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
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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。有一些情况下，希望超宽带系统对需要的某个或几个窄带信号不灵敏，还有的情况就是想要滤除掉频带中的干扰信号。
在军事领域中，为了实现保密通信和清除干扰，多频段、多功能电台和宽带跳频电台被广泛的应用。跳频速率越来越高，跳频的范围也越来越广，原有的窄带天线己无法满足要求。另外，狭小的空间内分布多副天线，相互之间的干扰较为严重，并且影响通信质量。为了解决上述矛盾，最有效的解决办法就是研制高性能、宽频带、小型化天线，以减少载体上天线的数目。
在民用通信系统中，无线通信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤为重要。信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此相对应的是通信设备日趋宽带化，台站设施也由最初的点对点或一点对多点发展到移动和全球漫游。天线作为移动通信系统的发射和接收部件，其宽带化的研究显然有着重要的现实意义。
2、 天线的重要参数
2.1 辐射方向图
辐射方向图f (θ ,? ):以天线为中心，辐射功率密度随角坐标变化的特性。定向的单波束或者多波束用于点对点通信或者一点对多点通信;全向(在一个指定平面内有均匀辐射特性)波束用于广播电视等场合;赋形主波束用于卫星通信和电视覆盖特定区域的情况。在某一特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为:
,jkreE，，，，rkf,,,,,,,, (2-1) r 其中为天线的方向性函数，用图形表示出来即天线方向图。 ，，f,,,
2.2 天线的增益
天线的增益:天线的增益是指在相同的输入功率下，某天线产生于某点的电场强度的平方
22，，E与无损耗理想点源天线产生在同一点的电场强度的平方的比值，称为该天线在该点，，Emax
方向的增益。
2.3 天线的带宽
天线的带宽:天线总是在一定频率范围内工作，在该频率范围内，一个或者一组选定的天线参数的变化不超出可以接受的允许值。天线有多种形式的带宽，方向图带宽、增益带宽和输入阻抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。在超宽带天线研究领域，天线带宽始终是一个重要参数。
(2-2) BW,ffhl
式(2-2)常用在在超宽带领域中。
2.4 驻波
天线的电压驻波比VSWR(voltage standing wave ratio)定义为传输线上最大的电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值(VSWR=Umax/Umin)。当天线的输入阻抗与传输线的特性阻抗Z 0 =50,不匹配时，便在传输线上形成驻波。驻波比表明天线传输线之间阻抗的失配程度。驻波是由于传输到天线输入端的入射波能量未被全部吸收(辐射)、产生反射波，迭加而形成的。当驻波等于1 时，系统完全匹配，工程中不太可能实现;当驻波小于1.5 时，系统匹配优良;当驻波小于2 时，系统匹配良好;当驻波小于3 时，系统匹配程度基本满足要求;当驻波大于3.5 时就被认为匹配比较差。在电子战设备中，单个天线或天线阵列的输入电压驻波比VSWR 小于2.5 最为常用;对于窄带天线，其驻波特性VSWR 小于1.5;对于超宽带天线，一般要求其驻波特性VSWR小于2。
3、 有限元法(FEM)
有限元法的数学处理方法是在1943年由Courant 所提出来的，直到1968年才用于电磁场的数值计算问题。有限元法是建立在变分基础上的，其基本构想是将由偏微分方程表征的整个求解区域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数。这些基函数在各自的单元内解析，在其他区域内为零，这样可以用分片解析函数代替全域解析函数。对于二维问题，单元的划分可以取三角形、矩形等，其中三角形单元适应性最广;对于三维问题，单元可取作为四面体、六面体等等，其中四面体应用更加灵活。Ansoft 公司的HFSS 软件就是选取四面体作为空间单元。
有限元法在每个单元中规定合适的基函数，由于相邻单元有公共结点，在该结点上有唯一的函数值，因此分片解析函数通过这些单元间的公共顶点联系起来，拼接成一个整体，代替全域解析函数，通过相应的代数等价便可化为代数方程求解。
有限元法的优点在于:有限元法采用物理上离散与分片多项式插值，因此具有对材料、边界、激励的广泛适应性;有限元法基于变分原理，将数理方程求解变成代数方程组的求解，因此非常简易;有限元法采用矩阵形式和单元组装方法，其各环节易于标准化，程序通用性强，且有较高的计算精度，便于编制程序和维护，适宜于制作商业软件。
当前，使用有限元法作为内核的商用电磁仿真软件主要是:Ansoft HFSS。 4、
超宽带天线的设计
2002 年，美国联邦通信委员会( FCC) 正式允许将超宽带( UWB) 技术应用于民用领域，并指定了3.1 到 10.6GHz 作为 UWB 的工作频段，由此可以全部覆盖频段范围的 UWB 天线成为一种新颖的天线类型。然而在 UWB 频段内同时伴随着许多窄带无线通信系统，如 IEEE 802( 11b/g/n 标准下 WLAN工作频段 2.4到2.483 5 GHz，IEEE 802(11a 标准下WLAN 工作频段 5.15到5.825 GHz，WiMAX
工作频段3(4到 3.69 GHz、5.25 到5.850 GHz，为避免 UWB系统与这些窄带无线通信系统的干扰，可在天线装置前端引入带阻滤波器，但是在系统的体积、复杂度和阻抗匹配等方面都会引入不同程度的问题，因此直接在 UWB 天线的基础上设计出具有陷波特性的天线结构显得尤为重要。目前常用的陷波方法是在微带辐射贴片或接地板的适当位置处开不同形状的缝隙，如 U 形缝隙、L 形缝隙、弧形缝隙等。
4.1 天线的馈电方式
平面天线的馈电方式主要有微带线馈电、共面波导馈电和同轴线馈电等等。用微带线或共面波导馈电时，馈线与微带贴片是共面的，因而可方便地进行光刻。但此时馈线本身也要辐射，从而干扰方向图，使得增益降低。为此，用微带线馈电时，一般要求微带线宽度不能太宽，希望远小λ，这就要求平面单极天线的特性阻抗值要高些，或者基片厚度相对较小，介电常数大些。在理论计算中，微带馈线可等效为沿z轴方向的一个薄电流片，其背后是空腔磁壁。为计入边缘效应，此电流片的宽度要比微带馈线的宽度宽(取有效宽度)。微带线馈电点位置的不同将决定贴片激励哪种模式的波。当天线元的尺寸确定以后，可按下法进行匹配:先将中心馈电的天线贴片同50欧姆的馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出匹配变阻器;再在天线元与馈线之间接入该匹配变阻器。本文的研究中应用了共面波导的馈电方式。
共面波导的结构如图4-1所示，是在介质基片的一个表面上制备三条金属带而构成，中间宽为w 的金属带为信号带，两边金属带同时接地。它可用光刻工艺制作，且容易与其他无缘微波电路和有源微波器件连接，实现微波电子系统的小型化、集成化。共面波导馈电比微带来说好处很多，共面波导容易制作、容易和无源或有源的表面贴装元件实现串联或者并联连接、不需要过孔、辐射损耗小、相互之间的串扰小，并且共面波导的特性阻抗是由中间导带宽度和缝隙之比决定，可以自由设计其尺寸。共面波导传输线相对常规微带线来说，具有辐射损耗小、易于和其他元器件串并连接、提高电路集成度的优点。随着通信的发展，需要一 种成本低、易于加工且便于和微波电路集成的天线，显然共面波导馈电的天线符合这一要求。共面波导传输的波是TE 波。
图 4-1
4.2 超宽带天线的设计
UWB 天线结构如图4-2 所示，介质基片厚度 h为 0.5 mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02
设计了基本的超宽带天线后，为了抑制Wimax和C 波段通信的3.3-4.2GHz这个窄带通信频段，我们根据目前比较常见的方法——U形和折叠式贴片开槽的办法来设计阻带，阻带的中心频率位于3.69GHz和5.82GHz。对U形和折叠式槽线的参数进行了优化。由于阻带的宽度由U形槽和折叠式槽线的宽度决定，所以我们根据辐射单元尺寸的限制首先确定了槽的宽度0.3mm。 4.2.1 天线的回波损耗和驻波
它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。图4-2所示为扫描的天线的回波损耗。
图4-2
图4-3为天线的驻波图:
图4-3
由图4-3可以看出天线实现了双频缺陷的特性，抑制了窄带频率的干扰，具有良好的抗干扰特性，满足了设计的要求。
4.2.2 天线的辐射特性
我们分别在频率为4GHz、6GHz和9GHz时，仿真了天线辐射的远区场方向图(如图4-4所示)。在低频4GHz、6GHz，天线在x-z平面(H面)具有良好的全向辐射特性，并且方向图在x-y平面以及y-z平面(E 面)也是对称的，这是由于低频段的工作波长远远大于天线的尺寸，天线的电长度小，电流分布较规则，所以辐射较
【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
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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。
超宽带单极子天线的设计
超宽带单极子天线的设计
阴亚芳;白玉鹤
【摘 要】A new design of microstrip-fed ultra-wideband antenna with the
size of 42 mm×36 mm is presented.The thickness of the substrate is 1mm
and the relative permittivity is 2.65.This antenna consists of a radiating
patch and a grounding plane with a rectangular slot.The 3-D
electromagnetic simulation software is applied to simulating the
parameters such as return loss and radiation pattern of the
antenna.Simulated results show that the antenna's frequency band range
is 2.5~16 GHz,whose return loss is less than-10 dB,providing a wide usable
bandwidth of 13.2 GHz.The antenna reveals a good omni-directional
radiation characteristic.The configuration is simple, easy to fabricate and
can be integrated into UWB systems.%文中提出并研究了一种以微带馈电的超宽带单极子天线,尺寸为42 mm×36 mm.天线印刷在相对介电常数为2.65,厚度为1 mm的介质板上,由辐射贴片及带矩形槽的接地平面组成.利用三维电磁仿真软件对天线的回波损耗、方向图等参数进行了仿真,其结果表明,该天线在2.5~16 GHz的频率范围内回波损耗<-10 dB,具有超宽带的工作特性,且天线显示出较好的全向辐射特性,天线的结构简单、易于加工.
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Mλ／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。通过调整四部分的长度，使四根螺旋臂两两相差90º，从而实现圆极化。
一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计
122013年第06期，第46卷 通 信 技 术 Vol.46，No.06,2013 总第258期 Communications Technology No.258,Totally
一种新颖的超宽带平面等角螺旋天线的设计
罗 旺 （电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 611731）
【摘 要】分析了平面螺旋天线的研究方法，并设计了工作于2～12 GHz的新颖的超宽带平面等角螺
旋天线，由天线的宽带特性指标和平衡结构特性，天线两臂的辐射部分设计了一种带环状贴片的天线辐射
结构，使圆极化轴比带内小于3 dB，天线馈电部分设计了一种阻抗为指数渐变和梯形渐变相结合的双线形
式微带线宽带巴伦，并可采用50 同轴探针馈电，使带内反射系数小于-10 dB。测试结果表明，馈电的微
带巴伦和天线带环状的结构形式都表现出良好的宽频带和圆极化特性。
【关键词】宽带巴伦；平面等角螺旋天线；圆极化轴比；反射系数
【中图分类号】TN822 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2013)06-0012-03
Design of A Novel Ultra-wideband Planar Equiangular Spiral Antenna
LUO Wang
(College of Physical Electronics, ESTUC, Sichuan Chengdu 611731, China)
【Abstract】The planar spiral antenna research methods are analyzed, and the planar equiangular
spiral antenna working in 2～12 GHz novel ultra-wideband is designed. For the balanced structure
and broadband characteristics of the antenna, a belt-ring stickers antenna radiating structure for the antenna radiation part is designed, so that the circular polarization axis is less than
一种小规模超宽带相控阵天线设计
一种小规模超宽带相控阵天线设计
柏艳英
【摘 要】目前基于阵元间强耦合效应已设计出超宽带相控阵天线,但是其规模较大.针对规模小或者在扫描方向上规模小,如何增强阵元间耦合而实现超宽带相控阵天线的问题,采用平衡对踵Vivaldi天线(BAVA)作为天线单元,优化天线单元辐射金属的形状,并采用镜像法布阵天线单元设计出一个小规模4×16的斜极化超宽带相控阵天线.仿真和试验结果表明,采用的方法可以增强小规模超宽带相控阵天线的阵元间耦合效应,实现频率0.8f0~2.0f0(f0为工作频率)驻波比小于2,法向增益达17.34~23.0 dBi,在±45°范围内实现无栅瓣扫描.该小规模超宽带相控阵天线已在实际工程中应用.%At present,a lot of ultra-wideband(UWB) phased arrays have
been designed based on the strong mutual coupling between the array
elements.But the UWB phased arrays are large.For a small scale or a small
scale array in the scanning direction,the problem of how to achieve the
ultra-wideband perform-ances by enhancing the mutual coupling between
the array elements is necessary to be developed.In this paper,Balanced
Antipodal Vivaldi Antennas (BAVAs) are adopted. By optimizing the
radiation metal shape and arranging the direction of the antenna elements
基于HFSS的微带对数周期天线改进与仿真
第２８卷第６期 ２００８年１２月 弹箭与制导学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ．Ｒｏｃｋｅｔｓ。Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｖｏ１．２８ ＮＯ．６ Ｄｅｃ ２００８
基于ＨＦＳＳ的微带对数周期天线改进与仿真
李海农，侯新宇
（西北工业大学电子信息学院，西安 ７１００７２） 摘要：讨论和分析微带对数周期天线。根据一些展宽微带天线带宽的方法，对微带对数周期天线进行了改 进，并结合了ＨＦＳＳ Ｖ１０软件对原始天线和改进后的天线进行了仿真，并给出了对应的ＶＳＷＲ曲线。根据仿
真结果可以看出，这些方法可以改进天线的性能，可以对天线的设计起到一定的指导作用。 关键词：微带对数周期天线；ＨＦＳＳ；频带宽度
中图分类号：ＴＮ８２１ 文献标志码：Ａ
Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ
Ｌｏｇ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ａｎｔｅｎｎａ ｂｙ ＨＦＳＳ
ＬＩ Ｈａｉｎｏｎｇ，ＨＯＵ Ｘｉｎｙｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｘｉ’ａｎ ７１００７２．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｌｏｇ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ａｎｔｅｎｎａ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｏｍｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔＯ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ａｎｔｅｎｎａ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎｔｅｎｎａｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＨＦＳＳ Ｖ１０，ａｎｄ ｔｈｅ
ＶＳＷＲ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｉｇｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｍ—
Ansoft HFSS在设计对数周期天线时的仿真方法
ANSYS 2011中国用户大会优秀论文
Ansoft HFSS在设计对数周期天线时的仿真方法
孙凤林 黄克猛
中国西南电子技术研究所，成都，610036
[ 摘 要 ] 本文通过ANSOFT HFSS设计了一个对数周期天线，在仿真分析时，发现随着求解频率的不
同，天线的求解结果差别较大，求解误差较大。通过在HFSS中尝试不同的求解设置方法，
最终通过将天线模型剖分网格最大长度限定在1/50λ的方法，使的求解结果在不同频率求解
时的一致性较好，提高了仿真的准确性。为设计者在仿真类似问题时，提供了一种提高求解准
确性的方法。
[ 关键词 ] HFSS；网格设置；对数周期天线
The Simulation Method on designing of a Log-Periodic
Dipole Antenna on Ansoft HFSS
Sun Feng-lin，Huang Ke-meng
Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu, 610036, China
[ Abstract ] A method of simulating Log-Periodic Dipole Antenna on Ansoft HFSS is introduced in this
paper. When simulating the Log-periodic antenna model, it was found that the simulation
results are difference with different Solution Frequency on HFSS, The solution error is high.
The accuracy of the solution depends on the size of each of the individual elements, to
HFSS 矩形微带贴片天线的仿真设计报告
HFSS 矩形微带贴片天线的仿真设计报告
hfss矩形微带贴片天线的仿真设计报告
基于HFSS的矩形微带贴片天线模拟设计实验目的：利用HFSS的模拟能力模拟矩形微带天线内容：矩形微带天线模拟：工作频率7.55ghz天线结构尺寸见表：名称起始点尺寸类型材料SUB00028.1,32，-0.79boxrogers5880（TM）gnd0,0，-0.7928.1,32，-0.05boxpatch 7.0 03,8012.45,16,0.05boxpecmsline10。13,0，-0.7910。13,0，-0.79air-5，-5，-5.792.49,8,0.05boxpec2。49,0,0.89矩形38。1,42,10.79。创建、重命名、保存和更改环境设置。(1) . 在菜单栏文件>>另存为中，输入天线并单击保存。（2）. 设置激励终端的解决方法：菜单栏HFSS>解决方案类型>驱动终端，点击确定。（3）
设置模型单位：3dmodeler>units，选择mm，然后单击OK。(4) . 在菜单栏上，工具>>选项>>建模器选项，选中“编辑新PRI的属性”，然后单击确定。
二、建立微带天线模型
（1） 点击
创建gnd,起始点：x:0，y:0，z:-0.79，dx:28.1,dy:32,dz:-0.05
将名称修改为GND，将材质属性修改为PEC，
(2)介质基片：点击，：x:0，y:0，z:0。dx:28.1，dy:32，dz:-0.794，
修改后的名称为sub，修改后的材质属性为rogersrt/duriod5880，修改后的颜色为绿色和透明
度0.4。
点击OK
(3)建立天线模型patch，
点击，X:7.03，Y:8，Z:0，DX:12.45，Dy:16，DZ:0.05
命名为patch，点击ok。
小型化超宽带叶型微带单极子天线设计
现代电子技术ModernElectronicsTechniqueJul.2023Vol.46No.142023年7月15日第46卷第14期
0引言随着时代的发展，向大容量、高速率方向发展的无线通信技术成为了该领域的主要目标[1‐2]。作为通信系统中的关键模块，超宽带[3‐4]（UWB）天线可以极大提高无线通信系统的信道容量、频谱效率和工作带宽范围，有着广阔的应用前景。具有三维结构的倒锥天线，结构对称性高，能够实现43∶1的阻抗带宽[5]，但是其体积大，馈电结构稳定性差。因此，具有低成本、易小型化及易加工等优势的微带单极子天线，逐渐成为无线通信领域的焦点[6]。基于印刷电路板（PCB）的微带单极子天线，在贴片上采用分形结构，比如六边型[7]、雪花型[8]或者勋章型[9]等，增加贴片的周长来提升带宽。相比于线形结构，圆形结构周长更大，且对称性高，带宽更宽。文献[10]中，利用椭圆型辐射贴片实现了24.1∶1的宽带阻抗匹配。DOI：10.16652/j.issn.1004‐373x.2023.14.001引用格式：李想，曹建银，姚晨阳，等.小型化超宽带叶型微带单极子天线设计[J].现代电子技术，2023，46（14）：1‐6.小型化超宽带叶型微带单极子天线设计李想1，3，曹建银2，姚晨阳2，3，丁振东2，王昊2，3，陶诗飞2（1.电磁空间认知与智能控制技术实验室，北京100191；2.南京理工大学，江苏南京210094；3.南湖实验室，浙江嘉兴314002）摘要：针对目前超宽带（UWB）微带单极子天线带宽较窄以及尺寸较大等缺点，文中提出一种基于共面波导（CPW）馈电的小型化超宽带微带单极子天线。该天线由叶型的辐射贴片（其上挖去3个圆形贴片）、梯形地板和环形三叉戟共面馈电组成，可实现1~18GHz的超宽带频率覆盖。使用HFSS软件对天线的结构和尺寸进行分析，得出最终的天线尺寸仅为40mm×75mm×0.5mm。利用矢量网络分析仪进行测试，结果表明，所设计的天线具有179%的相对带宽，在1~18GHz的工作频段内阻抗匹配良好，并且具有良好的辐射性能；且该天线的工作频率能够实现L波段、S波段、C波段、X波段以及Ku波段的多个频率覆盖，具有超宽带的优良性能。关键词：超宽带天线；微带单极子天线；小型化天线；共面波导馈电；天线结构；矢量网络分析仪中图分类号：TN821+.3‐34文献标识码：A文章编号：1004‐373X（2023）14‐0001‐06DesignofminiaturizedUWBleaf⁃shapedmicrostripmonopoleantennaLIXiang1,3,CAOJianyin2,YAOChenyang2,3,DINGZhendong2,WANGHao2,3,TAOShifei2(boratoryofElectromagneticSpaceCognitionandIntelligentControl,Beijing100191,China;2.NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;3.NanhuLaboratory,Jiaxing314002,China)Abstract：Inallusiontotheshortcomingsoftheultra‐wideband(UWB)microstripmonopoleantennaswithnarrowbandwidth,largesize,etc.,aminiaturizedUWBmicrostripmonopoleantennabasedoncoplanarwaveguide(CPW)feedisproposed.Thisantennaiscomposedofaleaf‐shapedradiationpatch(inwhichthreecircularpatchesaredugout),atrapezoidfloorandanannulartridentcoplanarfeed,whichcanbeusedtorealizetheUWBfrequencycoverageof1~18GHz.ThestructureandsizeoftheantennaareanalyzedwithHFSSsoftware,andthefinalantennasizeofonly40mm×75mm×0.5mmisgot.Thetestingresultsofthenetworkvectoranalyzerindicatethatthedesignedantennahasarelativebandwidthof179%,goodimpedancematchingintheoperatingfrequencyrangeof1~18GHz,andgoodradiationperformance;theworkingfrequencyoftheantennacanrealizemulti‐frequencycoverageofLband,Sband,Cband,XbandandKuband,andthesystemhasexcellentUWBperformance.Keywords：ultra‐widebandantenna;microstripmonopoleantenna;miniaturizedantenna;coplanarwareguidefeed;antennastructure;vecternetworkanalyzer收稿日期：2022‐11‐22修回日期：2022‐12‐29基金项目：国家重点研发计划资助项目（2021YFB3502500）；国家重点实验室基金项目（CEMEE2022K0102B）1Copyright©博看网. All Rights Reserved. 现代电子技术2023年第46卷在圆形贴片上进行切边和加圆处理[11]，或者将分形结构与椭圆结构结合[12]，也能够增加谐振，拓展带宽。文献[13]中提出了一种基于笛卡尔圆定理的圆分形超宽带天线，阻抗带宽为115.6%。在馈电上采用低损耗的共面波导渐变馈电[14]，并结合梯形地板和三叉戟共面馈电的结构[15]，能实现带宽的扩展。此外，缺陷结构也能够提升单极子天线的带宽[16]。基于特征模理论可以快速进行超宽带单极子天线的设计[17]。本文基于叶型的单极子天线[18]，设计了一款基于FR4介质基板（相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02）的超宽带单极子天线。叶型辐射贴片中去除了3个圆形结构，进一步增加了谐振模式，实现了小型化设计。该天线的馈电部分采用了圆形三叉戟结构与辐射贴片连接，馈电部分采用了渐变共面波导实现宽带匹配。经HFSS仿真，该天线的工作带宽为1~18GHz，带内增益稳定性高，具有尺寸小、集成度高，满足天线设备小型化要求的特性。1共面波导基本特性共面波导是指所有导体均匀位于同一平面，支持TEM波的传播，其至槽线是一种平面转接，它具有低色散性，其在安装集成有源或无源集总参数元件容易实现。在分析共面波导基本特性分析时，一般是用准静态方法和保角变换法。如图1所示，在横截面结构的电场分布中，一般是偶模和奇模两个主要模式。由于奇模损耗大，更不能在同轴线中传输，因此一般只考虑偶模传输。图1共面波导的横截面结构共面波导的特性阻抗可由保角变换法求得：Z0=Z01εe（1）εe=εr+12ìíîtanéëêêùûúú0.775ln()hd+1.75+}kd[]0.04-0.7k+0.01()1-0.1εr()0.25+k（2）式中：k=ww+2d；Z01是εe=1时共面波导的特性阻抗。Z01表示为：Z01=14cε0⋅K′(k)K(k)（3）式中：c为真空中光速；ε0为空气中介电常数；K（k）表示第一类完全椭圆函数；K′()k=K()k′，k′=1-k2。K(k)K′(k)=ìíîïïïïïï1πln()21+k′1-k′-11πln()21+k1-k（4）理论与实验表明，共面波导特性阻抗与基层厚度关系不大。实际设计中，基层厚度为槽宽度的1~2倍较为合理。因此，εe可近似为：εe=εr+12（5）其谐振频率为：f=c2εréëêêêêùûúúúú()mwg2+()nlg20.5（6）式中：wg和lg分别为共面波导的宽和长；m和n为谐振模式因子。2天线结构设计天线结构示意图如图2所示，该天线以FR4环氧板为介质基板，厚度为0.5mm，天线尺寸为40mm×75mm×0.5mm。天线的共面波导馈电接口连接部分为50Ω。该天线的辐射贴片部分为尖叶型，底部为半圆。在叶型贴片中，去掉3个大小不等的圆，通过控制圆的半径尺寸，拓展低频的带宽。为了拓展馈电的带宽，采用共面波导渐变馈电结构，在馈线接口处增加三叉戟馈线结构，优化高频的匹配。图2单极子天线结构示意图本天线采用HFSS软件进行参数的仿真和优化，得到了天线的最佳设计尺寸，具体尺寸参数如表1所示。2
一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天线
一款基于HFSS仿真的倒F蛇型印制天线
贺吉
【摘 要】设计了一种用于2.4 GHz智能无线传感器的倒F蛇型天线,.使用HFSS仿真和设计,根据优化后的天线模型参数,最终设计集成在无线传感器印制电路板上印制天线,使天线可达到最佳的效果.该天线的仿真和实测结果表明,在2.45 GHz的中心工作频率下,回波损耗小于-12dB,带宽约为100 MHz,阻抗50.58+j0.55,满足了IEEE 802.15.4协议的要求.%An inverted F snake antenna for 2.4 GHz smart
wireless sensor is designed,. Using HFSS simulation and design, according
to the optimized antenna model parameters, the final design integrated on
the wireless sensor printed circuit board printed antenna, so that the
antenna can achieve the best results. The simulation and measured results
show that the return loss is less than -12dB at the center operating
frequency of 2.45 GHz, the bandwidth is about 100 MHz, and the
impedance 50.58+j0.55 meets the requirements of the IEEE 802.15.4
protocol.
【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2017(000)019
【总页数】2页(P10-11)
【关键词】倒F天线;无线传感器;2.4GHz;HFSS