HFSS

HFSS（共7篇）

HFSS 篇1

1 引言

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

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HFSS 篇2

关键词：HFSS,MATLAB,波导缝隙天线,协同仿真

0 引言

波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。使用HFSS的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。利用HFSS提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用MATLAB调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个21单元的波导宽边裂缝阵列天线。并以此波导缝隙天线为例，应用MATLAB协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。

1 基本理论

波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵，驻波阵。行波阵的波导终端接吸收负载，驻波阵在距离终端λg/4处接短路滑块，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。

1.1 波导缝隙天线理论分析

波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳[1,2]。Stevenson等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。

归一化等效谐振电导为:

式中，a为波导宽边尺寸，b为波导窄边尺寸，d为缝隙偏移量，λg为波导波长:

文献[2]对比软件仿真与式(1)计算结果误差在10-2数量级，由此可见应用式(1)计算精度可以满足设计要求。

1.2 波导缝隙驻波阵设计

按泰勒分布加权各缝隙激励幅度，副瓣电平Ro，设计N单元波导宽边偏置缝隙阵天线[3,4,5]。由副瓣电平Ro确定参数A:

等副瓣电平数为，波束展宽因子可以确定为:

泰勒阵列各单元激励幅度为:

式中，

因此，由式(2)可以计算出符合泰勒分布的各个缝隙的激励幅度值an，带入到式(3)中:

求出各个缝隙的归一化电导g，再将求出的归一化电导值带入式(1)中，从而可以得出各个缝隙的偏移量[6,7]。

2 MATLAB协同HFSS建模仿真

设计一个SLL=-25dB，珔n=4,N=21的波导缝隙阵天线。由式(1)-(3)综合出了各个缝隙的激励幅度an，缝隙偏移量d。缝隙的谐振长度可以通过HFSS仿真出来，仿真模型如图2所示，缝宽设置缝隙长度l为扫描变量，满足im(Y)=0时的l值即为缝隙谐振长度。表1是一组泰勒分布缝隙的激励幅度，谐振长度参数。12～21号缝隙与1～10号缝隙对称。

HFSS提供了VBScript脚本语言功能，MATLAB可以通过这个接口，调用HFSS建立相应的模型，实现MATLAB协同HFSS建模仿真。

在MATLAB中需设置[8,9]:(1)设置HFSS以及生成的VBScript路径;(2)编写波导模型、激励以及边界条件程序;(3)运行m文件生成VBScript，调用HFSS建立模型。

选用波导为WR90标准，波导尺寸22.86*10.16mm，波导壁厚1mm，馈电端口距离缝隙中心λg/2，末端缝隙中心距终端λg/4，终端短路。如图3所示。

从图4驻波曲线可以看出在驻波小于2的带宽约为150M，由图5可知E面方向图波瓣宽度约为5°，H面方向图波瓣宽度76°，天线增益为19.7dB，第一副瓣-24.5dB，满足设计要求。

3 结束语

本文以泰勒幅度加权，设计了一个副瓣电平为-25dB，缝隙数为21的波导宽边裂缝天线。利用HFSS的VBScript功能作为接口，在MATLAB中编写相应的程序，生成VBScript脚本，进而调用HFSS建立了波导缝隙天线的模型，并进行了仿真分析，从仿真结果可以看出天线满足设计要求，同时也说明了使用MATLAB协同HFSS建模方法的可行性。当在建立更为复杂的天线模型，例如波导的缝隙数量为几十甚至几百个时，因为各个缝隙参数不尽相同，无法在HFSS中利用简单的复制操作批量完成，若将缝隙参数导入MATLAB建模，则优势十分明显。

参考文献

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[9]刘勍,温志贤.MATLAB基础及应用[M].南京:东南大学出版社,2011.

HFSS 篇3

随着无线通信技术的快速发展,人们对终端天线的技术指标要求越来越高,宽频带、多频带、高增益等要求使天线结构越来越复杂,设计难度也相应提高。利用仿真软件来设计天线已成为必然趋势,美国Ansys公司开发的HFSS[1]是业界设计天线的主流公认软件,具有仿真精度高、稳定可靠的特点。HFSS自带的开发包Antenna Design Kit( 天线辅助设计工具) ,可针对25 种常用的天线形式,自动建立模型,提高设计天线的效率,但这些模型大多局限于传统天线,例如喇叭天线、螺旋天线、单层微带天线等。

近年来,为了满足多频宽带的实际需求,叠层微带天线的应用更加广泛[2,3,4],然而叠层微带天线的互耦使得天线设计相对复杂,HFSS自带的开发包ADK也暂时不支持此类型的天线进行快速建模,因此如何利用仿真软件进行快速设计叠层微带天线是需要解决的问题。目前已有利用MATLAB和HFSS协同快速建模仿真的方法[5,6],但大多设计过程不直观,需要在脚本程序中修改设计参数等。为此,本文提出了一种通过MATLAB GUI界面设计天线参数,调用HFSS进行建模仿真并返回设计结果,利用MATLAB分析仿真结果并优化设计叠层微带天线的方法。该设计方法快速直观,为教学与科研工作提供了一个快捷准确的辅助设计工具。

1 叠层微带天线设计原理

叠层微带天线有双层微带天线以及多层微带天线,层数越多,设计与分析越复杂,以双层矩形贴片微带天线为例设计,其基本结构如图1 所示。该天线单元由上下两层矩形贴片构成,其中上层贴片的尺寸是L1× W1,下层贴片的尺寸是L2× W2,上下贴片之间以及下贴片和地板之间是相对介电常数分别为 εr1、εr2的均匀介质,介质厚度分别为h1和h2,馈电点位于x轴上,与贴片中心距离为feed。

设定上下两层矩形贴片的工作频率分别为f1和f2,根据传输线模型理论[7],叠层矩形贴片微带天线的长宽计算公式为:

其中,c为自由空间中的光速,i =1,2; 等效介电常数为:

考虑到边缘效应,贴片的延伸长度 Δli分别为:

天线采用同轴馈电结构,馈电点初始位置可采用近似公式( 8) 计算,通过改变馈电点和辐射边的距离来实现阻抗匹配调谐。

2 叠层微带天线设计软件

MATLAB是Mathworks公司推出的一款功能强大的数学软件,具有强大的数值计算、可视化功能和系统建模仿真的能力,在高校和科研机构使用十分广泛。其又为用户提供了功能强大的集成图形用户界面开发环境[8,9]( GUIDE) ,通过GUIDE,用户可以方便快捷地设计图形用户界面( graphical user interface,GUI) ,开发自己的应用程序。HFSS仿真平台则提供了VBScript脚本语言功能,MATLAB可通过这个接口调用HFSS建立模型,进行仿真。考虑到HFSS自带优化功能有时候达不到设计目标,因此软件附加了外部优化算法———田口方法[10],用户可根据需求决定是否进行外部优化。具体设计流程如图2 所示。

叠层微带天线设计软件的界面如图3 所示。主要包括设计参数设置、设计结果以及仿真设置三部分功能。用户通过在参数设置部分输入上下两层矩形贴片的中心频率、介电常数、介质板的厚度以及损耗角正切值,然后点击“开始设计”按钮,便可利用输入的参数设计出叠层微带天线的初始尺寸,并生成VBScript脚本文件。点击“开始仿真”按钮,则执行生成的VBScript脚本文件,调用HFSS进行建模仿真,仿真完毕将仿真结果返回到MATLAB中,点击“查看结果”则可显示相应的仿真结果,如反射系数图和辐射方向性图。如果仿真结果与设计目标差距较大,则不仅可以人工修改设计尺寸重新仿真,而且提供了自动优化功能,利用文献[10]中的田口优化算法,将上下两层贴片的长宽以及馈电点位置作为优化参数,选择合适的正交矩阵以及优化目标作为适应度函数,点击“进行优化”按钮进行迭代仿真优化,直到得到用户满意的结果。

3 仿真结果

选择上层贴片中心频率为1. 6GHz,下层贴片中心频率为1. 2GHz,采用介电常数为2. 65,厚度为2mm,损耗角正切均为0. 001 的介质板设计叠层微带天线,将设计参数输入到界面上,点击“开始设计”按钮,即可根据理论公式得到上下两层贴片单元以及地板的尺寸,同时给出馈电点初始位置。再输入仿真所需起始频率和终止频率以及扫描点数,点击“开始仿真”按钮,即可调用HFSS三维电磁仿真平台,建立仿真模型进行仿真,如图4 所示。

仿真完成后,点击“查看仿真结果”按钮,可以显示初始设计的S11 仿真结果,如图5 所示。仿真结果表明,由于受到互耦影响,所设计的叠层微带天线,低频段1. 2GHz中心频率发生了明显偏移,高频段1. 6GHz匹配较差,为此需要进行优化调整。以馈电位置和上下层贴片的长度为主要变量进行优化仿真,最终优化后仿真结果如图6 所示,达到了设计目标。

4 结束语

本文以叠层微带天线为例,利用HFSS的VBScript接口,结合MATLAB GUI设计了一款直观、快速的叠层微带天线设计软件,并引入外部田口优化算法根据天线的设计指标进一步优化,解决了HFSS对于复杂天线建模繁琐耗时以及优化效果不如人意的问题。该软件不仅操作简单,而且扩展性强,为其他复杂天线的优化设计提供了一个新思路。

参考文献

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HFSS 篇4

关键词：计算机仿真,EDA软件,HFSS,天线设计

1、引言

印制天线是采用印刷电路制造工艺构建的，而微带贴片天线与阵列是印制天线最普遍的形式[3]。微带天线概念最早在1953年提出，但直到上世纪七十年代随着微波技术的进步才逐渐发展起来[5]，由于在结构和制造上的优势而迅速成为天线领域的重要研究方向，并在实际系统中得到了广泛的研究和应用。

在信息传播应用技术高速发展的今天，使用传统的实物制作测试再校正的方式已渐渐无法适应现代天线工程设计的需求，借助计算机辅助设计软件，利用数值计算分析方法进行天线的模拟仿真验证正逐步随着计算机性能的飞速发展和计算电磁学研究水平的不断进步而成为目前天线工程领域所广泛采用的方式，极大的缩减了从设计到实现所需的时间和成本。

本文将以矩形微带贴片天线为例，介绍利用该软件进行工程设计的主要流程与快捷方法。

2、设计流程

2.1 建模

HFSS软件提供了三种仿真求解模式，要进行天线设计与仿真，一般设置为模式驱动求解，在此模式下算法是根据端口电磁波的输入与反射功率形式来解算S参数。

进行变量定义工作可以方便模型的参数调整与优化，在此例中，天线的初始设计参量可根据经典设计理论得出。完成定义后，要对天线主体与馈电结构进行建模，包括了介质基板、接地面、贴片辐射元、辐射吸收边界和馈电位置等部分。

通过软件提供的基本结构模型与逻辑代数命令可以快速的建立所需的模型结构，并可设置模型的材料等仿真参数。如Draw box命令用于建立立方体，Draw rectangle命令用于建立矩形贴面等，而用布尔代数指令可作立体模型的空间合并与分解运算。

模型主体建立完成后，还需要根据天线的设计特点进行环境边界与激励源设置。在本例中按照天线实际应用需求，将接地板和微带贴片设置为有限电导率边界，将空气立方体设置为辐射吸收边界，将馈线端口设置成集总端口激励源等。

2.2 仿真

在实际仿真开始之前，需为天线模型新建一个求解设置项目，用于设定模型的仿真求解参数。由于HFSS软件采用自适应迭代算法，因此有限元求解的精度与计算时间成反比，而所需的计算时间也与运行软件的计算机的计算能力有很大关系。在每次求解设置中，需要给定S参数连续迭代误差ΔS的最大值，当计算结果小于给定值时，软件自动判断为求解已收敛，并结束求解运算。

从初步仿真结果可以看出，天线的谐振频率存在偏移，阻抗匹配也不理想，S11等性能参数均未达到预期值，这是由于设计天线参数的计算公式是从传输线理论导出，而传输线理论本身存在着缺陷，因此需要进行设计参数的优化调整。

2.3 优化

HFSS软件提供的参数扫描与参量优化功能都可实现对所设定变量的优化求解，其不同点在于，参数扫描是把变量参数在给定范围内按照给定步长进行全面求解，而后根据结果由人工选择所需要的参数，若所求解的变量范围较大且步长较小，容易造成计算机求解计算量过大；而参量优化则是根据使用者选择的优化算法来解算待优化变量，可以实现较高的精度，而总计算量取决于所采用的算法及给定的目标逼近精度。

从理论计算公式可知，背馈电理想的阻抗匹配点位置与贴片辐射元长度有关，辐射元长度是影响天线谐振频率的主要因素，而背馈电点位置又影响了天线谐振频率的偏移，因此如何确定两个变量的合理值使天线的性能指标最佳是最为关键的问题。在实际仿真背馈电结构之前，应综合考虑两个变量可能的变化取值范围，同时结合理论计算值与初步仿真结果，粗略选取几个参考值估计大致范围，在参考值区间范围内进行参数扫描求解。

实际上参数扫描的求解过程是将设定扫描的对象参数在求解范围内对整个模型进行分析求解，在扫描设置中可以看到参数扫描区间内所有的解算点（共64个），也可以在模型求解结果中创建并查看某个期望参量（如S Parameter）在参扫范围内的多条频扫曲线报告，从而便于更直观的找到扫描参数最佳调整值。

根据参扫结果，当微带贴片辐射元长度区间缩小在73～74mm范围内，背馈电点位置区间缩小在19～21mm范围内时，天线谐振中心频率可调整在915MHz左右，且可实现良好的阻抗匹配。

进一步的精确优化可采用HFSS软件提供的参量优化功能，选择某一参量作为优化目标，设定目标值，并采用Quasi Newton等算法对待优化参数进行求解。但由于背馈电结构其馈点位置本身对输入阻抗的影响是不确定的，因此在实际仿真时此类优化方式效果并不理想。

在工程设计中，实物的取值精度由于受到制造工艺的影响，往往都有一定限制，因此可以采用继续缩小范围进行参数扫描的方式来找到最佳取值点。根据前一次参扫结果，将贴片辐射元长度扫描范围变为73.2～73.5mm，馈电点位置扫描范围变为19～21mm，则看到参数扫描区间内的解算点变为84个。

3、结论

根据仿真结果，在采用背馈电方式的矩形微带贴片天线设计中，选择介电常数=4.4、厚度=5mm的介质基板，贴片辐射元尺寸为99.8×73.5mm、馈电点位置与辐射元宽边距离为19.7mm时，天线各项性能指标达到最佳。

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HFSS 篇5

关键词：小型化,圆极化,GPS,HFSS

微带天线以其低轮廓、重量轻、成本低，易于共型和集成等优点，在实际中被广泛应用。由于现代集成电路技术和工艺的迅猛发展，GPS天线作为无线设备的终端，小型化的要求已经迫在眉睫。而圆极化的工作方式对于电磁波在传送以及接收方向上，比线极化波束有更多优势，加之电磁波在经过电离层时会产生法拉第旋转效应，使得圆极化在GPS上的应用极具其重要性。

本文用HFSS软件作为辅助设计，应用方形贴片，设计了一种符合频宽1.575 GHz的GPS微带天线，并讨论分析了馈入点、切角长度、开槽的长、宽度等因素对其S11特性的影响，得出一些可供本方案使用的最佳天线参数，对深入研究也有一定参考意义。在小型化的方法选择上采用了开槽的方法，减小天线的尺寸。采用方形辐射贴片切角的方法实现圆极化，与其他天线相比较，易于实现，成本也较低。

1 微带天线圆极化概述及实现方法

1.1 天线圆极化概述

圆极化波是一等幅的旋转场，它可以分解为两正交等幅相位相差90°的线极化波，可分为左旋圆极化波和右旋圆极化波。微带圆极化天线的实用意义体现在:(1)圆极化天线可以接受任意极化的来波，且辐射也可以由任意极化天线收到;(2)在诸多领域广泛应用圆极化天线的旋向正交性;(3)圆极化波入射到对称目标时旋向旋转，因此应用于GPS能抑制雨雾干扰和抗多径反射[2]。

圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比。轴比不大于3 d B的带宽，定义为天线的圆极化带宽。轴比将决定天线的极化效率。表征天线极化纯度的交叉极化鉴别率也可由轴比得出[2]。

1.2 微带天线圆极化的实现方法

微带天线的圆极化方法大致分为3类:(1)单馈法。主要是基于空腔模型理论，利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作，通过引入几何微扰来实现。这种方式无须外加相移网络和功率分配器，结构简单，成本低，适合小型化。但带宽窄，极化性能差。(2)多馈法。采用多个馈点馈电微带天线，可通过T形分支和3 dB电桥等馈电网络实现。这种方式可以提高驻波比带宽和圆极化带宽，抑制交叉极化。但馈电网络复杂，成本较高，天线尺寸大。(3)多元法。使用多个线极化辐射元，对每一个辐射元馈电，可看作天线阵，这种方式既具备多馈法的优点，而且馈电网络较为简化，增益高。缺点是结构复杂，成本高，尺寸大。

实现圆极化的基本方式分为:(1)切角;(2)准方形，近圆形，近等边三角形;(3)表面开槽(slots/slits);(4)带有调谐枝节(tuning-stub);(5)正交双馈，曲线微带型，行波阵圆极化[3]。

2 微带天线小型化概述及实现方法

2.1 微带天线小型化概述

随着科学技术的不断进步和应用需求的不断扩展，微带天线的小型化已经成为了研究的热点。与普通天线相比，微带天线实现了一维的小型化，具有低轮廓、可共型、易集成，便于获得圆极化，实现双频段、双极化工作等优点。但由于小天线的Q值较高，因此辐射效率低，频带窄。所以在设计过程中要综合考虑以获得良好的天线性能[6]。

2.2 微带天线小型化的实现方法

从国内外的发展概况来看，实现微带天线小型化主要有以下几种方法:(1)天线加载。就是在微带天线上加载短路探针、低电阻切片电阻和切片电容以实现小型化。(2)采用特殊材料的基片。谐振频率与介质参数成反比，因此高介电常数的基片可以降低谐振频率，从而减小天线尺寸。但高介质基片极易激励出表面波，表面损耗增大，使天线增益减小，效率降低。(3)表面开槽。表面开槽引入微扰，改变表面电流路径，使电流绕槽边或缝边曲折流过路径变长，在等效电路中相当于引入了级联电感。但尺寸的过分缩减会引起天线性能的急剧恶化。(4)附加有源网络。缩小无源天线的尺寸，会导致辐射电阻减小，效率降低。可用有源网络的放大作用及阻抗补偿技术来弥补这一缺陷。(5)可以采用特殊天线结构形式。总的思路就是使天线的等效长度大于其物理长度，以实现小型化。如采用蝶形、倒F型(PIFA),L型、E型、双C型等。倒F型(PIFA,Planer Inverted-F Antenna)在手机天线实现双频或多频，小型化设计中得到了广泛应用，也是研究热点[6]。

虽然国内外对微带天线小型化做了大量研究，但是也存在很多不足，离真正的实用还有较长的距离，天线的性能与小型化之间也存在牵制，必须在不断的应用中寻找最佳的平衡点。

3 小型圆极化GPS微带天线

3.1 理论阐述

上文介绍了缩减微带天线尺寸的几种方法及其优缺点。辐射贴片表面开槽的方法延长了贴片表面的电流路径，是小型化设计的主要方法。因为开槽在降低天线谐振频率的同时，可以保证足够的带宽和增益，对天线的影响不大，易于实现圆极化和双频双极化的要求。本天线在辐射贴片上设置了4个相同的L型槽，使表面电流路径变弯曲，路径延长，贴片的等效尺寸相对变大，谐振频率下降，实现了小型化的设计。贴片采用两个切角(分离元)产生两个正交的谐振模TM10模和TM01模，通过调整贴角和开槽的长度，以及在贴片上选择合适的馈电点位置，使谐振模TM10模和TM01模简并，从而产生圆极化波辐射[1]。

本文采用介质常数为ε=12，厚度为4.5 mm的普通陶瓷介质作为介质基片，天线中心频率f=1.575 GHz。由矩形微带贴片天线尺寸的估算式(1)可近似将计算出L

馈电点:由式(2)近似计算输入阻抗50Ω时的馈电点位置L1

若考虑边缘场的影响，需加修正量ΔL。

其中，L、W分别是天线的长度和宽度，H为天线高度。由于采用方形基片L=W，在后面要做进一步优化，所以此处暂不考虑ΔL，初步计算得L=27.49 mm,L1=10.17 mm。采用切角的方式实现圆极化，馈电点需选在x轴或y轴上才可以激励相位相差90°的极化简并模，本方案取在y轴[2]。

3.2 各参数对天线性能的影响

(1)初步探讨L、d1和L1对S11的影响。由于后面还要进行天线参数的多次优化，在这里仅考虑其影响的大致趋势，中心频率通过细调尺寸可以做到。图2是在L1=5.65 mm,L0=6.65 mm,d1=3.7 mm,s=1 mm,w1=3.4 mm时，L对回波损耗S11的影响。

可以看出，L从26 mm逐步增大到28 mm时，在扫频范围内可能出现3个频段，如果取值较小，就有可能只出现一个频段。而且随着L的增大，低频段向更低的频段移动，高频段也随之向前平行移动。这也验证了估算公式的正确性，所以要获得所需的频率需对L尺寸做很好地优化。

由图3可以看出，取L=26 mm，其余值不变的情况下，d1变化时，S11跟着变化，适当调整S11则可以获得良好的匹配，但随着S11的变大，单一模共振出另一个高频模，若d1较大时，天线一个频段向高频移动，调整d1有助于调整中心频率和回波损耗。取L=26 mm,d1=4 mm，其余值不变的情况下，当馈电点远离辐射基片的中心时，有较好的S11，因为输入阻抗从零逐渐接近50Ω，但是随着L1值的继续增大，S11开始变差，比如图中当L1=4 mm时，就比3 mm和5 mm时的S11好。所以调整馈电点L1的位置，能够得到很好的天线性能。

(2)初步探讨开槽的宽度s、长度L0对S11的影响。可取L=26 mm,L1=5 mm,d1=4 mm其余值不变的前提下，来分析槽宽s，长度L0对S11的影响。

如图4所示，当其他的参数固定，s的宽度有规律地增加时，高频频移的变化比低频区的S11变化要大，由于高频段波长比低频段的短，受尺寸的影响比较明显，s的宽度不能开的过大，过大S11则会变差，图中s=1 mm时，S11较为理想，但是增加到2 mm或2.5 mm,S11则慢慢变差。随着L0的增加，低频点向更低频点移动，高频点也随着向低频点移动，S11的性能变差。因此开槽的长度、宽度要结合中心频率和S11综合考虑来确定。虽然开槽可以减小尺寸，但是开得过长、过宽，则会影响天线其他性能。

3.3 优化设计

3.3.1 天线的尺寸结构

以上的探讨初步确定了单个参数对天线性能，尤其是对S11的影响，要想获得良好的天线性能，需要对各个参数综合考虑来确定。本文的GPS微带天线，采用介电常数ε=12的普通陶瓷基片和接地板印刷在介质板两侧，采用特性阻抗为50Ω的SMA的同轴线接头馈电，通过仿真优化，得到的天线尺寸如表1所示。

单位:mm

3.3.2 天线的仿真结果

(1)回波损耗。仿真结果可以看出，天线的回波损耗S(1,1)在天线的中心频率上S11值为-17 dB,S(1,1)<-10 d B的带宽为26 MHz，满足了GPS天线的应用要求。

(2)轴比带宽。仿真计算的天线轴比曲线如图6所示，AR<3 dB的频带范围是1.569 1～1.573 3 GHz，带宽为4.2 MHz。由图7可以看出AR<3 dB的角度范围为-52°～54°以上。图7中A—θ(°)，B—dB/AxialRatioValue，可以看出3 dB以下的波束宽度。

(3)天线的辐射增益。从图中可以看出，在0°处的增益Gain=1.475 d B，比低介质天线的增益小很多，后向辐射也较大，主要是因为激励起了表面波，微带天线边缘的散射恶化了极化电平和工作带宽。所以在选择介质基片时，要综合考虑，不要因为介电常数过大，对增益造成太大的影响。

4 结束语

借助HFSS软件仿真了一种小型圆极化GPS微带天线，满足GPS天线的应用要求。虽然其结构简单，成本较低，但由于频率对尺寸变化很敏感，加工精度要求高。由于是小天线，其辐射效率低、频带窄。GPS天线以其广泛的应用，今后将会向小型化、圆极化、多频段和抗干扰的方向不断发展，这些也将是研究热点。

参考文献

[1]李登丰.基于HFSS的圆极化微带天线的设计与仿真[J].齐齐哈尔大学学报,2011,27(6):38-40.

[2]薛睿峰,钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报,2002,17(4):331-333.

[3]杨小丽.GPS天线的圆极化和小极化研究[D].长春:东北师范大学,2006.

[4]韩钰彦,陈强,葛迪云,等.GPS用小型微带天线的研制[J].电子元件与材料,2008,27(9):11-17.

[5]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

[6]薛睿峰,钟顺时.微带天线小型化技术[J].电子技术,2002(3):190-192.

[7]高阳,董树荣,王德苗.GPS天线技术及其发展[J].无线通信技术,2008(4):34-39.

HFSS 篇6

许多无源微波器件和系统的电磁仿真软件已相继问世,但各软件的侧重点不同,分析方法也不一样。其中,Ansoft公司的“HFSS V9”高频结构仿真器就是其中一种。

HFSS V9[1]在强大、直观的环境下为研制微波、射频,高速数字部件及系统,提供了无可匹敌的精确度。在HFSS的桌面上,你能找到HFSS的全套功能,这是一个可以完全支持基于三维电磁场设计的界面。除了直观的视窗特性外,图形项目树提供了广为熟知的HFSS设计流程的传统风格。利用Ansoftlinks接口,设计师可将HFSS和现有的EDA和MCAD设计流结合起来。利用与Cadence、Mentor Graphics,Synopsys以及Zuken的接口,还可链接到外部的设计流,从而支持Hspice、Pspice及Maxwell SPICE实现精确的宽带电路仿真。全参数化的电路模型还可支持在Ansoft Disigner和其他电路与系统设计工具中进行精确的高频电路设计。

HFSS能进行全面的全参数化设计,从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处理。该软件强大的参数化三维建模能力和高性能的图形能力,大大节省了工程师的设计时间。直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师所希望的设计结果。利用Optimetrics可自动实现最优化和参数化扫描设计,且很容易在桌面上同一项目树中直接访问进入。在优化设计分析技术中增强了敏感性分析和统计分析功能,其利用HFSS参数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能变化。

HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。视窗、对话框、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配置缺省来支持个性化参数定义。使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令。另外,通过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。脚本也能支持强大的宏记录,可以用来定义参数化几何结构,执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个设计流程。

本文主要对HFSS软件中所应用的电磁场三维有限元法和其它基本原理进行简要介绍,并对一三端口器件对称Y分支(H面并联分支)进行仿真分析,观察了该器件的S参数和动、静态场的分布情况,并对该器件进行了优化设计。

2 三端口元件的基本原理

无耗三端口网络的基本性质

a、无耗互易三端口网络不可能完全匹配,[2]三个端口不可能同时都匹配。

b、无耗三端口网络若完全匹配,即必定是非互易的,且为一个环行器。

c、对于无耗互易三端口网络,如果在任意端口接以短路活塞,则总可以找到活塞的一个位置,使其他两端口之间没有能量传输。

d、如果无耗互易三端口网络对于接有短路活塞的端口波导是对称的,则总可以找到活塞的一个位置,使能量在其他两端口之间无反射的完全传输。

矩阵波导对称Y分支结构及其等效电路图1如所示,分为E面分支和H面分支两种。前者为串联分支,后者为并联分支[3]。

这种对称Y分支,各个端口都具有对称性,由等效电路1中各个端口电压的方向可以看出,S11=S12=S33 ;其次,若以相同功率分别输入到端口p1(p2,p3),则在端口p2(p3,p1)的输出功率相等,于是有S21=S32=S13,同理有S31=S12=S23。因此,得到E面和H面对称Y分支的矩阵S相同[4],即:

$[S]{}_Y=\left[\begin{array}{l}S{}_{11}S{}_{12}S{}_{12}\\ S{}_{12}S{}_{11}S{}_{12}\\ S{}_{12}S{}_{12}S{}_{11}\end{array}\right](1)$

由性质a可知,对称Y分支不可能完全匹配,则有:

0<|S11| (2)

显然,最佳状态是|S11|为最小,而|S12|为最大,根据幺正性得

|S11|2+2|S12|2=1 (3)

|S12|2+S11S*12+S12S*11=0 (4)

即 |S12|2+2|S11||S12|cosθ=0 (5)

式中θ=argS11-argS12 (6)

从式中解出

$|S{}_{11}|=\sqrt{\frac{1}{1+8\cos {}^2\text{θ}}}(7)$

所以$|S{}_{11}|{}_{\min }=\frac{1}{3}(8)$

从而有$|S{}_{12}|{}_{\max }=\frac{2}{3}(9)$

3 HFSS对三端口元件的仿真设计及其实验结果实验步骤

第一步:画出三端口元器件对称Y分支(H面并联分支)的几何模型。

第二步:定义X坐标轴上的端口为输入口,并定义各端口长度为可变变量。

第三步:输入器件的原始数据,包括:

求解的起始频率 8GHz

求解的终止频率 10GHz

求解频率间隔 0.05 GHz

自适应分析的频率 10 GHz

自适应分析的次数 3

自适应分析时S参数的精度 0.02

第四步:分析。分别设定变量offset=0,offset=2,然后由HFSS自动分析该三端口器件的S参数。如下图:

蓝色、深绿色、黑色线段表示当offset=0时,在各端口处的S参数值;红色、粉红色、绿色线段表示当offset=2时,在各端口处的S参数值。

第五步:取offset=0, 创建该三端口器件的静态场图。

第六步:激活场图。通过激活该三端口器件的场图,可以动态的观察电磁场的分布情况。如下图所示:

1. 当frame=2,phase=20deg时,场图如下:

2. 当frame=5,phase=80deg时,场图如下

3.当frame=9,phase=160deg时,场图如下:

第七步:对该三端口器件进行自动优化设计。

当端口长度变化时,其S参数与变量值之间的对比关系图如下:

当端口长度变化时,其功率分配与变量值之间的对比关系图如下:

第八步:变量不同时,该三端口器件的损耗值图标如下:

4 结束语

高频结构仿真器不仅可以对微波器件进行仿真分析,而且可以利用它进行全新的微波器件设计。HFSS V9在提高设计性能和减少制造成本的同时,还大大缩短了研制时间。HFSS V9新增的强大功能将有助于射频/微波和高速数字部件的工程师增强其设计能力,除了HFSS长期以来所特有的精确特征外,V9在设计流程效率方面新的强大优势更是设计者在以前难以获得的。

摘要：本文讨论了用Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)进行微波器件仿真设计和电磁场计算的方法。本文利用高频结构仿真器(HFSS)对一三端口器件对称Y分支(H面并联分支)进行仿真分析,观察了该器件的S参数和动、静态场的分布情况,并对该器件进行了优化设计。

关键词：高频结构仿真器,S参数,场分布

参考文献

[1]廖承恩.微波技术基础.西安电子科技大学出版社,1994.

[2]李润旗,李国定.微波电路CAD软件应用技术.国防工业出版社,1996.

[3][美]S.Y.丽奥(著),卢国明等(译).微波器件和电路.科学出版社,1978.

[4]Hewlett-Packard Company.HP85510A High-Frequency Structure Simulator.Discovering the System.1992.

HFSS 篇7

关键词：HFSS,导行电磁波,计算机辅助

早期人们解决微波工程中的设计与计算问题, 基本上都是通过数学方法求解麦克斯韦方程组, 但这种方法只能解决少数规则边界问题, 随着计算机技术的发展, 人们开始采用数值计算方法解决复杂边界问题。HFSS是一种充分利用我们熟知的windows界面对任意3D设备建模并进行高性能的全波电磁场仿真软件, 它集可视化、实体建模、自动控制于一体, 可以快速、精确求解3D电磁问题, 是一种易于学习的开发设计环境。Ansoft HFSS是采用有限元法开发的一种电磁仿真软件, 广泛应用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意三维电磁仿真, 方便查看所有的3D电磁问题。

1 Ansoft HFSS软件应用实例选择

我们选用的教材是电子科技大学谢处方等编写的《电磁场与电磁波》第4版, 结合本人多年的科研和教学经验, 学生在导行电磁波这一章理解起来有些困难, 特别对TE模和TM模的各个模式的场分布、主模、截止频率、截止波长等概念缺乏直观感性的认识, 在整个课程的教学过程中是学生不易突破的一个难点。所以本人在讲授导行电磁波这一章时引入HFSS分析其场分布。常见的导波系统有规则金属波导 (如矩形波导、圆波导) 、传输线 (如平行双线、同轴线) 和表面波导 (如微带线、槽线等) 。导波系统中电磁波的传输问题属于电磁场边值问题, 通过求解在给定边界条件下的电磁波动方程得到电磁场分布和传播特性。在求解过程中要利用复杂的数学物理方法, 特别当边界条件比较复杂时, 用这种方法得到精确的解析解相当困难。为此人们采用多种数值计算方法来求解, 比如时域有限差分法、有限元法、矩量法等。本文选取矩形波导为例具体讲解求解过程, 其他形式的波导可以以此类推。

2 HFSS求解矩形波导

第一步, 首先根据矩形波导的实际尺寸建立模型, 如图1所示。第二步, 根据对应的边值问题设置边界条件, 场分布在波导的内部空间, 周围是理想金属导体PEC, HFSS默认边界条件就是PEC。第三步, 设定波导两侧为wave port (先在object上右键点出select faces, 然后分别选择两个侧面, 之后在HFSS中的Excitation再选择Assign里边的Wave port) , 如图2所示。第四步, 设定求解的频率、迭代次数、收敛标准等 (HFSS菜单, 选择Analysis setup中的Solution Setup) 。第五步, 求解和后处理, 得到端口处TE各个模式的场分布, 如图3所示。当然, HFSS也可以得到腔体内部的其它各个模式的场分布图。第六步, 分析求解结果。

通过上面实例的引入, 学生对学习电磁场与电磁波表现出极大的兴趣, 通过学习, 不仅可以形象地观察到腔内及端口面上电场和磁场的分布, 也加深了对复杂的场分布公式的理解, 更深刻体会到波导截止频率、截止波长、传播常数、TE和TM模、波导波长、波阻抗等概念。

3 教学措施

为了使学生尽快掌握HFSS的使用, 我们采取了课堂示范和学生自主探究相结合以及课堂辅导和学生实验相结合的方法。精心选取2-3基础实验题目, 将实验要求、实验目的、实验步骤发布到网上, 学生可以事先预习, 学会软件的基本操作。选取4-6个提高性的设计题目, 将学生分成几组, 每组10人, 定期向老师汇报设计进展。最后的成绩评定采取期末考试和平时的实验相结合的方式, 期末考试占70%, 实验考核占20%。

4 结语

本文针对矩形波导利用HFSS软件工具对其进行了求解, 给出了直观形象的仿真图形, 丰富了教学内容, 达到了一定的教学效果, 为课程教学方法和手段的改革探索了新的思路。

参考文献

[1]谢处方, 饶克瑾.电磁场与电磁波 (第4版) [M].北京:高等教育版社, 2006

[2]吴明赞.工程电磁场课程研究式教学的实践[J].南京:电气电子教学报, 2008, 30 (4) :65-68.

[3]姚江宏, 邓浩亮, 等.电磁学教学改革的探索与实践[J].广州:高教探索, 2008, 9:135-136.