HFSS贴片天线仿真.docx
《HFSS贴片天线仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《HFSS贴片天线仿真.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
HFSS贴片天线仿真
引言I
1绪论3
1.1HFSS简介3
1.1.1HFSS发展历程3
仿真原理3
的仿真过程4
的功能5
1.2应用领域5
1.3HFSS的基本操作5
的一般仿真操作5
的一般操作界面6
2微带天线理论8
2.1微带天线8
2.1.1传输线即微带天线8
2.1.2微带贴片天线9
2.2圆形微带贴片天线理论10
2.3极化理论12
2.3.1圆极化理论简述12
2.3.2左旋圆极化与右旋圆极化13
3贴片天线的仿真过程14
3.1实验内容14
3.2HFSS贴片天线仿真14
3.2.1创建工程14
3.2.2创建模型15
3.3设置参量22
3.3.1设置变量22
3.3.2设置模型材料参数23
3.3.3设置边界条件和激励源24
3.3.4设置求解条件25
3.4创建参数分析并求解26
3.4.1添加参数设置26
3.4.2定义输出变量27
3.4.3求解27
3.5优化求解28
3.5.1选择优化变量28
3.5.2设置远区辐射场28
3.5.3添加优化设置28
3.5.4求解优化分析29
4结果演示与分析29
4.1贴片天线的仿真结果29
4.1.1贴片天线的仿真结果29
4.1.2贴片天线的仿真结果分析29
引言
发生多撒飞洒发多少我都发范德萨范德萨分到达发到付啊放大但是的但是上的放大放大飞机返回来烦你的经费户附近的看是否就安分点积分激发你觉得离开谁惹你北京网络法律能发奶粉就发觉你废物了南方vfjdklafnlfefjdalfn费劲儿了奶粉就为了你附近的少年富放你家里是南方金额女王
1绪论
1.1HFSS简介
电磁场学科是围绕麦克斯韦方程组为中心展开的研究。
电磁场本身属于人肉眼所见的范围之外，因此，特别是在早年科学技术还不发达的时候，要想研究人们看不见也摸不着的电磁场来说首要解决的问题就是怎么实现电磁场的可视化。
1.1.1HFSS发展历程
HFSS（HighFequencyStructureSimulator——高频电磁场仿真）。
该软件是由美国Ansoft公司开发！
！
！
！
！
！
！
！
！
！
！
！
！
（1）的世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，当然，该仿真软件并不是唯一一个电磁场仿真软件，但却是世界上公认的主流的三维电磁场仿真软件。
当然最开始出现的HFSS软件并不是由美国Ansoft公司多研发，HFSS软件的前身是美国着名的安捷伦公司设计的高频结构仿真软件（AgilentHFSS）。
2003年美国Ansoft公司收购了AgilentHFSS软件并经过自研发和升级，推出了HFSS的V8.0版本。
该版本增加了许多新的功能。
功能的增加使HFSS得运用跟为广泛，深得客户的喜爱。
当然这并没有停止HFSS发展的脚步。
同年5月美国Ansoft公司发布了HFSS的新版本V9.0，发布不久，同年由发布的更新版本V9.2。
直到2005年，经过美国Ansoft公司不断地创新和努力，他们推出了HFSS的最高版本即V10.0。
最新版本与之前的版本相比，大大增加了软件的设计和分析效率，强化了该软件与其他工具的配合。
同时版本V10.0还推出了一种新功能，俗称“Heal-ing”功能。
该功能具有能消除微小段差和坐标误差的功能，能够直接使用为大多数的CAD模型，大大拓宽了HFSS的运用范围。
HFSS采用的仿真原理是基于限元法！
！
！
！
！
！
！
！
！
！
而来的。
对于有限元法的理解我们可以借助数学里的“微分法”。
当我们面临一项非常庞大而又复杂的问题时，我们一般倾向于将这巨大的问题分割成为一块一块的细小的问题，尽量分的非常细致，最好能够保证每块细小的区域所解决的问题尽量简化。
当我们对每个小区域的分析变得越来越简化之后，最后将所有小区域的计算结果整合起来，构成一个用整体矩阵表达整个区域的解，而这个矩阵往往又是我们所熟知的稀疏矩阵。
然而，到这一步的时候，我们的计算过程已经变得非常简化并且迅速了。
HFSS的一般仿真过程！
！
！
！
！
！
！
！
如图1.1所示：
图1.1HFSS仿真过程
HFSS的主要功能！
！
！
！
！
！
！
！
（4）有以下几点：
（1）能够实现三维电磁场的设计与分析调试；
（2）拥有强大的参数化设计、优化、敏感性级公差统计访问功能；
（3）具有灵活的网格剖分，收敛精度，以及仿真分析控制等强大的功能；
（4）仿真快速且设计精度高，仿真便捷；
（5）具有电磁场与系统电路的集成协同仿真能力。
1.2应用领域
从2003年以来，由于市场竞争的激烈，HFSS的发展越来越迅速，同时HFSS的功能越来越强大，软件的运用范围已得到了扩大。
（1）射频和微波无源器件的设计；
（2）高速PCB板和RFPCB板的设计；
（3）天线、阵列天线和馈源的设计；
（4）高频IC设计；
（5）高速封装设计；
（6）电真空器件涉及！
！
！
！
！
！
！
！
！
（5）。
1.3HFSS的基本操作
HFSS的基本操作以下七个步骤：
（1）创建工程,工程的文件一般格式为*.hfss；
（2）多种模型视图。
模型视图一般包括多种，如：
移动、旋转、放大、缩小。
同时还要注意适中显示快捷键为：
Ctrl+D；
（3）复制、粘贴；
（4）各种HFSS文件，一个*.hfss文件包含许多工程相关文件。
常见的文件包括以下几种格式：
Design_name.保存设计的结果数据；
Project_name.保存工程的结果数据；
Project_name.保存工程的场数据结果。
（5）导出文件；
（6）导出矩阵数据；
（7）导入文件。
（1）菜单栏，如图1.2所示：
图1.2HFSS仿真环境的菜单栏
（2）工程树，如图1.3所示：
图1.3HFSS仿真环境的工程树
（3）绘图历史树，如图1.4所示：
图1.4HFSS仿真环境的绘图历史树
（4）信息管理栏，如图1.5所示：
图1.5HFSS仿真环境的信息管理栏
（5）3D仿真模块，如图1.6所示：
图1.6HFSS仿真环境中的3D仿真模块
2微带天线理论
2.1微带天线
微波理论中的传输线不是我们平常意义上认为的作为载体的传输线，在微波理论中，传输线不仅起到了作为传输载体的作用还能够沿着固定的反向传输电磁场，从而起到了控制电磁场传播方向的作用。
传输线包括：
（1）TEM波传输线；
（2）TE波和TM波传输线；（3）表面波传输线！
！
！
！
！
！
！
！
！
（6）。
其中在表面波传输线的大范围中，再根据所传输的电磁场的频率大小划分，传输线所传输的电磁场在厘米波段的话则称其为微带线。
?
早年的电磁波的传输一般使用最常见的传输线，微带天线的出现并不算太早，也就是20世纪70年代的时候，距离现在仅仅五十年的时间。
微带天线在当时作为一种新型天线出现在人们的视眼内。
并且，因为其集成技术和介质的基片材料发展并不完善。
微带天线在当时来说并不占优势。
随着市场的需要，以及科学家们不断的创新与努力。
微带天线才慢慢在市场上站住脚跟为大多数人所熟知。
微带天线的使用虽受到各种限制，但其实质上的优点是不可磨灭的。
下面简单列举其三个明显的优点：
（1）体积微小，质量很轻，剖面很薄。
将其安装在载体表面?
，对载体来说非常轻巧无负担。
且由于其体积微小的原因，天线的隐形效果也很好，不影响再提美观。
（2）电性能多样化.不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，易于得到各种极化，特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。
?
（3）能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整体的制作和调试，大大降低了成本。
?
和其它天线相比，它也有一些缺点:
?
（1）相对带宽较窄，主要是谐振型微带天线。
现在已经有一些改进方法。
?
（2）损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。
特别是行波型微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。
?
（3）单个微带天线的功率容量较小。
?
（4）介质基片对性能影响大。
由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。
?
微带天线的优点远远超过了它的缺点，再加上微带天线的实验方法和计算方法都己非常成熟，这就为克服微带天线的缺点奠定了基础。
微带天线的优点使微带天线的发展进一步加速，目前在卫星通信、雷达、遥感、导弹、遥测遥控、环境监测、生物医学、便携式无线设备等方面已得到广泛的推广和运用。
微带贴片天线是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。
实际上，能计算其辐射特性的贴片图形是有限的，圆形、正方形、矩形、椭圆形、五角形、圆环形、正三角形、半圆形。
下图为一实际生活中的贴片天线，如图2.1所示：
图2.1实际生活中的贴片天线
2.2圆形微带贴片天线理论
圆形贴片天线入图2.2下所示：
图2.2圆心贴片天线
若圆形贴片天线的馈电点为（
）,可得其谐振电阻
为：
（2-1）
其中
，而
，
为辐射功率；
为导体损耗功率；
为介质损耗功率。
通过导出
，即可导出谐振电阻
，即：
{
?
/?
}
（2-2）
其中?
为传播的电磁场的频率，单位为GHz，
，而
为：
（2-3）
若圆形贴片的金属化层为铜导体，则其品质因数
为：
（2-4）
其中h的单位是cm，f的单位是GHz。
谐振电路的谐振频率为：
（2-5）
其中
为圆形贴片的等效半径，即：
（2-6）
（2-7）
其中
为圆形贴片的等效动态电容
定义的动态介电常数，而
为：
（2-8）
（2-9）
其中
为用圆形贴片天线的等效静态电容
的介电常数，
为：
（2-10）
2.3极化理论
本身认为电磁波的场强的方向与与时间的变化无关，而有些时候电磁波在传播过程中波的场强的方向可能随时间按一定的规律变化，此即称为电磁波的极化。
电场强度
的方向随时间的变化即称为电磁波的极化（polarization）,而在物理学之中，称其为偏振。
对于电磁波的极化我们一般分为一下三种类型：
（1）线极化；
（2）圆极化；（3）椭圆极化！
！
！
！
！
！
！
！
（7）。
线极化和椭圆极化这里就不再过多的赘述了。
下面着重讲讲圆极化。
现有一沿z方向传播的平面波，同时该电磁波的电场分量应该有x和y方向，其瞬时值表示为：
（2-11）
上式中所写出的：
（2-12）
当上式中的
，由上式可得：
（2-13）
显然该方程满足我们平时都了解的园的标准方程，由此就有：
（2-14）
这说明
会受到时间t得影响。
因而
的矢量的轨迹满足一个标准的圆形方程，因此称其为圆极化。
上篇简单叙述的圆极化的理论，这里我们着重看看圆极化的分类。
在圆极化的范畴内，又分为一下两种：
（1）左旋圆极化；
（2）右旋圆极化。
所谓左旋圆极化即指电场的y分量
的相位超前于电场的x分量
的相位刚好
，此时
的旋转方向与波的传播方向
成左手螺旋关系，该情况则成为左旋圆极化（LHCP）。
相反的情况，电场的y分量
的相位落后于电场的x分量
的相位刚好
，此时
的旋转方向与波的传播方向
成右手螺旋关系，该情况则成为右旋圆极化（RHCP）。
简易的圆极化图像如图2.3所示：
图2.3圆极化简介
3贴片天线的仿真过程
3.1实验内容
本实验选择建立、求解、分析一个右手圆极化贴片天线，贴片天线的工作频率为2.4GHz，测量其S参数。
贴片天线的切角大小对贴片天线的性能具有一定的影响。
因此，实验内容除了包括对贴片天线的仿真以外，再加上一个要求：
调节仿真的贴片天线中一些参数以及切角的大小，对贴片天线的轴比参数进行优化，并记录最终的优化结果。
3.2HFSS贴片天线仿真
首先打开HFSS创建工程。
打开HFSS并保存新工程，命其名为Ex5_zhl插入HFSS设计，然后选择求解类型。
求解类型一般分为三种：
（1）模式驱动求解；
（2）终端驱动求解；（3）本征模求解。
一般选择DrivenModal类型。
设置3D模型中的单位（一般为mm）。
那么我们的第一步骤就完成了
（1）首先第一步绘制基片。
即在软件中绘制一个长方体，并设置好长方体各个定点的基坐标本实验设置其基坐标（x,y,z）为（-22.5，-22.5,0）。
在该实验中，实验矩形基片选择的边长度（dx,dy,dz）为（45,45,5）单位为之前设定好的毫米单位，全部设置完之后按下enter键确认。
设定完矩形基片之后再定义长方体属性将长方体命名为substrate,并利用transparent的数值条来调节矩形基片的透明度。
本实验需要提高其透明度，因此将transparent的数值条调节为0.8，此时实验图稿如图3.1所示：
图3.1基片
（2）下一步绘制接地板。
同样接地板也是一个矩形，本实验设置其基坐标（x,y,z）为（-45，-45,0），然后设置其三边长度（dx,dy,dz）为（90,90,0）数据输入时用tab键，全部数据都确认无误的输入之后按下enter键确定。
同样建立好该矩形接地板之后，我们还需要定义接地板的属性。
在3D模型框的左边会自动弹出属性对话框，我们就依据框内的项目来依次设置。
将name栏改为groundplane，同样利用transparent的数值条来提高接地板的透明度。
此时实验图稿如图3.2所示：
图3.2接地板
（3）绘制贴片天线。
首先，再建立一个矩形，我们设置其基坐标为（x,y,z）为（-16，-16,5），矩形的边长度设置为（32,32,0），同样设置其属性。
Name改为patch，transparent同样也设置成0.8。
此时实验图稿如图3.3所示：
图3.3贴片天线
（4）绘制馈电点。
绘制馈电点则与之前的绘制矩形不同，现在我们要绘制一个圆柱体。
选择要绘制的图形之后，按下tab键来设置其参数。
这里设置圆柱体的圆心极坐标为（x，y，z）为（0,8,0），再输入圆柱体的（dx，dy，dz）为（0.5,0,5）.该参数表明此圆柱体半径r=0.5mm，高为h=5mm，输入完相应参数之后按下enter键。
同样我们也要设置该圆柱体的基本属性。
将其name命名为feed，并将其透明度提高到0.8。
此时实验图稿如图3.4所示：
图3.4馈电点
（5）绘制空气腔体。
这里的空气腔体也是一个矩形腔体。
因此我们的步骤和前几个步骤都是相同的，这里就不再过多赘述了。
但是有一点还是要强调，即该矩形的基坐标（x，y，z）设定为（-80，-80，-35），而该矩形的三边长度为（dx，dy，dz）设定为（160,160,75）。
在属性的设定中，将其name设定为airbox,transparent透明度同样提高到0.8。
此时实验图稿如图3.5所示：
图3.5空气腔体
（6）绘制端口。
这里的端口是一个圆形。
同样用以上的方法，按下tab键设置其圆心坐标（x，y，z）为（0,8,0），在设置（dx，dy，dz）为（1.5，0,0），这样设置说明该圆半径为1.5mm，按下enter键确认定义其属性name为port,透明度定义为0.8。
此时实验图稿如图3.6所示：
图3.6端口
接下来我们要裁截掉端口处的穿孔。
找到三维模拟图像左端的绘图历史树，同时选中groundplane和port项。
在主菜单中选择Modeler/Boolean/Substract，在弹出的对话框中确定groundplane向在blankparts列，确定port项在toolparts列，勾选clonetoolobjectsbeforesubtracting项，点击确认以后则下接地板中裁去了和端口大小相同的洞，但任然保留端口。
此时实验图稿如图3.7所示：
图3.7裁端口
（7）绘制切角。
由主菜单选择draw/line，按下tab键设定参数，设定第一个点坐标（x，y，z）为（0,0,0），接着设定第二个坐标点（x，y，z）为（6,0,0），按下tab键设定第三个坐标点（x，y，z）为（0,6,0），最后再次按下tab键输入最后一个闭合点的坐标为（x，y，z）为（0,0,0）使曲线闭合。
画好曲线之后，我们同样要定义其属性。
Name为chamcut1,tranaparent的设置和前面一样，同样也是0.8。
此时实验图稿如图3.8所示：
图3.8切角
下一步我们准备移动多边形。
在绘图历史树中选中chamcut1项，由主菜单选择edit/arrange/move，按下tab键再次回到参数设置区。
将位移矢量的起点坐标（x，y，z）设定为（0,0,0），再输入矢量方向的大小（dx，dy，dz）设定为（-16，-16,5），按下确认键。
此时实验图稿如图3.9所示：
图3.9移动切角
接着尝试复制该多边形，并将其位置移到其所在矩形的对角定点处。
在绘制历史树中选择chamcut1项，由主菜单选择edit/duplicate/aroundaxis，在弹出的设置框中的axis项选择Z，在angel项输入180deg，在totalnumber项输入2，点击确认，即成功复制添加了一个多边形。
此时实验图稿如图3.10所示：
图3.10复制切角
最后我们从贴片天线中裁去切角。
方法类似于第六步的最后部分，在这里就不过多赘述了。
不过这里有一点要强调，在第六步中，当对话框弹出来了以后，我们选择勾选clonetoolobjectsbeforesubtracting项，而这里我们不能勾选，因为被裁掉的两块切角正好不需要保留，因此，不选择勾选clonetoolobjectsbeforesubtracting项。
此时实验图稿如图3.11所示：
图3.11裁去切角
3.3设置参量
（1）再接地板中设置变量。
（2）在基片中设置变量。
（3）在贴片天线中设置变量。
（4）在馈电点中设置变量。
（5）在端口中设置变量。
（6）在切角中设置变量。
关于设置变量的问题，前面六个步骤都很相似，在这里不再一一赘述。
从总结的角度来讲，所有的设置变量的步骤都可归结为一种方法。
首先，在绘图历史树中，找到你所要设置的对象（该对象一般在该模块名字一下展开项中的第一项），选中该项以后，用鼠标点击右键，选中Properties项。
进入新的属性框中，此时一般修改项为Position项，将其三维数字一次按照要求进行修改，并定义变量的数值（注意单位）确认修改无误之后，点击确定。
此时将position下排的xsize和ysize也一并修改，同样也定义其数值（再次提醒！
同样也要注意单位）。
（7）修改切角的位移矢量。
在绘图历史树中，展开patch/subtract/move节点，双击move项，将弹出的属性窗口中的movevector项改为patchstart,patchstart,subheight。
（8）建立变量联系。
在工程历史树上选择antenna,并点击右键，选择designproperties,在弹出的属性框中的variables标签页中，将glanestart项改为-glanesize/2，将substart项设置为-subsize/2,将patchstart项设为-patchsize/2,由此，及已成功建立变量关系。
此时实验图稿如图3.12所示：
图3.12建立变量联系
（1）设置馈电点材料。
在绘图历史树中选中feed项，点右键选择AssignMaterials,选择copper项，点击确定。
（2）设置基片材料。
此处步骤同上述步骤相同。
需要注意的一点是将substrate的材料设为RogerRO4003。
此时实验图稿如图3.13所示：
图3.13设置基片材料
（1）设置空气为辐射边界条件。
在绘图历史树中选中airbox项，选中之后点击右键选择assignboundary/radiation，在弹出的新的属性窗口中将其重新命名为air。
这一步作用在于，在工程树antenna/boundaries节点下添加了air项。
此时实验图稿如图3.14所示：
图3.14设置空气辐射边界
（2）设置接地板和贴片天线为有限导体
在绘图历史树中，利用ctrl建同时选中groundplane项和patch项，确认以后点击鼠标右键选择assignboundary/finiteconductivity，接着在新弹出的属性窗口中给边界命名，不过在这里我们去其默认值。
这一步骤的作用在于，将finitecondl项添加在antenna/boundaries下。
（3）给端口设置激励源。
设置激励源当然在端口设置。
因此，首先要做的就是在绘图历史树中找到port项并将其选中，点击右键选择assignexcitation/lumpedport，马上弹出新窗口，在新窗口处重新命名为port1,并且下拉integrationline选择newline项，则开始绘制线。
按下tab键开始输入参数，设置其起点坐标（x，y，z）为（0,9.5,0），确认以后输入激励源矢量（dx，dy，dz）为（0，-1,0），点击确认。
这一步的作用是新添加了一项port1在antenna/excitation下。
（1）设置求解条件首先要添加求解设置这一项。
这个设置步骤一般分为两部分进行。
第一步：
点频率设置。
我们需要在工程树中找到antenna/analysis选项，选中它并对其点击右键，点击addsolutionsetup。
在弹出的新的对话框中，选择general标签页。
在标签页中将其solution项输入2.45,（注意单位为GHz），将adaptivesolution的maximumnumberofpasses项设置为10，接着将maximumdeltaSPer项设置为0.01,。
确定以后，我们就成功地将setup1项添加到了analysis节点下面。
第二部：
扫频设置。
在工程树中，选中刚刚建立起来的setup1项，点击右键选择addsweep。
弹出的新对话框中，在sweeptype项中选择fast，在frequencytype那一栏中选择linearcount。
我们定义其频率范围为2~3GHz，count定义为20，点击确定。
这一步骤使我们增加了一个新的频率扫描项。
（2）确认设置。
由主菜单选择HFSS/validation。
点击完以后，则出现信息确认窗口，仔细检查，确认无误以后点击close结束。
此时实验图稿如图3.15所示：
图3.15确认设置
（3）分析。
分析的步骤类似上一个步骤。
点击主菜单HFSS/Analyze，则开始对设计的模型进行求解。
求解全部结束以后会在三维模拟框下的信息管理处出现响应结果。
3.4创建参数分析并求解
在工程树上找出optimestrics,选中并点击右键，选择add/parametric项，在弹出的新的对话框中我们可以进行对扫描变量的定义。
点击对话框里的sweepdefinitions标签页，点击添加。
在弹出的新窗口中，找到variable项并选择chamsize项和linearcount项。
注意将其变量范围设为5~7mm，记住设置三次！
点击加入。
接着会继续弹出新的窗口，找到variable项，将其选择patchsize和linearcount项，变量范围设置为31~33mm，同样也是三次！
这样就加入了可调变量。
这里提示一下，如果想浏览变量的九种不同的组合设置，我们可以点击table标签。
如图3.16图3.17所示
图3.16添加参数设置
图3.17table标签
首先选择calculations标签页，点击加入。
在弹出的对话框中，找到so
升级会员 