参数变化对天线性能的影响。
3.优化算法：根据优化目标，选择合适的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等。
4.优化迭代：根据优化算法计算出新的参数组合，重新运行仿真，比较新的性能结果。
5.反馈分析：根据优化结果进行反馈分析，调整参数范围，直至达到设计要求。
六、仿真验证1.原型制作：根据优化结果，制作实际天线样机。
2.测量验证：通过测试设备对样机进行测量，比较测量结果与仿真结果的一致性。
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实验三：基于HFSS的偶极子天线设计与仿真
学号：201524124228 姓名：陈文观
一、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。
二、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0.48λ，半径为λ/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λ/4.
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。
三、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
四、结果分析
截图仿真结果，并简单分析结果
五、实验收获与体会
按实验指导进行操作，正常情况下都可以得到预期的实验效果。