阵列天线HFSS分析实例.docx
【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。
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4_24微带阵列天线的研究与设计_惠鹏飞
第26卷第5期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.26,No.5 2010年9月 Journal of Qiqihar University Sep.,2010 基于HFSS 的4×24微带阵列天线的研究与设计惠鹏飞，夏颖，周喜权，陶佰睿，苗凤娟（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）摘要：微带阵列天线的馈电方式有微带线馈电和同轴馈电两种方式，本文利用HFSS软件对微带阵列天线进行了研究，分析了两种馈电方式的传输损耗及其对天线方向图的影响，利用模块化的设计方法实现了一种基于同轴线馈电结构的多元矩形微带阵列天线。
在HFSS仿真设计环境里对天线进行了物理建模，该微带阵列天线的方向图特性良好，工程上实现比较方便。
关键词：微带阵列天线；模块化设计；HFSS 仿真；物理建模；方向图中图分类号：TN820.1 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2010)05-0009-04随着无线电技术的发展，微带天线在许多领域得到了越来越广泛的应用，主要应用场合包括：卫星通信、多普勒雷达及其它制式雷达、导弹遥测系统、复杂天线中的馈电单元等[1]。
微带天线通常采用天线阵列的形式，由馈电网络控制对天线子阵的激励幅度和相位，以获得高增益、强方向性等特点。
微带阵列天线的馈电方式主要有微带线馈电和同轴线馈电方式两种。
利用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因此可以方便地光刻，但缺点是损耗较大，在高效率的天馈系统里的应用受到较大限制[2]。
本文首先对微带馈电网络产生的损耗进行了详细分析，利用HFSS 软件设计了2×4结构的微带子阵，采用同轴馈电的方式，利用模块化设计方法和方向图叠加原理最终实现了4×24矩形微带阵列天线，仿真设计结果表明，该大型矩形微带阵列天线的各项指标参数良好，设计思想得到了很好的验证。
1 微带阵列及馈电网络损耗分析1.1 微带阵列理论微带天线单元的增益较小，一般单个贴片单元的辐射增益只有6～8 dB，为了实现远距离传输和获得更大的增益，尤其是对天线的方向性要求比较苛刻的场合，常采用由微带辐射单元组成的微带阵列天线，如果对增益要求较高，可采用大型微带阵列天线结构[3]。
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矩形微带天线阵的设计与优化
式1-3
L L 2L
e
0
/ r 2L
c 1 2L 2 f0 e
式1-4
1.3 介质基板尺寸的确定：
LG L 0.2 g WG W 0.2 g
式 1-5 式1-6
2 馈电方式的选择
馈电方式在微带贴片天线设计中扮演了重要角色。 矩形微带贴片天线有两种 馈电方式，一种是同轴探针馈电，又称背馈，另一种是微带线馈电，又称侧面馈 电。 同轴探针馈电在有源天线应用中具有优势，而微带线馈电则是适合于开发高 增益微带 阵列 天线。 本文选用 基于 微带线 的嵌入馈 电， 如图 表 4 所示。
图表 11 微带阵列天线的增益图形
图表 12 微带阵列天线的驻波比图形
结语
在充分考虑到节约成本和降低制作难度的情况下， 对微带贴片天线阵列进行 设计，不仅大大提高了贴片天线的性能，而且得到了令人满意的结果。使方向增 益提高到 10dB，当系统的谐振频率为 24GHz 时，相对带宽达到了 3%。而且， 可以根据不同需要，把阵列设计为 N×18 单元等各种形式。另外，HFSS 作为 一款高频电磁场仿真软件，由于其强大的功能，大大简化了阵列设计的过程，提 高了工作效率，成为高频领域工作者强有力的设计工具之一。
一 微带天线的基本介绍以及辐射原理
目前，由于分析微带天线的方法不同，对它的物理结构以及辐射原理有不同 的理论。这里为简单起见以矩形贴片微带天线为例。
1 矩形微带天线的结构
图表 1 是一个简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、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、辐射元的宽度 W、介质层 的厚度 h、介质的相对介电常数 损耗正切 、介质的长度 LG 和宽度 WG。图 2 所 示的微带贴片天线是采用微带线来馈电的。
03.HFSS天线远场特性分析实例
HFSS 是当今最流行的微波无源器件和天线设计软件。为了帮助广大工程师快速学习 掌握 HFSS，微波 EDA 网现联合易迪拓培训共同推出了 HFSS 学习培训视频课程套装，套 装包含了迄今为止国内最经典、最全面的 HFSS 学习培训教程，套装中的多套中文视频培 训教程能够为您提供最直观、最高效的学习方式，最大限度的节约您的学习时间，助您快速 入门、自学掌握 HFSS。
02. HFSS 雷达散射截面分析 —— 中文视频培训教程 雷达散射截面（Radar Cross Section — RCS）的分析预估是电磁理论
研究的重要课题，使用 HFSS 可以方便的分析计算各种目标物体的 RCS。 《HFSS 雷达散射截面分析》中文视频教程全面剖析了如何使用 HFSS 分析计算各种目标物体的 RCS，详细讲授和演示如何使用 HFSS 分析计 算单站 RCS、双站 RCS 和宽频 RCS，以及如何同时仿真计算并查看不 同视角的单站 RCS 和双站 RCS，课程的最后还实例讲解了 HFSS 分析 RCS 时，无限大地平面的处理。内容翔实，视频教程，直观易学…
HFSS 学习培训视频课程套装，让您学不会 HFSS 都难…
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HFSS 天线远场特性分析实例
01. 两周学会 HFSS —— 中文视频培训教程 由《HFSS 电磁仿真设计应用详解》一书的作者亲自讲授，权威经
典，全程中文讲解，配合视频操作演示，直观、生动、易学；课程在讲 解时尽量摒弃繁琐的理论推导、抽象的概念，多从工程实践的角度出发， 采用通俗易懂的语言和直观的工程实例，不仅要让读者学习到怎么操作、 怎么使用 HFSS，还要让读者明白为什么要这么操作，真正做到知其然 并知其所以然。通过两周十四天的课程学习，让您在最短的时间内快速 入门、学会并掌握 HFSS 的实际操作和工程应用，学完之后真正能够把 HFSS 应用到实际研发工作中去…
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半波偶极子天线设计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。
1 / 8半波偶极子天线设计电流元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。
基于HFSS的微带天线线阵仿真
基于HFSS的微带天线线阵仿真本文将介绍基于HFSS（High Frequency Simulation Software）的微带天线线阵仿真。
我们将确定文章类型为议论文，围绕HFSS技术和微带天线线阵仿真展开论述。
在无线通信领域，微带天线作为一种常见的天线类型，具有体积小、易于集成、易于共形等特点，被广泛应用于各种无线设备中。
为了优化微带天线的性能，常常需要对天线进行仿真和设计。
其中，HFSS是一款广泛使用的三维电磁仿真软件，可以用于微带天线的设计和仿真。
我们来了解一下HFSS的基本原理。
HFSS是一款基于有限元方法的电磁仿真软件，通过建立三维模型，对电磁场进行数值计算和仿真。
使用HFSS进行微带天线线阵仿真时，我们需要建立天线的三维模型，设置材料属性、边界条件和激励源等参数，然后进行计算和后处理。
在微带天线线阵仿真中，选用HFSS技术的原因主要有以下几点。
HFSS 可以精确地模拟电磁场分布和天线性能。
HFSS具有强大的网格划分功能，可以对复杂的微带天线结构进行精确的建模和仿真。
HFSS还提供了丰富的数据处理和可视化工具，方便用户对仿真结果进行分析和优化。
在进行微带天线线阵仿真时，需要注意以下几点。
需要对微带天线线阵的结构进行仔细设计，确保天线的性能符合要求。
在设置材料属性和边界条件时，需要充分考虑天线的实际情况，保证仿真的准确性。
在仿真过程中，需要对计算时间和计算精度进行合理控制，以获得最佳的仿真效果。
通过使用HFSS进行微带天线线阵仿真，我们可以获得以下成果。
我们可以得到天线的辐射特性和阻抗特性等关键性能参数。
我们可以观察到电磁场的分布情况，以及天线在不同频率和不同方向上的性能表现。
我们可以根据仿真结果对天线进行优化设计，提高天线的性能指标，例如增益、波束宽度、交叉极化等。
基于HFSS的微带天线线阵仿真是一种有效的天线设计和优化方法。
通过使用HFSS进行仿真和分析，我们可以快速地获得天线的性能参数和电磁场分布情况，从而更好地理解微带天线的性能和设计要点。