第一篇：HFSS天線仿真實驗報告

HFSS天線仿真實驗報告

半波偶極子天線設計

通信0905 楊巨 U200913892

2012-3-7

半波偶極子天線設計

半波偶極子天線仿真實驗報告

一、實驗目的

1、學會簡單搭建天線仿真環境的方法，主要是熟悉HFSS軟件的使用方法

2、了解利用HFSS仿真軟件設計和仿真天線的原理、過程和方法

3、通過天線的仿真，了解天線的主要性能參數，如駐波比特性、smith圓圖特性、方向圖特性等

4、通過對半波偶極子天線的仿真，學會對其他類型天線仿真的方法

二、實驗儀器

1、裝有windows系統的PC一臺

2、HFSS13.0軟件

3、截圖軟件

三、實驗原理

1、首先明白一點：半波偶極子天線就是對稱陣子天線。

2、對稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長導線構成的振子天線。一臂的導線半徑為a，長度為l。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計，所以振子的總長度L=2l。對稱振子的長度與波長相比擬，本身已可以構成實用天線。

3、在計算天線的輻射場時，經過實踐證實天線上的電流可以近似認為是按正弦律分布。取圖1的坐標，并忽略振子損耗，則其電流分布可以表示為：

式中，Im為天線上波腹點的電流；k=w/c為相移常數、根據正弦分布的特點，對稱振子的末端為電流的波節點；電流分布關于振子的中心店對稱；超過半波長就會出現反相電流。

4、在分析計算對稱振子的輻射場時，可以把對稱振子看成是由無數個電流I(z)、長度為dz的電流元件串聯而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理，對稱振子的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。

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半波偶極子天線設計

電流元I(z)dz所產生的輻射場為

圖2 對稱振子輻射場的計算

如圖2 所示，電流元I(z)所產生的輻射場為

其中

5、方向函數

四、實驗步驟

1、設計變量

設置求解類型為Driven Model 類型，并設置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本參數并初始化

2、創建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。

其中偶極子天線的另外一個臂是通過坐標軸復制來實現的。

3、設置端口激勵

半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創建一個平行于YZ面的矩形面作為激勵端口平面。

4、設置輻射邊界條件

要在HFSS中計算分析天線的輻射場，則必須設置輻射邊界條件。這里創建一個沿Z軸放置的圓柱模型，材質為空氣。把圓柱體的表面設置為輻射邊界條件。

5、外加激勵求解設置

分析的半波偶極子天線的中心頻率在3G Hz，同時添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz頻段內的掃頻設置，掃頻類型為快速掃頻。

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半波偶極子天線設計

6、設計檢查和運行仿真計算

7、HFSS天線問題的數據后處理

具體在實驗結果中闡釋。

五、實驗結果

1、回波損耗S11 回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產生的反射，是一對線自身的反射，是天線設計需要關注的參數之一。

圖中所示是在2.5 G Hz ~3.5 G Hz頻段內的回波損耗，設計的偶極子天線中心頻率約為3 G Hz，S11<-10dBd的相對帶寬BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%

2、電壓駐波比

駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由圖可以看到在3G赫茲附近時，電壓駐波比等于1，說明此處接近行波，傳輸特性比較理想。

3、smith圓圖

史密斯圓圖是一種計算阻抗、反射系數等參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換，將z復平面上。實部 r=常數和虛部 x＝常數兩族正交直線變化為正交圓并與：反射系數

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半波偶極子天線設計

|G|=常數和虛部x＝常數套印而成。

從smith圓圖可以看到，在中心頻率3G赫茲時的歸一化阻抗約為1，說明端口的阻抗特性匹配良好。

4、輸入阻抗

傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現的阻抗。實質上是個等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進行阻抗匹配。

圖中所示的輸入阻抗分別為實部和虛部，在中心頻率3G赫茲時，輸入阻抗比較的理想，容易實現匹配。

5、方向圖

方向圖是方向性函數的圖形表示，他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標的變化關系。輻射特性有輻射強度、場強、相位和極化。通常討論在遠場半徑為常數的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場強隨位置方向坐標的變化規律，并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠場區確定的，所以又叫遠場方向圖。電場方向圖：

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半波偶極子天線設計

由圖可以看到，電場方向以Z軸為對稱軸，在XOY平面上電場最強，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場強度很弱。

磁場方向圖：

磁場方向圖在XOY平面上接近一個圓，雖然看上去有些誤差。說明磁場在XOY平面上輻射較為均勻。

三維增益方向圖：

這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著Z軸對稱輻射的情況。

6、其他參數

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半波偶極子天線設計

利用HFSS軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強度、方向性系數、最大強度及其所在方向等參數。

看著這一張密密麻麻的圖表，很多參數還不是很明白，還需研究。

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半波偶極子天線設計

六、實驗分析

設計一個天線，無論是作為發射天線還是接收天線，我們都很關心其方向參數、輸入阻抗參數、增益參數、頻帶寬度等參數。這里也主要就上訴幾個參數來討論半波偶極子天線的優缺點。

1、半波偶極子天線在軸向無輻射

2、半波偶極子天線的輻射與其電長度密切相關。當電長度小于0.5時，波瓣寬度最窄，在垂直與軸向的平面內輻射最強，隨著電長度的增加，開始出現副瓣，主瓣寬度變寬，最大輻射方向發生偏移。

3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈，說明寬頻帶時其較難實現負載匹配，所以相對應的頻帶寬度也較窄。

4、在諧振頻率附近時，我們從圖中可以看到，天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗，實現匹配較易，而且在中心頻率附近，電波的傳輸特性也最好，從而可以實現較大效率的功率傳輸。

5、通過對實驗得到結果的分析，不難發現，半波偶極子天線的諸多特性與電長度關系很大，所以可以通過調整天線的電長度來實現不同功能和要求的半波偶極子天線應用。

6、最后還要補充一點：半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細有關。

七、實驗總結

通過本次HFSS天線仿真實驗，使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線，卻不知其意義何在。在這次實驗過程中，我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻，對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識，對天線的各種參數也有了具體的理解，這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。

另外，這次實驗中我感覺較難的部分在與如何通過確定一種具體天線的參量模型來模擬設計天線模型，來仿真驗證天線特性。

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第二篇：HFSS微波仿真實驗實驗報告六合一x

肇慶學院12 通信 2 2 班

楊桐爍

201224124202

實驗一

T T 形波導的內場分析和優化設計

實驗目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握 T 型波導功分器的設計方法、優化設計方法和工作原理。

實驗儀器

1、裝有 windows 系統的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 T T 形波導的內場分析

實驗原理

本實驗所要分析的器件是下圖所示的一個帶有隔片的 T 形波導。其中,波導的端口 1 是信號輸入端口,端口 2 和端口 3 是信號輸出端口。正對著端口 1 一側的波導壁凹進去一塊,相當于在此處放置一個金屬隔片。通過調節隔片的位置可以調節在端口 1 傳輸到端口 2,從端口 1 傳輸到端口 3的信號能量大小,以及反射回端口 1 的信號能量大小。

實驗步驟

1、新建工程設置：運行 HFSS 并新建工程、選擇求解類型、設置長度單位 2、創建 T 形波導模型：創建長方形模型、設置波端口源勵、復制長方體、合并長方體、創建隔片 3、分析求解設置：添加求解設置、添加掃頻設置、設計檢查 4、運行仿真分析 5、查看仿真分析計算結果 內場分析 結果

1、圖形化顯示 S 參數計算結果

圖形化顯示 S 參數幅度隨頻率變化的曲線 2、查看表面電場分布 8.00 8.25 8.50 8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00Freq [GHz]0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(Port1,Port1))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port3))Setup1 : Sweep1

表面場分布圖 3、動態演示場分布圖

T T 形波導的優化設計

實驗原理

利用參數掃描分析效用。分析在工作頻率為 10GHz 時,T 形波導 3 個端口的信號能量大小隨著隔片位置變量 Offset 的變化關系。利用 HFSS 的優化設計效用,找出隔片的準確位置,使得在 10GHz 工作頻點,T 形波導商品 3 的輸出功率是端口 2 輸出功率的兩倍。

實驗步驟

1、新建一個優化設計工程 2、參數掃描分析設置和仿真分析：添加參數掃描分析項、定義輸出變量、運行參數掃描分析 3、優化設計：添加優化變量、添加目標函數、設置優化變量的取值范圍、運行優化分析。

實驗結果

1、創建功率分配隨變量 Offset 變化的關系圖

輸出變量隨變量 Offset 變化的關系圖 分析：從上圖所示的圖可以看出,當變量 Offset 值逐漸變大時,即隔片位置向端口 2 移動時,端口 2 的輸出功率逐漸減小,端口 3 的輸出功率逐漸變大；當隔片位置變量 Offset 超過 0.3 英寸時,端口 1 的反射明顯增大,端口 3 的輸出功率開始減小。因此,在后面的優化設計中,可以設置變量Offset 優化范圍的最大值為 0.3 英寸。同時,在 Offset=0.1 英寸時,端口 3 的輸出功率約為 0.65,端口 2 的輸出功率略大于 0.3,此處端口 3 的輸出功率約為端口 2 輸出功率的兩倍。因此,在優化設計時,可以設置變量 Offset 的優化初始值為 0.1 英寸。另外,變量 Offset 優化范圍的最小值可以取 0 英寸。

優化設計結果

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Offset [in]0.000.200.400.600.801.00powerpower range with offset HFSSDesign1 XY Plot 4Curve Infopower11Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power21Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power31Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”

實驗總結

通過本次 HFSS 天線仿真實驗,使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實驗過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻,對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識,對天線的各種參數也有了具體的理解,這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。

實驗二

S HFSS 仿真對稱振子天線

實驗目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握對稱振子天線的設計方法、優化設計方法和工作原理。

實驗儀器

1、裝有 windows 系統的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實驗步驟

1、新建一個優化設計工程 2、參數掃描分析設置和仿真分析：添加參數掃描分析項、定義輸出變量、運行參數掃描分析 3、優化設計：添加優化變量、添加目標函數、設置優化變量的取值范圍、運行優化分析。

實驗數據

表 1 對稱振子天線三維體模型 名稱 形狀 頂點(x,y,z)(mm)尺寸(mm)材料 arm1 圓柱體(0,0,0.5)radius=$r,height=$l Pec arm2 圓柱體(0,0,-0.5)radius =$r,height=-$l Pec airbox 長方體(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+2*$l vacuum

表 2 對稱振子天線二維面模型 名稱 所在面 形狀 頂點(mm)尺寸(mm)邊界/源 feed xz 矩形(-$r,0,-0.5)dx=2*$r, dz=1 Lumped port

表 3 變量表 變量名 變量初始值（mm）

變量值（mm）

$lbd

$l 25 25(50, 75, 100)$r 1 1(2, 3, 4)實驗步驟

0 2 4 6 8 10 12 14Evaluation0.000.130.250.370.500.63Cost

1、新建一個優化設計工程 2、參數掃描分析設置和仿真分析：添加參數掃描分析項、定義輸出變量、運行參數掃描分析 3、優化設計：添加優化變量、添加目標函數、設置優化變量的取值范圍、運行優化分析。

實驗步驟 1.打開 HFSS,新建工程,將工程保存為 dipole。設置求解類型。設置單位。畫對稱振子的一支臂,形狀為圓柱體,命名為 arm1,材料設置為理想導體,半徑設置為變量$r,臂長設置為變量$l。畫饋電模型,形狀為 zx 面上的矩形,命名為 feed,設置為 lumped port 激勵方式。畫輻射箱,命名為 airbox,形狀為長方體,材料為真空,邊界條件為 radiation。設置求解頻率 3GHz,掃頻 1-5GHz。檢查及運行計算 9 畫電流分布 10 畫 S 參數曲線 11 畫阻抗曲線 12 畫方向圖 13 掃描變量$l 實驗結果

圖 airbox 及天線

圖 振子上電流幅度分布

圖 |S 11 |曲線

圖 24 阻抗曲線。

圖 29 二分之一波長對稱振子三維增益圖

圖 二分之一波長對稱振子 E 面方向圖

圖 S 參數隨$r 變化曲線

圖 36 $r=2mm,S 參數隨$l 變化曲線

圖 39 掃描變量$l 得到的方向圖

實驗三

HFSS 微帶天線仿真設計

實驗目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握微帶天線仿真設計原理和方法。

實驗儀器

1、裝有 windows 系統的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實驗原理 微帶天線的輻射機理實際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導體完全封閉,電路中的不連續處就會產生電磁輻射。例如微帶電路的開路端,結構尺寸的突變、折彎等不連續處也會產生電磁輻射（泄漏）。當頻率較低時,這些部分的電尺寸很小,因此電磁泄漏小；但隨著頻率的增高,電尺寸增大,泄漏就大。再經過特殊設計,即放大尺寸做成貼片狀,并使其工作在諧振狀態。輻射就明顯增強,輻射效率就大大提高,而成為有效的天線。

實驗步驟

1、創建微帶天線模型：設置默認的長度單位、建模相關選項設置、添加和定義設計變量、創建介質基片、創建輻射貼片、創建參考地、創建同軸饋線的內芯、創建信號傳輸端口面 2、設置邊界條件和激勵：設置邊界條件、設置輻射邊界條件、設置端口激勵 3、求解設置：求解頻率和網格剖分設置、掃頻設置 4、設計檢查和運行仿真分析：設計檢查、運行仿真分析 5、參數掃描分析：添加參數掃描分析項、運行參數掃描分析、查看分析結果 6、查看仿真分析結果 實驗結果

1、查看天線回波損耗

分析：從圖中可以看出設計的微帶天線諧振頻率在 2.45GHz 附近,且在 2.45GHz 頻點上的回波損耗值為 20.7dB 左右。

2、分析諧振頻率隨輻射貼片長度 L0 的變化關系

分析：從圖中可以看出,隨著長度L0值的增加,天線的諧振頻率逐漸降低。當L0=27.5mm時,諧振頻率為2.44GHz；當L0=28mm時,諧振頻率為2.48GHz；所以 2.45GHz 諧振頻率對應的 L0 長度介于 27.5mm~28.mm。

3、分析諧振頻率隨輻射貼片長度 W0 的變化關系

分析：從上圖所示分析結果可以看出,輻射貼片寬度 W0 由 30 mm 變化到 40 mm 時,天線的諧振頻率變化很小,即天線的諧振頻率不隨輻射貼片寬度變化而變化。

實驗總結

通過本次 HFSS 天線仿真實驗,使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實驗過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻,對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識,對天線的各種參數也有了具體的理解,這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。

1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 2ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28.5mm”1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-40.00-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“30mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“32mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“34mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“36mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“37.26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“38mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“40mm”

實驗四

半波偶極子天線仿真實驗報告

實驗目的1、學會簡單搭建天線仿真環境的方法,主要是熟悉日 HFSS 軟件的使用方法 2、了解利用 HFSS 仿真軟件設計和仿真天線的原理、過程和方法 3、通過天線的仿真,了解天線的主要性能參數,如駐波比特性、smith 圓圖特性、方向圖特性等 4、通過對半波偶極子天線的仿真,學會對其他類型天線仿真的方法 實驗儀器

1、裝有 windows 系統的 PC 一臺 2、HFSS 15.0 3、截圖軟件 實驗原理

首先明白一點:半波偶極子天線就是對稱陣子天線。

2, 對稱振子是中間饋電,其兩臂由兩段等長導線構成的振子天線。一臂的導線半徑為。, 長度為 I。兩臂之間的間隙很小,理論上可以忽略不計,所以振子的總長度 L=21。對稱振

子的長度與波長相比擬,本身己可以構成實用天線。

3, 在計算天線的輻射場時,經過實踐證實天線上的電流可以近似認為是按正弦 律分布。取圖 1 的坐標,并忽略振子損耗,則其電流分布可以表示為:

式中,Im 為天線上波腹點的電流;IC=W}C 為相移常數、根據正弦分布的特點, 對稱振子的末端為電流的波節點;電流分布關于振子的中心店對稱;超過半波長 就會出現反相電流。

4, 在分析計算對稱振子的輻射場時,可以把對稱振子看成是由無數個電流 I(z), 長度為 dz 的電流元件串聯而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理,對稱振子 的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。

圖 2 對稱振子輻射場的計算 如圖 2 所示,電流元 I(z)所產生的輻射場為

5、方向函數

實驗步驟

1、設計變量(以表格的形式列出來)

設置求解類型為 Driven Model 類型,并設置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本參數并初始化、創建偶極子天線模型,即圓柱形的天線模型。(模型截圖貼在下面)

其中偶極子天線的另外一個臂是通過坐標軸復制來實現的。設置端口激勵(附以截圖)

半波偶極子天線由中心位置饋電,在偶極子天線中心位置創建一個平行于 YZ 面的矩形面作為激勵端口平面。

4、設置輻射邊界條件(截圖)

要在 HfSS 中計算分析天線的輻射場,則必須設置輻射邊界條件。這里創建一個沿 Z 軸

放置的圓柱模型,材質為空氣。把圓柱體的表面設置為輻射邊界條件。

外加激勵求解設置分析的半波偶極子天線的中心頻率在 3G 日 z,同時添加 2.5 G 日:^3.5 G 日:頻段內的掃頻設置,掃頻類型為快速掃頻。

6、設計檢查和運行仿真計算 7、HFSS 天線問題的數據后處理(截圖,并做相應的說明)具體在實驗結果中闡釋。

實驗結果

1、回波損耗 S11

回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產生的反射,是一對線自身的反射,是天線設計需要關注的參數之一。

圖中所示是在 2.5 G 日 z ^3.5 G 日 z 頻段內的回波損耗,設計的偶極子天線中心頻率約為 3GHz, S11<-10dBd 的相對帶寬 BW=(3.25-2.775)/3*1000/=15.83% 2、電壓駐波比

駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由圖可以看到在 3G 赫茲附近時,電壓駐波比等于 1,說明此處接近行波,傳輸特性比較理想。

3,smith 圓圖史密斯圓圖是一種計算阻抗、反射系數等參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換, 將 z 復平面上。實部 r=常數和虛部 x=常數兩族正交直線變化為正交圓并與:反射系數|G|=常數和虛部 X=常數套印而成。

從 smith 圓圖可以看到,在中心頻率 3G 赫茲時的歸一化阻抗約為 1,說明端口的阻抗特性匹配良好。

4,輸入阻抗傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現的阻抗。實質上是個等效阻抗。只有確定了輸入阻抗,才能進行阻抗匹配。

圖中所示的輸入阻抗分別為實部和虛部,在中心頻率 3G 赫茲時,輸入阻抗比較的理想,容易實現匹配。

5、方向圖

方向圖是方向性函數的圖形表示,他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標的變化關系。輻射特性有輻射強度、場強、相位和極化。通常討論在遠場半徑為常數的大球面上,天線輻射(或接收)的功率或者場強隨位置方向坐標的變化規律,并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠場區確定的,所以又叫遠場方向圖。

電場方向圖:

由圖可以看到,電場方向以 Z 軸為對稱軸,在 XOY平面上電場最強,且沿四周均勻輻射。但沿著 Z 軸方向電場強度很弱。

磁場方向圖:

磁場方向圖在 XOY平面上接近一個圓,雖然看上去有些誤差。說明磁場在 XOY平面上輻射較為均勻。

三維增益方向圖: 這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著 Z 軸對稱輻射的情況。

6、其他參數 利用 HFSS 軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強度、方向性系數、最 大強度及其所在方向等參數。

實驗分析

設計一個天線,無論是作為發射天線還是接收天線,我們都很關心其方向參數、輸入阻抗參 數、增益參數、頻帶寬度等參數。這里也主要就上訴幾個參數來討論半波偶極子天線的優缺 點。

1、半波偶極子天線在軸向無輻射 2、半波偶極子天線的輻射與其電長度密切相關。當電長度小于 0.5 時,波瓣寬度最窄,在 垂直與軸向的平面內輻射最強,隨著電長度的增加,開始出現副瓣,主瓣寬度變寬,最

大輻射方向發生偏移。

3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈,說明寬頻帶時其較難實現負載匹配,所以相對應的頻帶寬度也較窄。

4、在諧振頻率附近時,我們從圖中可以看到,天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗,實現匹配較易,而且在中心頻率附近,電波的傳輸特性也最好,從而可以實現較大效率的功率傳輸。

5、通過對實驗得到結果的分析,不難發現,半波偶極子天線的諸多特性與電長度關系很大,所以可以通過調整天線的電長度來實現不同效用和要求的半波偶極子天線應用。

6、最后還要補充一點:半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細有關。

實驗總結

通過本次日「SS 天線仿真實驗,使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實驗過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻,對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識,對天線的各種參數也有了具體的理解,這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。

另外,這次實驗中我感覺較難的部分在與如何通過確定一種具體天線的參量模型來模擬設計天線模型,來仿真驗證天線特性。

實驗五

微帶犬線

實驗目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握微帶犬線仿真設計原理和方法。

實驗儀器

1、裝有 windows 系統的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件

實驗原理

微帶犬線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的,它是在一塊厚度遠小于工作波長的介質基片的一面敷以金屬輻射片,一面全部敷以金屬薄層作接地板而成。輻射片可以根據不同的要求設計成各種形狀·。微帶天線由于具有質量輕、休積小、易于制造等優點,現今已經廣泛應用于個人無線通信中。1 微帶天線結構

是一個簡單的微帶貼片天線的結構示意圖,由輻射元、介質層和參考地三部分組成。與天線性能相關的參數包括輻射元的長度 L,輻射元的寬度W,、介質層的厚度 h、介質的相對介電常數拭和損耗正切階次介質層的長度 LG 和寬度 WG

如果介質基片中的場同時沿寬度和長度方向變化,這時微帶天線應該用輻射貼片周用的 4 個縫隙的輻射來等效。2 微帶天線的饋電

微帶天線有多種饋電方式,如微帶線饋電、同軸線饋電、藕合饋電 C Coupled Feed)和縫 G}!饋電(Slot Feed)等,其中最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式。本章將要設計的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電。

同軸線鎖電又稱為背饋,『已是將同軸插座安裝在接地板上,同軸線內導體穿過介質基片接在輻射貼 l}.f:.,如圖 10.3 所示,尋取正確的饋電點的位置就可以獲得良好的匹配。

3 矩形微帶天線的特性參數 1.微帶輻射貼片尺寸估算

設計微帶大線的第·步是選擇合適的介質基片,然后再估算出輻射貼片的尺寸。假設介質的介電常數為Er,對一于工作頻率f的矩形微帶大線,’可以用 F 式沒計出高效率輻射貼片的寬度*,即:

式中,c 是光速。

輻射貼片的長度一般取為兒 12,這里,凡是介質內的濘波波長,即:

考慮到邊緣縮短效應后,實際_卜的輻射單元長度 L 應為:

式中,se 是有效介電常數,魷是等效輻射縫隙長度,可以分別用下式計算: 2.同軸饋點位置的估算

對于同軸線饋電的微帶貼片天線,在確定了貼片長度 L 和寬度 w 之后,還需要確定同軸線饋點的位置,饋點的位置會影響天線的輸入阻抗。在主模 TM 10 工作模式下,在寬度 w 方向上電場強度不變,因此饋電點在寬度、方向的位移對輸入阻抗的影響很小,但在寬度方向卜偏離中心位置時,會激發TM 10-模式,增加天線的交叉極化輻射,因此寬度方向r.饋電點的位置一般取在中心點(y=07}饋電點在矩形輻射貼片長度L方向邊緣處((x= }L12)的輸入阻抗最高,約為 t Oa 到 400 歐姆之間,而在輻射貼片的幾何中心點(x!0} y=0)處的輸入阻抗則為零,因此在長度 L 方向上,從輻射貼片的幾何中心到兩側輸入阻抗由零逐漸增大:對于如圖 10.3 所示的同軸線饋電的微帶貼片天線,由下式可以近似 v}一算出輸入阻抗為 50 歐姆時的饋電點的位置:

3.輻射場 如前所述,矩形微帶天線可以視作一段長 L 為 iJ2 的低阻抗微帶傳輸線,它的輻射場被認為是由傳輸線兩端開路處的縫隙所形成的。因此,矩形微帶天線可以等效為長 w.寬方、間距為 L 的二元縫隙天線陣。

單個縫隙天線的方向性函數為:

因此,矩形微帶天線的輻射場只需在單縫隙大線的表達式中乘以二元陣的陣因子就可以了。這樣,矩形微帶天線的方向性函數可以表示為:

工程設計中關心的多是 F 面（=90)和 H 面（φ=90）方向圖,于是由式(10.1.10)可得 E 面的力向性函數為:

考慮到 kh<<1 ,則式(4-1-9)可以近似寫為:

H 面的方向性函數為:

4.方向性系數 根據方向性系數的定義,可以給出微帶大線的方向性系數為:

本章設計的矩形微帶人線工作于 ISM 頌段,其中心頻率為 2.45GHz;無線局域網(WLAN),藍牙、ZigBee 等無線網絡均 1.作在該頻段上。介質摧片采用厚度為 1.6mm 的 FIt4 環氧樹脂(FR4 Epoxy)板,其相對介質常數ε=4.4,天線使用 50 歐姆同軸線饋電。

下面根據 10.1 節給出的推導公式來計算微帶天線的幾何尺寸,包括貼片的長度 L,寬度 W 和同軸線憤點的位置 1.矩形貼片的寬度 W 把 c=3.Ox10^8m/s,f0=2.45CrHz, ε=4.4 代入式(10-1-1)可以計算出微帶天線矩形貼片的寬度,2.有效介電常數& 把 h=1.6mm, W= 37.26mm, ε=4.4 代入式(10-1-4),可以計算出有效介電常數,即 3.輻射縫隙的長度△L 把 h=1.6mm,W=37.26mm, ε=4.08 代入式(10-1-5),可以計算出微帶天線輻射縫隙的一長度, 4.矩形貼片的長度△L

把 c=3.0x10^8m/s.f0=2.45GHz,=4.}8, △L=1.12mm 代入式〔10-1-3),可以計算出微帶天線 矩形貼片的長度,即

5.同軸線饋點的位置

把ε=4.4 ,W=37.26mm, L=28.C37mm 代入式(10-1-7)和式{10-1-6)計算出 50 歐姆匹配點的近似位置,即 實驗步驟

1.新建工程 2.添加自定義變量 3.設計建模 4.設置邊界條件 5.設置端口激勵 6.求解設置 7.設計檢查和運行仿真計算 實驗結果及其截圖: :

1.原實驗結果

(1)建模完成：

（2）.確認設計,通過 Validation Check：

（3）．查看天線的諧振頻率:

(4)參數掃描分析尋找諧振頻率

(5)調節阻抗獲得最佳匹配性能

實驗感想：

通過本次實驗我更熟練的掌握 HFSS 軟件的操作及對天線設計的要求

實驗六

HFSS 諧振腔仿真分析

實驗目的1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握諧振腔仿真分析。

實驗儀器

1、裝有 windows 系統的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實驗原理

一般的微波腔體諧振器是由導體制成的封閉的空腔,電磁波在其中連續反射,如果模式和頻率合適,就會產生駐波,即發生諧振現象。由于導體空腔諧振器是封閉系統,全部電磁場能量被限制在腔體內部,腔體本身無輻射損耗,且諧振腔屬于分布參數電路,電路的表面積增加使其導體損耗減小,因此諧振腔的品質因數較集總參數諧振電路高得多。

實驗步驟

1、創建圓形諧振腔模型：設置默認的長度單位、建模相關選項設置、創建圓形諧振腔體模型、2、邊界條件和激勵：

3、求解設置 4、設計檢查和運行仿真分析 5、參數掃描分析

實驗結果

1、諧振頻率和品質因數 Q

2、腔體內部電磁場的分布 繪制模式 1 在腔體橫截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布 繪制模式 1 在腔體垂直截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布 繪制模式 2 在腔體橫截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布

繪制模式 2 在腔體垂直截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布

參數掃描分析

模式 1 和模式 2 的頻率隨變量 Height 的變化曲線 分析：從上圖分析結果可以看出,隨著介質圓柱的逐漸升高,模式 1 和模式 2 的諧振頻率逐漸降低,通過改變介質圓柱的高度即可以改變圓形腔體內部的諧振頻率。

實驗總結

通過本次 HFSS 天線仿真實驗,使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實驗過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻,對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識,對天線的各種參數也有了具體的理解,這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。

科教興國

0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00Height [mm]3.00E+0094.00E+0095.00E+0096.00E+0097.00E+0098.00E+0099.00E+0091.00E+0101.10E+0101.20E+010Y1CavityXY Plot 1ANSOFTCurve Infore(Mode(1))Setup1 : LastAdaptivere(Mode(2))Setup1 : LastAdaptive

第三篇：仿真實驗報告

仿真軟件實驗

實驗名稱：基于電滲流的微通道門進樣的數值模擬

實驗日期：2013.9.4一、實驗目的1、對建模及仿真技術初步了解

2、學習并掌握Comsol Multiphysics的使用方法

3、了解電滲進樣原理并進行數值模擬

4、運用Comsol Multiphysics建立多場耦合模型，加深對多耦合場的認識

二、實驗設備

實驗室計算機，Comsol Multiphysics 3.5a軟件。

三、實驗步驟

1、建立多物理場操作平臺

打開軟件，模型導航窗口，“新增”菜單欄，點擊“多物理場”，依次新增：“微機電系統模塊/微流/斯 托 克 斯 流（mmglf）”

“ACDC模塊/靜態，電/傳導介質DC（emdc）”

“微 機 電 系 統 模 塊/微流/電動流（chekf）”

2、建立求解域

工作界面繪制矩形，參數設置：寬度6e-5，高度3e-6，中心（0,0）。復制該矩形，旋轉90°。兩矩形取聯集，消除內部邊界。5和9兩端點取圓角，半徑1e-6。求解域建立完畢。

3、網格劃分

菜單欄，網格，自由網格參數，通常網格尺寸，最大單元尺寸：4e-7。

4、設置求解域參數

求解域模式中，斯托克斯流和傳導介質物理場下參數無需改動，電動流物理場下，D各向同性，擴散系數1e-8，遷移率2e-11，x速度u，y速度v，勢

能V。

5、設置邊界條件

mmglf—入口1和7邊界“進口/層流流進/0.00005”

出口5和12邊界“出口/壓力，粘滯應力/0”；

emdc—入口1和7邊界“電位能/10V”

出口5和12邊界“接地”

其余邊界“電絕緣”；

chekf—入口1“濃度/1”，7“濃度/0”

出口5和12“通量/向內通量-nmflux_c_chekf”

其余邊界“絕緣/對稱”。

6、樣品預置

（1）求解器參數默認為穩態求解器，不用修改。

（2）求解器管理器設置求解模式：初始值/初始值表達式，點變量值不可解和線

性化/從初始值使用設定。

（3）首先求解流體，對斯托克斯流求解，觀察求解結果，用速度場表示。

（4）再求解電場，改變求解模式，點變量值不可解和線性化/當前解，對傳導介

質DC求解，觀察求解結果，用電位能表示。

（5）再求解電動流，不改變求解模式，觀察求解結果，用電動流濃度表示。

7、樣品上樣

（1）改變emdc進口，邊界7電位能由10改為3。對傳導介質DC求解，結果用

電位能表示。

（2）改變chekf進口，7邊界改為“通量/向內通量-nmflux_c_chekf”

；求解域

中x速度和y速度改為0去除載流作用；求解器設置改為瞬態求解器，時間改為“0:0.00001:0.00001”。求解模式全部使用當前解，對電動流求解，結果用濃度表示。

再求兩次解，完成上樣。

8、分離樣品

（1）改變chefk進口，7邊界“濃度/0”，1邊界“濃度/-nmflux_c_chekf”。

（2）改變cmdc進口，7邊界“電位能/10”，1邊界“電位能/3”。

（3）重新求解電場。求解模式為初始值表達式和當前解，對傳到介質DC求解，結果用電位能表示。

（4）樣品分離求解。求解模式全部為當前解，對電動流求解，結果用濃度表示。

四、實驗結果

五、討論

在本次試驗中，每一步操作都必須嚴格正確，而且參數的把握也一定要

到位，只有對每一步的設置做到精確無誤，才能保證最后的實驗結果。我在樣品上樣時一直未能獲得良好的上樣結果，發現對瞬態求解器的時間比例進行修改，可以獲得良好上樣結果，同時，在樣品分離改變chefk左進口濃度時發現修改數值導致結果錯誤，遂未修改濃度，得到了正確結果。因此，一定要在實驗時對參數正確設置。

通過對仿真實驗課程的學習，及本次試驗，我體會到仿真技術對于實驗的幫助非常巨大，使得實驗室進行的許多實驗可以通過計算機模擬直接完成，節省了資源消耗，并極大地提高了實驗效率。本課程的學習也讓我了解到了仿真及建模技術的要領。我也基本掌握了Comsol Multiphysics

這款軟件，我相信在今后我會將我對本課程的學習運用到實際中。

第四篇：淺析寬縫天線的仿真

淺析寬縫天線的仿真

【摘 要】 本文改進了一種基于寬縫微帶天線結構的超寬帶天線．利用HFSS對改進前后進行了仿真計算，給出了反射損耗曲線和輻射方向圖。改進后的天線采用較低的介電常數和較小的薄基板，獲得了更大的阻抗帶寬和頻率范圍。

【關鍵詞】 超寬帶 寬縫天線 HFSS仿真

對于超寬帶系統，一個很重要的問題就是超寬帶天線的研究。因為對于傳統的窄帶天線，超寬帶天線需要有幾個倍頻程的阻抗帶寬，而且要求天線在整個超寬帶頻帶寬度中都有穩定的性能。微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼加導體薄片而形成的天線。它利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線也可看作為一種縫隙天線。它具有剖面低、體積小、重量輕、易于加工、便于獲得圓極化的優點，并且非常有利于集成，為一簡單矩形貼片的微帶天線。輻射基本上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起的，垂直于貼片的方向上輻射最強。

微帶縫隙天線是微帶天線中的一種，因其結構簡單、便于排陣等優點在雷達與通信系統中有著廣泛的應用。通常按照縫寬電尺寸的大小，縫隙天線可以分為窄縫和寬縫兩種結構。通常窄縫天線的阻抗帶寬比較窄，而采用寬縫結構則可以獲得較寬的工作帶寬，并且對制造公差要求比貼片天線低，在組陣時其單元間隔距離比貼片天線更大。

目前改進技術可歸納為以下兩種：改變饋電結構(如T形、十字形、u形或 Pi形等)；改變寬縫形狀(包括矩形縫、圓形縫、橢圓縫等以及將矩形縫旋轉或者將矩形縫的直角轉為圓角等)。

采用漸變縫隙結構的微帶天線可以獲得超過100％的阻抗帶寬，并且具有較高的增益，矩形微帶饋電的半圓形寬縫天線和三角形微帶饋電的三角形寬縫天線，阻抗帶寬分別為l20％和l10％。但上述兩種天線都是制作在FR4的基板材料上的，由于FR4的損耗比較大，降低了天線的效率，而且兩者面積也過大(110 mm×110mm)，這也限制了將其集成到便攜通信設備中。

采用低損耗低介電常數的基板材料，保證了天線能有較高的效率，而且天線的面積也大為減小，造價低廉，使用于小型或者便攜無線通信設備。將貼片的形狀加以微小的改進，最后使用HFSS進行仿真計算，結果表明此天線在整個工作頻帶范圍內具有比較好的全向輻射特性，因此是一種具有實用價值的超寬帶天線。

1.矩形微帶饋電的半圓形寬縫天線的仿真分析

1.1天線的仿真

采用仿真軟件HFSS 10對該天線進行建模仿真，HFSS是基于有限元方法的高頻電磁場仿真分析軟件，能對任意三維結構的電磁場進行分析計算，并能得出特性阻抗、S參數、輻射場、天線方向圖等結果。

具體過程如下：

（1）建模

在HFSS中新建立一個工程，設置求解類型為Driven Modal，將單位設置為mm。在HFSS中先畫出介質板，并設置其材料為FR4，透明度設置為0.8，然后在其上方畫具有半圓形寬縫的銅層，按照經驗，厚度選為0.035mm，最后在介質板的下面畫出厚度也為0.035的微帶線和正方形貼片，設置其材料為銅，透明度為0.8。

（2）端口

在左側面的中間設置1.5mm×0.8mm的集總端口，積分線選取該矩形中心線，按照默認設置選取50歐姆。

（3）空氣和邊界設置

由于仿真頻率選取1GHz~11GHz，所以空氣層的厚度選取最低頻率對應波長的四分之一（即75mm），試驗中的空氣箱選取265mm×265mm×155mm，并將空氣箱的六個面設置為輻射邊界。將上下的銅層的表面設置為PEC邊界。

（4）分析設置

將求解的中心頻點設置為6GHz，最大步數設為10，每次的最大散射參量△S設為0.02。將掃描設置為快速掃描，從1GHz~11GHz，步長選為0.1GHz。

（5）求解

先進行有效性檢查，通過后，開始進行分析求解。

1.2仿真結果及分析

求解計算完成后，利用HFSS的后處理功能，即可得到天線的電參數。參數回波損耗如圖1所示，從圖中可以看出，該天線的阻抗帶寬（S11≤-10dB）約為100%（2~8GHz）。

阻抗帶寬并不足以說明天線的實際帶寬，必須對天線不同工作頻率下的方向圖進行仿真計算才能確定方向圖帶寬。圖2分別給出了天線在工作頻率為6GHz情況下，ZY平面(E面)與ZX平面(H面)的輻射方向圖，圖中外圍的曲線為ZY平面(E面)。分析時選取的參量為增益，單位為dB。

圖1 半圓形寬縫天線的回波損耗

圖2 半圓形寬縫天線的輻射方向圖

2.改進結構的仿真分析

由于FR4的損耗比較大，降低了天線的效率，而且兩者面積也過大(110 mm×110mm)，這也限制了將其集成到便攜通信設備中，針對該天線的不足，許多文獻都對其進行了改進，在這里將介質板縮小為60×95mm，所使用的基板改為為具有低介電常數，厚度小，柔韌性較好的聚四氟乙烯環氧樹脂強化材料RT5880．基板厚度不變，介電常數為2.2，同時將矩形微帶改為近似半圓形，如圖3所示。

建模的過程中，對于矩形微帶進行倒角，選取半徑為8mm。

按照前述步驟，對改進后的寬縫天線進行仿真，分析結果如圖

4、圖5所示。圖4為回波損耗，從圖中可以看出，進過改進后，阻抗帶寬有了明顯的加寬（2.5G~十幾G），但是個別點處回波損耗大于-10dB，這就需要進一步的對半圓形貼片的半徑進行優化。

圖3 改進后的寬縫天線及其模型

圖4 改進后的寬縫天線的回波損耗

圖5所示為改進后的寬縫天線的輻射方向圖，其中近似為橢圓形的曲線表示ZY平面(E面)，另外一條對稱曲線表示ZX平面(H面)。可以看出該天線具有較好的全方向性。

圖5 改進后的寬縫天線的輻射方向圖

3.結論分析

通過仿真可以看出，采用半圓形縫隙、半圓形饋電是可以實現的一種展寬寬縫天線頻帶的有效途徑。結合相關文獻的仿真結果，可以得知該類型寬縫天線的反射特性對縫隙周圍的基板尺寸L、W并不十分敏感，而饋電結構對回波損耗的影響比較大。從仿真中，還得出以下的相關規律:

3.1縫隙的結構與微帶饋電結構應該一致

另外一種天線，采用三角形縫隙，對應饋電結構也是采用三角形。

3.2縫與微帶應該成對稱放置

從本實驗的仿真可以看出，當采用半圓形縫隙時，饋電結構若采用倒置的半圓形，將會取得更好的效果，有待于進一步的仿真證明。

4.仿真中的不足

4.1缺少優化

仿真過程中，沒有進行對天線相關尺寸的優化設置，只是采用了相關文獻的建議值。

4.2頻率掃描應該進一步縮小

HFSS掃描時，一般要求掃描的頻率寬度小于掃描中心頻率的一半，仿真過程中，由于運算時間的原因，沒有考慮這一因素，下一步的仿真證明中，需要采用分段掃描的方法。

（作者單位：中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司）

第五篇：微波天線仿真設計實驗

基于HFSS的微帶天線仿真設計 1 概述

目前，在許多應用場合（如移動通信手機中）都需要體積小、重量輕的小型接收天線。微帶貼片天線代表一系列的小型天線，以其剖面低、重量輕的優點而成為人們的首選。通過采用簡單明了的傳輸線模型，建立微帶線嵌入饋電貼片天線的精確模型并對之進行分析已成為可能。另外，通過應用曲線擬合公式，也可以確定50Ohm輸入阻抗所需的精確嵌入長度。饋電機制在微帶貼片天線設計中扮演了重要角色。微帶天線可以由同軸探針或嵌入的微帶線來饋電，同軸探針饋電在有源天線應用中具有優勢，而微帶線饋電則是適合于開發高增益微帶陣列天線。

在一個薄的介質基板上，一面覆上金屬薄層作為接地板，另一面采用刻蝕地方法做出各種形狀的貼片，利用微帶或者同軸對貼片進行饋電，這就是最基本的微帶貼片天線。它在導體貼片和接地板之間激勵起電磁場，并通過貼片與接地板的縫隙向外輻射。

天線分析的基礎問題是求解天線周圍空間建立的電磁場，進而得出方向圖增益和輸入阻抗等特性指標。如下圖1，圖2所示。

圖1 矩形微帶天線開路段電場結構

圖2 場分布側面圖 天線基礎

天線的性能直接影響著整個無線通信的性能，一般來說，表征天線性能的主要參數有方向特性、增益、輸入阻抗、駐波比、極化特性等。

2.1 天線的極化方式

所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強度方向。根據極化方向可分為垂直極化波和水平極化波。

(1)水平極化波：當電場強度方向平行于地面形成的波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產生熱能而使電場信號迅速衰減。

(2)垂直極化波：當電場強度方向垂直于地面形成的波。垂直極化方式則不易產生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。

2.2 天線的增益

天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數之一。

一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。表征天線增益的參數有dBd和dBi。DBi是相對于點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。

2.3 天線的阻抗

天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。

天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優劣一般用四個參數來衡量即反射系數，行波系數，駐波比和回波損耗。

駐波比：它是行波系數的倒數，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。

回波損耗：它是反射系數絕對值的倒數，以分貝值表示。回波損耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統中，一般要求回波損耗大于14dB。

2.4 天線的波瓣寬度

波瓣寬度是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個方向收發信號能力的一個指標，通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關系）。

(1)垂直波瓣寬度：一般與該天線所對應方向上的覆蓋半徑有關。因此，一定范圍內通過對天線垂直度（俯仰角）的調節，可以達到改善小區覆蓋質 量的目的。

(2)水平波瓣寬度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區交界處的覆蓋越好，但當提高天線傾角時，也越容易發生波束畸變,形成越區覆蓋。角度越小，在扇區交界處覆蓋越差。

3矩形貼片的設計

矩形貼片是微帶貼片天線最基本的模型，本設計就是基于微帶貼片天線基礎理論以及熟練掌握HFSS10仿真軟件基礎上，設計一個矩形貼片，其工作頻率在2.45GHz，并分析其遠區場輻射特性以及S曲線，3.1 設計目的

(1)學習設計微帶天線的設計方法；

(2)掌握矩形貼片的設計方法及其遠區輻射場的特性以及S曲線；(3)掌握HFSS10仿真軟件的使用。

3.2 矩形微帶貼片天線的輻射原理

如圖3所示，用傳輸線模分析法介紹它的輻射原理。

設輻射元的長為L，寬為ω，介質基片的厚度為h。現將輻射元、介質基 片和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路，根據微帶傳輸線的理論，由于基片厚度h<<λ，場沿h方向均勻分布。在最

簡單的情況下，場沿寬度ω方向也沒有變化，而僅在長度方向（L≈λ/2)有變化。

在開路兩端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場所產生的遠區場同向疊加，而兩垂直分量所產生的場反相相消。因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，縫的電場方向與長邊垂直，并沿長邊ω均勻分布。縫的寬度△L≈h，長度為ω，兩縫間距為L≈λ/2。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為有兩個縫隙所組成的二元陣列。

圖3 矩形貼片天線示意圖

3.3 矩形貼片天線的仿真設計

1．建立新的工程 2．設置求解類型 3.設置模型單位

4．創建微帶天線模型

(1)創建地板GroundPlane。尺寸為90mm*90mm，并設置理想金屬邊界。

(2)建立介質基片。尺寸為45mm*45mm*5mm。將材料設置為Rogers R04003。(3)建立貼片Patch。尺寸為：32mm*32mm，并設置理想金屬邊界。

(4)創建切角。首先在坐標原點處創建三角形，然后將其移動到方形貼片的頂點處。輸入點的坐標：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通過旋轉180度創建另一個切角。(5)用Patch將切角減去。(6)創建探針Pin。圓柱中心點的坐標：X：0，Y：8，Z：0；輸入圓柱半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；輸入圓柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料設置為pec。

(7)創建端口面Port。圓心點的坐標：X：0，Y：8，Z：0，半徑為：dX：0，dY：1.5，dZ：0。

(8)用GroundPlane 將Port減去。

5.創建輻射邊界

創建Air，尺寸為：160mm*160mm*70mm。輻射邊界命名為Rad1。

6．設置端口激勵

端口命名為p1。在Modes 標簽中的Integration line zhong點擊None，選擇New Line，在坐標欄中輸入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回車鍵，點擊Next按鈕直至結束。

7．求解設置

為該問題設置求解頻率及掃頻范圍

(1)設置求解頻率。設置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。

(2)設置掃頻。掃頻窗口中做以下設置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；將Save Field復選框選中。8.設置無限大球面

在菜單欄中點擊HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere標簽中做以下設置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。

9.確認設計 10.保存并求解工程 11 后處理操作

(1)S參數（反射系數）。

繪制該問題的反射系數曲線，該問題為單端口問題，因此反射系數是s11。點擊菜單欄HFSS>Result>Create Report。選擇：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 點擊Y標簽，選擇：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后點擊Add Trace按鈕。點擊Done按鈕完成 操作，繪制出反射系數曲線。

(2)2D輻射遠場方向圖。

在菜單欄點擊HFSS>Result >Create Report。選擇：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep標簽中，在Name這一列中點擊第一個變量Phi，在下拉菜單中選擇The。點擊Mag標簽，選擇：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,點擊Add Trace按鈕。最后點擊Done，繪制出方向圖。結果分析

4.1 對探針位置的探討

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：32，dY：32，dZ：0。

4.1.1探針在Y軸

探針中心點的坐標：X：0，Y：8，Z：0；半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖4所示：

圖4 矩形貼片天線3D模型(探針在Y軸)

(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖5所示。

圖5 反射系數圖（Y軸）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖6所示。

圖6 2D輻射遠場方向圖（Y軸）分析： 當探針在Y軸上時，回波損耗在13.8dB左右，工作頻帶在2.35GHz-2.47 GHz。

由遠場方向圖可看出，有一個小的背瓣。頻點在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要進行優化。

4.1.2 探針位置在X軸上

探針中心點的坐標：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖7所示：

圖7 矩形貼片天線3D模型(探針在X軸)

(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖8所示。

圖8 反射系數圖（X軸）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖9所示。

圖9 2D輻射遠場方向圖（X軸）

分析：當探針在X軸上時，回波損耗也在13.8dB左右，工作頻帶在2.37GHz-2.48 GHz。

由遠場方向圖可看出，有一個小的背瓣。頻點在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.說明此位置仍不是最佳位置。

4.1.3 探針在對角線位置上 探針中心點的坐標：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖10所示：

圖10 矩形貼片天線3D模型(探針在對角線軸)(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖11所示。

圖11 反射系數圖（對角線）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖12所示。

圖12 2D輻射遠場方向圖（對角線上）

分析：當探針在對角線上時，回波損耗為-29dB，頻點恰好在2.45GHz，工作頻帶在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作頻帶很窄。由遠場圖可知，此位置仍有一個小的背瓣。

因此，探針在這個工作特性很好，但工作帶寬有點窄。探針中心點的坐標：X：8，Y：8，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖13所示：

圖13 矩形貼片天線3D模型(探針在對角線軸)

(1)反射系數曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖14所示。

圖14 反射系數圖（對角線）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖15所示。

圖15 2D輻射遠場方向圖（對角線上）

分析： 當將探針設置在此位置時，回波損耗在-14.3dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.49GHz,頻點正好在2.45GHz。

由遠場方向圖可知，在此位置有一個小的背瓣。

探針在這個位置工作特性很好，工作頻帶也較寬。此外還可知在對角線上越靠近中心，天線性能越好。

4.2 改變貼片尺寸

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。

探針中心點的坐標：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設置為pec。模型如圖16所示。

圖16 矩形貼片天線3D模型(貼片尺寸改變)(1)反射系數曲線

仍在上述所設求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數曲線，如圖17所示。

圖17 反射系數曲線（貼片尺寸改變）

(2)2D輻射遠場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠場方向圖，如圖18所示。

圖18 2D輻射遠場方向圖（貼片尺寸改變）

分析： 當其他條件不變，改變貼片尺寸（由32mm*32mm改為31.7mm*31.7mm）時，回波損耗在-12.5dB左右，頻帶寬度在2.39 GHz-2.50GHz,頻點正好在2.45GHz。

由遠場方向圖可知，在此位置仍有一個小的背瓣。探針在這個位置（X軸）工作特性不錯，工作頻帶也較寬。

4.3 改變探針半徑

在4.2的基礎上，將探針半徑改為0.4mm，其他條件不變，則所形成的反射系數圖和2D輻射遠場方向圖如圖19，圖20所示。

圖 19 反射系數圖曲線（探針半徑0.4mm）

圖20 2D輻射遠場方向圖(探針半徑0.4mm)分析：① 在上一步的基礎上，改變探針半徑（由0.5mm改為0.4mm）時，回波損耗在-14.1dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.52GHz,頻點正好在2.46GHz。

② 由遠場方向圖可知，在此位置仍有一個小的背瓣。

③ 此時，探針不在工作頻點，可知探針半徑太小，但由上研究可知，半 徑在稍微改大一點應該可以使探針工作在2.45 GHz（這個問題由于時間問題沒研究）。

總結：

① 當頻率低于工作頻點時，優化天線的措施有：改變探針位置、探針半徑、貼片尺寸等，均可以使其工作在頻點（如2.45GHz）。

② 對于矩形貼片可知：當探針在坐標軸上時，天線性能不是很理想；當在對角線上時，天線的性能較理想，工作頻帶較在坐標軸的位置要窄，而且探針在對角線上靠近中心的位置上，天線的性能更好。

③ 當改變探針半徑時，半徑減小，工作頻率變大。通過調整可以使貼片工作在頻點。設計體會

微波課設在短短的幾天時間里完成了。首先非常感謝老師以及各位學長的幫助和指導。

由于老師已經在指導書上列出了很詳細的操作步驟，設計思路都體現在里面，因此這次課設上手還是很快的。這使我們能夠很快的把握住設計思路，進一步學會如何利用HFSS10這款軟件設計微帶天，并通過所形成的遠區輻射場圖和S曲線分析矩形微帶天線的特性。學習將基礎的理論知識應用到微帶天線的實際設計中。做完之后再回頭想一下，按照公式計算出來的矩形天線的參數運用到實際時，并不能使天線達到理想的輻射狀態。這可能是由于一些共識的近似表示以及實際天線所處環境等因素造成。由此可知，在具體設計微帶天線時要根據實際的情況對天線進行優化處理，使其達到理想輻射特點。當然在做實驗時并不是特別順利，所幸的是，在老師和幾位學長的幫助指導下解決了，并從中學到很多東西。

此外，在這次課設中同學間的配合也是相當重要的。每個學生對老師課堂所講的內容的接收程度不同。只有同學間的相互配合，提出問題，然后討論最后解決，才能使課設結果達到更好的效果。參考文獻

《微波天線與技術》 西安電子科技大學出版社 劉學觀 郭輝萍 編著。