hfss天线仿真实验报告

hfss天线仿真实验报告（精选2篇）

hfss天线仿真实验报告 篇1

HFSS天线仿真实验报告

半波偶极子天线设计

通信0905 杨巨 U200913892

2012-3-7

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。

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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。

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。

4、设置辐射边界条件

要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。这里创建一个沿Z轴放置的圆柱模型，材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。

5、外加激励求解设置

分析的半波偶极子天线的中心频率在3G Hz，同时添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。

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半波偶极子天线设计

6、设计检查和运行仿真计算

7、HFSS天线问题的数据后处理

具体在实验结果中阐释。

五、实验结果

1、回波损耗S11 回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一。

图中所示是在2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3 G Hz，S11<-10dBd的相对带宽BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%

2、电压驻波比

驻波比,一般指的就是电压驻波比,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由图可以看到在3G赫兹附近时，电压驻波比等于1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。

3、smith圆图

史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。采用双线性变换，将z复平面上。实部 r=常数和虚部 x＝常数两族正交直线变化为正交圆并与：反射系数

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|G|=常数和虚部x＝常数套印而成。

从smith圆图可以看到，在中心频率3G赫兹时的归一化阻抗约为1，说明端口的阻抗特性匹配良好。

4、输入阻抗

传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配。

图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率3G赫兹时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配。

5、方向图

方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。电场方向图：

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半波偶极子天线设计

由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。但沿着Z轴方向电场强度很弱。

磁场方向图：

磁场方向图在XOY平面上接近一个圆，虽然看上去有些误差。说明磁场在XOY平面上辐射较为均匀。

三维增益方向图：

这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着Z轴对称辐射的情况。

6、其他参数

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半波偶极子天线设计

利用HFSS软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射强度、方向性系数、最大强度及其所在方向等参数。

看着这一张密密麻麻的图表，很多参数还不是很明白，还需研究。

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半波偶极子天线设计

六、实验分析

设计一个天线，无论是作为发射天线还是接收天线，我们都很关心其方向参数、输入阻抗参数、增益参数、频带宽度等参数。这里也主要就上诉几个参数来讨论半波偶极子天线的优缺点。

1、半波偶极子天线在轴向无辐射

2、半波偶极子天线的辐射与其电长度密切相关。当电长度小于0.5时，波瓣宽度最窄，在垂直与轴向的平面内辐射最强，随着电长度的增加，开始出现副瓣，主瓣宽度变宽，最大辐射方向发生偏移。

3、半波偶极子天线的输入阻抗受频率影响很剧烈，说明宽频带时其较难实现负载匹配，所以相对应的频带宽度也较窄。

4、在谐振频率附近时，我们从图中可以看到，天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗，实现匹配较易，而且在中心频率附近，电波的传输特性也最好，从而可以实现较大效率的功率传输。

5、通过对实验得到结果的分析，不难发现，半波偶极子天线的诸多特性与电长度关系很大，所以可以通过调整天线的电长度来实现不同功能和要求的半波偶极子天线应用。

6、最后还要补充一点：半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。

七、实验总结

通过本次HFSS天线仿真实验，使我更加真实、贴切的了解天线的原理和用途。生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线，却不知其意义何在。在这次实验过程中，我不停的操作、翻阅资料、上网查阅文献，对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识，对天线的各种参数也有了具体的理解，这些东西对以后的相关学习和研究打下了基础。

另外，这次实验中我感觉较难的部分在与如何通过确定一种具体天线的参量模型来模拟设计天线模型，来仿真验证天线特性。

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hfss天线仿真实验报告 篇2

缝隙微带天线具有低成本、低功耗、体积小、易于集成等优点,广泛地应用于微波集成电路和毫米波领域。缝隙的形状是多种多样的,有矩形槽、U形槽、H形槽、X形槽等[1,2,3]。形状的多样化也带来了天线性能的提高及功能的多样化。缝隙耦合天线由缝隙微带天线发展而来,它的馈线和辐射单元分别装在两个介质板上,中间由接地板隔开,因此馈电和辐射两部分可分别进行设计,且馈线的寄生辐射弱,交叉极化水平低,有着很好的应用背景[4]。本文采用HFSS软件仿真分析了一种缝隙耦合的线极化贴片天线,并优化了缝隙的几何尺寸。

2 有限元仿真

2.1 仿真软件HFSS简介

HFSS是美国Ansoft公司开发的高频电磁结构仿真软件包。该软件包基于电磁场分析的有限元理论,能够计算任意形状的三维无源结构S参数和全波场。求解问题涵盖外场辐射及内场分析,可直接得到特性阻抗、传播系数、S参数、辐射场、天线方向图等结果。该软件操作界面方便易用,建模工具丰富,自适应网格剖分技术稳定成熟,仿真速度快捷且仿真精度高,总体来说可靠性很强。其附带的参数分析、优化设计、灵敏度分析等功能为用户进行结构优化设计提供了强大的工具,可帮助工程师有效地设计各种高频结构。

2.2 缝隙耦合贴片天线模型

本文研究的贴片天线采用微带线通过缝隙耦合对辐射贴片进行馈电。天线结构如图1所示。介质1厚度为h1,上端为贴片,下端为带缝隙的接地板。地板下方为厚度h2的介质2,介质2下方为馈线。本文所建立的计算模型如图2所示。其中,介质1和介质2的介电常数分别为2.2和3.5,厚度分别为h1=5mm,h2=3mm,长和宽均为140mm和100mm。贴片为40mm×30mm的矩形。矩形地板长宽均与介质长宽相等。缝隙为窄长条形,位于贴片正下方,长和宽分别为2mm和14mm。馈线为70mm×5mm的矩形长条。其中,长度和宽度分别对应模型中x方向和y方向的尺寸。

2.3 仿真结果

采用HFSS软件,对以上的模型建立了相应的边界条件和激励,求解频率设置为6.45GHz,扫频范围为6~7GHz,求解得到了S参数图、驻波比图等结果。

图3给出了回波损耗S11随频率的变化关系。S参数表示在波端口处电磁波的反射功率和入射功率的比值。由图可见,曲线在频率为6.45GHz附近出现波谷,回波损耗在6.45GHz处达到最大,约-11.8dB。说明在该频率天线和馈线匹配最佳,但-11.8dB的回波损耗偏小。计算可得绝对频带宽度(S参数小于-10 dB)约0.52 GHz,相对频带宽度为8.06%。

图4为驻波比与频率的相对变化关系图。驻波比是衡量天线性能的重要参数。从图中可以看出驻波比在频率为6.45GHz的波谷处的极值约为1.7。频带范围与S参数基本一致。该天线最大增益为7.1dB,整体来看天线的性能较好,但仍有待加强。

3 尺寸优化

3.1 优化约束及目标

缝隙耦合贴片天线的主体结构为两层介质,天线的性能和结构的一些关键尺寸是密切相关的。例如,上层介质板的媒介参数影响天线的阻抗带宽,频带愈宽则要求介电常数愈低而厚度愈厚,但厚度的增加会减弱贴片和缝隙之间的耦合作用,因此结构的尺寸需综合考虑。

在结构外形基本确定的前提下,缝隙的尺寸是缝隙耦合天线的重要的尺寸,直接影响着谐振频率和谐振电阻。本文以缝隙的长和宽为设计变量,以提高天线的带宽为优化目标,运用HFSS软件的参数分析和优化功能对天线开展了尺寸优化工作。缝隙仍位于贴片的正下方,x方向和y方向尺寸的变化范围分别为1.7mm≤W≤2.3mm和11mm≤L≤20mm。

3.2 优化结果

图5给出了工作频率为6.45GHz时驻波比随缝隙尺寸的变化。由图可见,W对驻波比影响很小,这是由于W的尺寸变化范围较小,驻波比相对W小范围内的变化不敏感。随着L的值增大,驻波比的值变化较明显。当L小于17mm时,随着L增大驻波比迅速由3减小到1.3左右。当L大于17mm时,驻波比的值变化很小。当W=1.9mm且L=19mm时驻波比达到最小值1.265。表明在相应的尺寸修改范围内,这一组尺寸达到最优解。

图6和图7分别为优化后S11和驻波比随频率的变化关系。可见优化后中心频率为6.4GHz,相对优化前变化很小,表现较稳定。回波损耗的极小值约为-19dB,较优化前有较大提升。绝对带宽和相对带宽分别为0.85GHz和13.3%,较优化前亦有较大提升。同样,驻波比的带宽得到了一致的提升,且最小值降至1.25dB。同时,天线的最大增益上升到7.65dB。如表1所示。上述结果表明优化后天线的性能提高较大,且缝隙的尺寸对缝隙耦合天线的性能影响明显。

4 结语

利用HFSS建立了天线的物理模型,求解得到了回波损耗曲线、电压驻波比曲线等结果。将缝隙的长和宽尺寸作为设计变量,利用HFSS软件的参数分析和优化分析功能调整了缝隙的尺寸,使得天线的性能有所提高。HFSS软件的优化功能可缩短工程师设计天线的周期,对天线的细化设计起指导作用,该方法的运用具有一定的工程实际价值。

参考文献

[1]柴雯雯,张晓娟.新型宽带U形缝贴片天线阵[J].电子与信息学报,2008,30(3):756-758.

[2]张辉.基于H形缝隙耦合的宽带圆极化微带天线[J].电子与信息学报,2007,29(4):991-993.

[3]汪伟,钟顺时,梁仙灵.X形微带缝隙天线[J].上海大学学报,2005,11(1):1-3.