CST-偶极子相控阵天线的仿真与优化
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。
CST天线仿真笔记
Results -> Combine Results Template Based Postprocessing (TBP) -> Farfield and Antenna Properties -> Farfield Result -> Evaluation Range: 3D -> Result value: TRP
CST – COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY |
Phase Center Calculation
= y‘z‘ plane = x‘z‘ plane
Finding the best location to place the horn inside a parabolic antenna. The best position is to match the focal point of the dish with the phase center of the horn.
Kra, Jeb / v1.0 / 02. July 2012 CST – COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY |
Antenna Examples
Ready-to-simulate antennas are available here:
Online Help -> Examples and Tutorials
Specify linear or logarithmic TIS output. Only one (TIS or TRP) can be displayed at the time. TIS can also be applied to CST Design Studio full system or multi-port combined results (similar to TRP).
天线算法：相控阵合成优化技术
天线算法：相控阵合成优化技术作者：Rick Gentile, Honglei Chen，MathWorks优化解算器可用于在采用相控阵前端的雷达和无线系统应用中实现所需天线方向图。
学习内容摘要·如何在相控阵设计中应用优化技术。
·什么是二次规划？·在设计过程中采用优化解算器。
在本篇文章中，我们会展开一个适用于采用相控阵前端的雷达和无线系统应用的主题。
当设计大型相控阵系统时，这种优化工作流程可以节省大量时间，因为此过程会涉及很多设计参数，包括单个天线单元的位置和应用到每个天线单元的权重。
因此，当从事电磁解算器层级的物理阵列设计工作以及系统层级阵列设计工作时，可以采用这些优化技术。
本文专注于系统级应用，同时我们在文章末尾提供了一个链接，通过其可以获取有关电磁解算器级应用的更多资源。
与单天线天线单元相比，相控阵的一个主要优点是可以形成一个波束（或多个波束），以增强所需的信号并降低干扰信号的影响。
通常，在合成一种方向图时，N天线单元相控阵可提供N个自由度。
这意味着可以调整N个权值，每个天线单元一个权值，以控制波束形状，从而满足一些预定义的约束。
正如之前的博客中所述，可以采用各种技术来实现方向图合成，包括调零、加窗和稀布(Thinning)。
应用优化技术有助于消除方向图合成时的“反复试错”过程。
许多常用的波束形成技术都可以表示为优化问题。
例如，最小方差无失真响应（MVDR）波束形成器用于最大限度减小总噪声输出，同时保留给定方向的信号。
在数学上，通过解决优化问题即可得到MVDR波束形成权值。
在本文中，我们省略了数学运算，但是一个N天线单元阵列能够处理N−1个约束。
MVDR波束形成器可以进行扩展，以包含更多约束，从而成为线性约束最小方差（LCMV）波束形成器。
LCMV波束形成器中的附加约束常用于消除给定方向的干扰。
这些技术适用于任何阵列结构，但我们考虑一个包含32个天线单元、天线单元之间具有半波长间距的均匀线性阵列。
基于电磁仿真的天线设计与性能优化研究
基于电磁仿真的天线设计与性能优化研究天线是一种能够将电信号转换成电磁波并辐射出去的装置。
在无线通信和雷达系统中，天线的设计和性能优化对于保证系统的有效工作至关重要。
本文将介绍基于电磁仿真的天线设计与性能优化的研究。
首先，天线设计的第一步是确定设计要求。
天线的设计要求通常包括频率范围、增益、方向性、波束宽度等参数。
在设计过程中，还需要考虑到天线的制造和成本等因素。
接下来，基于电磁仿真的天线设计工具可以帮助工程师快速准确地设计出合适的天线结构。
常用的电磁仿真软件包括CST Microwave Studio、FEKO和HFSS等。
这些软件通过数值计算和模拟，可以对天线的尺寸、形状、材料等参数进行优化，以满足设计要求。
在天线设计中，天线的形状对性能起着关键的影响。
例如，方形、圆形、半球形等形状的天线具有不同的辐射特性。
通过电磁仿真软件，可以优化天线的形状，使得辐射模式更加符合设计要求。
此外，天线材料的选择也对性能有很大影响。
常用的天线材料有金属、塑料和复合材料等。
不同材料的电磁特性不同，通过仿真软件可以选择合适的材料，以提高天线的性能。
天线的频率范围是设计中需要重点考虑的参数之一。
在特定的频率范围内，天线的性能通常是最佳的。
通过电磁仿真软件，可以确定天线的共振频率并进行调整，以使其工作在所需的频率范围内。
天线的增益是指天线辐射能量的强度。
通过电磁仿真软件，可以对天线的辐射特性进行优化，以增加天线的增益。
天线的增益与天线结构、尺寸等因素有关，通过仿真软件可以确定最佳设计参数。
天线的方向性是指天线辐射能量的分布情况。
通过电磁仿真软件，可以对天线的辐射模式进行优化，以使天线具有所需的方向性。
通过调整天线的形状和尺寸，可以改变其辐射模式，达到方向性优化的目的。
此外，电磁仿真软件还可以用于天线阻抗匹配的设计。
天线与传输线之间的阻抗匹配是电磁能量传输的关键。
通过仿真软件，可以优化天线的阻抗匹配，以提高能量传输效率。
相控阵天线阻抗模拟器的优化设计
相控阵天线阻抗模拟器的优化设计
吕昕;李世智
【期刊名称】《北京理工大学学报：英文版》
【年(卷),期】1994(0)1
【摘要】固态有源匹配网络可以对随频率和波束扫描角而变化的固态有源相控阵天线的输入阻抗实施良好的匹配．为了方便、安全地调试有源匹配网络，需要对相控阵天线阻抗模拟器进行优化设计．此文采用ＰＩＮ二极管控制电路，将电路反射系数作为优化变量，用数值计算方法确定最终的电路结构和元器件参数．文中给出了相控阵天线阻抗模拟器的测试结果，其结果与模拟计算吻合较好．
【总页数】6页(P63+59-63)
【关键词】相控阵天线;阻抗匹配;模拟;最优设计;有源电路
【作者】吕昕;李世智
【作者单位】北京理工大学电子工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TN821.8
【相关文献】
1.星载多波束相控阵天线设计与综合优化技术研究 [J], 尚勇;梁广;余金培;龚文斌
2.一种相控阵雷达天线结构仿真设计与优化 [J], 罗道江
3.星载稀疏相控阵天线的多目标优化设计 [J], 刘恒;赵宏伟;刘波
4.非对称副瓣相控阵天线优化设计 [J], 司军;李翔
5.弹载相控阵天线系留液冷散热设计与优化分析 [J], 杨科;郭威威
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印刷偶极子天线设计(优制材料)
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在Layout中绘制天线
将设计的层 面改为cond， 重复上面的 设计，完成 对于顶层 cond的设计， 可以得到右 图：
图中，红色是对应cond层（顶层），黄色对应
cond2（底层），下面在顶层与底层之间加上一个
通孔
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在Layout中绘制天线
下面在cond与cond2层之 间加一个通孔（Via）， 选择层为：
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观察远区辐射方向图
选择Momentum=>Post Processing=>Radiation Pattern，在弹出的对话框中： Select Frequency中选择1.8GHz，因为这是谐振 频率 。在Visualization Type中选择3D Visualization，因为我们首先想观察三维视图。 在Port1 Impedance中写入端口1的输入阻抗，这 个在S11图中我们已经测量了，为：46.65+j1.8Ω 点击Compute。
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Ｓ参数仿真
如下图对S参数仿真进行设置：
点击update，Simulate，开始仿真。
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Ｓ参数仿真
仿真结果：
谐振频率是刚好位于1.800GHz的，反射波损耗为-28.161dB 输入阻抗为Z0*（0.933+j0.036）=46.65+j1.8
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天线的带宽
对于VSWR<1.5,天线带宽为13%(1.683GHz—1.917GHz) 对于VSWR<2.0,天线带宽为23.8%(1.600GHz—2.026GHz)
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观察天线的增益
2.6 偶极子天线仿真入门(FEKO入门资料)
安世亚太EMBU培训材料
后处理
• 返回到POSTFEKO
– 点左边三维工具条中的远 场显示按钮 – 3D视图内显示3D远场图 – 可更改左边面板内的参 数，如用dB显示，如显示 增益等等 – 点上排二维工具栏远场显 示图标 – 左边面板内选择gain，勾 选wrap，选择属性设置工 具 ，选择极坐标显示
安世亚太EMBU培训材料
剖分网格
• 模型建立好后，需要剖分 网格，设置激励和求解 • 分网方式
– 点Mesh菜单，Create mesh – 由于此例只有线结构，所 以，只需设置线单元属性
• 在segment length输入 seg_l, wire segment radius输入lam/200
– 点击查看激励和求解2个按 钮，显示激励和求解
• 运行求解
– Run->FEKO，弹出求解进度 窗口 – 完成后点OK
安世亚太EMBU培训材料
后处理
• 求解完成后，直接返回 POSTFEKO
– 点左边三维视图控制工具栏 内的远场显示工具 – Quantily选择Gain – Legend下拉列表选择top left，显示图例
• Create, close
安世亚太EMBU培训材料
劈开构成偶极子结构
• 由于是偶极子天线，为了 加激励
– 剖空内部
• 选择dipole，点列表内的 region域下的Region1， 右键属性 • 设置为free space
– 劈开成两部分
• 选择dipole，点split工具 • 点选global XY按钮， Create
安世亚太EMBU培训材料
剖分网格
• Mesh->Create mesh
cst超表面仿真
cst超表面仿真CST超表面仿真超表面是一种新型的人工结构，其具有对电磁波的高度可控性和调节性能。
CST超表面仿真是利用CST Studio Suite软件对超表面的电磁特性进行模拟和分析的过程。
本文将对CST超表面仿真进行详细介绍。
CST Studio Suite软件是一种广泛应用于电磁场仿真的工具。
它提供了完整的仿真环境，能够对电磁波的传播、辐射和散射等现象进行准确的建模和分析。
在CST Studio Suite中，超表面的仿真可以通过建立几何模型、定义材料属性、设置边界条件等步骤来完成。
在CST超表面仿真中，首先需要建立超表面的几何模型。
几何模型的建立是仿真的基础，它决定了超表面的形状和结构。
CST Studio Suite提供了丰富的几何建模工具，可以根据超表面的实际形状进行建模。
在建模过程中，可以设置超表面的尺寸、排列方式等参数，以满足不同的设计需求。
接下来，需要定义超表面的材料属性。
超表面的材料属性对其电磁特性具有重要影响。
CST Studio Suite提供了多种材料模型，可以根据超表面的实际材料选择合适的模型。
在定义材料属性时，需要输入材料的介电常数、磁导率等参数。
这些参数可以通过实验测量或理论计算得到，以确保仿真结果的准确性。
然后，需要设置超表面的边界条件。
边界条件是仿真过程中的约束条件，它决定了电磁波在超表面上的传播方式。
CST Studio Suite 提供了多种边界条件选项，可以根据超表面的实际情况选择合适的条件。
在设置边界条件时，需要考虑超表面的边界与周围环境的相互作用，以确保仿真结果的准确性。
完成以上步骤后，就可以进行CST超表面仿真了。
仿真过程中，CST Studio Suite将根据建立的模型、定义的材料属性和设置的边界条件，计算超表面对电磁波的响应。
通过仿真结果，可以得到超表面的散射、吸收、透射等特性，进而评估超表面的性能。
CST超表面仿真在实际应用中具有广泛的用途。
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实 验 报 告
学生姓名： 学 号： 指导教师：
实验地点： 实验时间：
一、实验室名称：
二、实验项目名称：微波工程CAD实验
三、实验学时：20
四、实验原理：
CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实
际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得
出最优化下的器件尺寸参数。
本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来
掌握CST的应用。
五、实验目的：
了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设
计。
六、实验内容：
第一题 偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频
率范围内，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值
取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4
作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计
算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。
第二题 微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率范围内优化下图微带到波导的
转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是
Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸
3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸
7.112*3.556*10mm；L是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针
的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化
变量可取下图给的初值。
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七、实验器材（设备、元器件）：
台式计算机；CST Design Environment 2009仿真软件；U盘（学生自备）。
八、实验步骤：
第一题：偶极子相控阵天线的仿真
a. 单个偶极子天线模型
单个偶极子天线方向图
b.
利用3种方法将单个天线扩展成一个2*2的相控阵天线阵
方法一 将单个天线的远场结果采用不同的幅度和相位叠加，从而得到阵列的结果。
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方法一所得阵列方向图
方法二 构造四个相同的天线，都由各自的同轴线激励，顺次计算完所有天线后，再将
结果以任意幅度和相位合并。
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方法二所得阵列方向图
方法三 对所有天线并行激励，只计算一次就得到远场结果。
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方法三所得阵列方向图
对结果进行分析解释：
方法一：未考虑天线之间的耦合，未考虑激励之间的影响。
方法二：计算仅涉及天线结构之间的相互影响。
方法三：同时涉及结构和激励的相互影响。
综上方法三得到的仿真结果最好。
第二题：微带到波导转换的仿真与优化
a.建立微带到波导转换模型
微带到波导转换模型
b. 按题目要求设置工作频率、边界条件及监视器，仿真得到S参数
优化前S参数
c.优化结果
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d. 中心频点28GHz处的电场、磁场与表面电流的分布
中心频点电场分布
中心频点磁场分布
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中心频点电流分布
对结果进行分析解释：
可以看出，经过优化后S参数曲线发生了较大的改变，优化后的S参数要明显好于优化
前。
十、实验结论：
1、偶极子相控阵天线：方法三同时考虑了结构和激励的相互影响，因此该方法所得结果
最接近真实值。
2、微带到波导转换：调节几个变量可以得到更好的结果，得到符合要求的参数。
十一、总结及心得体会：
通过本次实验，我掌握了CST软件的基本操作。进行了一些仿真实例的练习后，我对
CST的操作更加熟练，而且由于CST相比其他软件计算精度较高，因此CST是一款非常好
的仿真软件，在未来的学习中一定能够更多地运用到它。最后谢谢老师对我们的细心教导!
报告评分：
指导教师签字：