hfss论文

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摘 要

微带天线具有重量轻、低剖面、成本低、易于制造封装和安装等许多固有的优点，近年来，被广泛应用在雷达、导弹测控、电子对抗、武器引信、遥感遥测、卫星通信、移动通信、医用微波等重要领域。

本文介绍了微带天线的辐射机理，阐述了传输线模型理论、腔模理论、积分方程法三类现代微带天线理论分析方法，简单说明了微波仿真软件HFSS的基本原理及使用方法，并以圆形微带贴片天线为例，讲解了微带贴片天线的设计过程。通过建立圆形、圆环形、三角形，正六边形四种典型微带贴片天线模型，利用有限元分析法和HFSS软件对不同贴片形状的微带贴片天线进行了仿真研究，最后得出了正确的仿真结果，这将为我们今后设计高频段天线提供有力依据。

关键词：微带贴片天线；有限元分析法；HFSS

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Abstract

Recent years, for its natural advantages, microstripe antenna has been widely applied to many fields such as radar, missile detect and control, electronic countermeasures, arm fuse, remote sensing and measurement, satellite communication, mobile communication, medical microwaves and so on. Indeed, it has many edges over others. For example, it’s easy to manufacture, encapsulate and install with light weigh, low profile and low cost.

This paper provides a brief introduction to radiation mechanisms. By using three modern analysis methods for micro stripe antenna, namely, transaction line model theory, cavity theory, and integral equation method, it also tells the basic principle and usage method of microwave simulation software and HFSS. In the paper, four typical circular micro strip patch antennas respectively in circle, toroidal, triangle, and right hexagon are taken as examples to explain the design process. During the process, finite element analytical method and HFSS are used for simulation study. In this way, it turns out the correct simulation results which will offer a strong argument for future design of high frequency antenna.

Keywords:Microstrip patch antenna; Finite-Difference; High Frequency Structure Simulator

（HFSS）

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目 录

前言 ............................................................................................................................................. 1 1

微带天线基本理论 .............................................................................................................. 2 1.1 微带天线的基本电参数 ............................................................................................. 2 1.2 微带天线的结构及工作原理 ..................................................................................... 6

1.2.1 微带天线的结构 ............................................................................................... 6 1.2.2 工作原理 ........................................................................................................... 7 1.3 微带天线的分析理论 ................................................................................................. 8

1.3.1 传输线理论 ....................................................................................................... 8 1.3.2 腔模理论 ........................................................................................................... 9 1.3.3 全波理论 ........................................................................................................... 9 1.4 微带天线的数值分析方法 ....................................................................................... 10

1.4.1 矩量法 ............................................................................................................. 10 1.4.2 有限元法 ......................................................................................................... 10 1.4.3 时域有限差分法 ............................................................................................. 11 1.5 几种不同形状微带贴片天线 ................................................................................... 11 2 HFSS软件介绍 ................................................................................................................... 14

2.1 HFSS软件的优点及发展现状 ................................................................................. 14 2.2 HFSS软件设计 ......................................................................................................... 15

2.2.1 HFSS软件原理及设计步骤 ........................................................................... 15 2.2.2 HFSS软件的一些使用方法 ........................................................................... 17

3 微带贴片天线的设计及仿真 ............................................................................................. 20

3.1 微带贴片天线的总体设计方案 ............................................................................... 20 3.2 四种微带贴片天线的设计参数 ............................................................................... 20 3.3 微带贴片天线的设计过程 ....................................................................................... 22 3.4 仿真结果 ................................................................................................................... 31

3.4.1 圆形微带贴片天线 ......................................................................................... 31 3.4.2 圆环形微带贴片天线 ..................................................................................... 37

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3.4.3 正三角形微带贴片天线 ................................................................................. 40 3.4.4 六边形微带贴片天线 ..................................................................................... 43 3.5 结果分析 ................................................................................................................... 46 结论 ........................................................................................................................................... 48 致谢 ........................................................................................................................................... 49 参考文献 ................................................................................................................................... 50 附录A 英文原文 ................................................................................................................... 51 附录B 中文翻译 ................................................................................................................... 56

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前 言

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年德尚（G.A.Dcscharops）教授就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在五十年代和六十年代只有一些零星的研究，真正的发展和实用是在七十年代。由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证，而空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线元。1970年出现了第一批实用的微带天线。这以后，微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量的学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版专集。这表明微带天线终于成为天线研究中的一个重要课题，受到各方面的注意。之后，基于微带天线的许多优点，例如重量轻、体积小、成本低、平面结构、可以和集成电路兼容，且易于制成共形天线等，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用，并且在微波天线这个广阔的领域里，作为一个分立的整体而建立了自己的课题。

随着无线电技术的发展，微带天线在各个领域得到越来越广泛的应用。主要使用场合有：无线通信技术，包括手机，蓝牙，无线局域网等终端小型化卫星通讯；多普勒及其他制式雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；无线电引信；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航接收机;生物医学辐射器。

本设计所针对的是卫星通信中所用的天线的频率范围，中心频率为12GHz。在微带天线的分析中，近似处理较多，使得天线的设计准确性并不太好，微带贴片天线的馈电位置的确定往往需要实验调整的方法进行研究，本文所用馈电点位置为常用位置，设为圆半径的一半、圆环宽度的中点、正三角形和正六边形外接圆半径的中点。另外由于微带天线的频带窄，设计尺寸的微小误差都会造成天线谐振频率的偏离,在实际工作中由于介质基片的离散性，也影响了谐振频率的准确性。针对上述问题，对微带天线的设计过程进行了深入的分析；通过应用HFSS高频结构软件仿真，使天线的性能得到了优化。

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1 微带天线基本理论

1.1 微带天线的基本电参数

天线是无线电设备的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响无线电设备的性能。人们用天线的电参数衡量天线性能的好坏。无源天线具有互易结构，按互易定理，不论作为发射天线还是接收天线，它们的电参数是相同的，只是含义有所不同。

天线的电参数可以分为电路特性参数和辐射特性参数两类。电路特性参数主要包括输入阻抗、效率、带宽、匹配程度等，辐射特性参数主要包括方向图、增益、极化等。以下仅从发射天线出发简述天线的基本电参数。 1.方向图

所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图。在三维坐标中，方向图描绘了一个三维曲面，称为立体方向图或者空间方向图。立体方向图形象、直观，但画起来复杂，实际常采用平面方向图(常用E面和H面方向图)来描述天线的空间辐射特性。

通常将辐射功率最强的波瓣称为主瓣，与之方位相对应的波瓣称为背瓣或者后瓣，其余的波瓣称为旁瓣或者副瓣。一般来说，主瓣总是指向期望辐射或接受的方向，但设计不良的天线有时会出现与主瓣辐射功率密度接近甚至更大的波瓣，称之为栅瓣，栅瓣是需要避免的。 2.方向性系数

发射天线的方向性系数表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力，定义为相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比：

E2??,?? (1.1) D??,???2E0式中，E(θ,φ)是该天线在(θ,φ)方向某点产生的场强；E0是全方向点源天线在同一点产生的场强。

一般情况下所关心的均为最大辐射方向的方向性系数。

接受天线天线的方向性系数表征天线在空间接收电磁能量的能力，即在相同来波场强的情况下，天线在某方向接收时向负载输出的功率与点源天线在同方向接收时向负载输出的功率之比。

发射天线的方向性系数和接收天线的方向性系数虽然在定义上不同，但数值上是一

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样的。 3.增益

增益是天线的又一个重要参数，它与方向性系数有密切的关系。其定义为，在输入功率相等的条件下，天线在方向(θ,φ)的功率密度与馈有相同的输入功率的无方向性、无损耗天线的理想天线的辐射功率密度之比，即考虑天线本身的能量转换效率：

G?D?? (1.2)

其中η为天线效率。也就是说天线的增益等于天线的方向性系数与天线效率的乘积。方向性系数表征天线辐射电磁能量的集中程度，效率表征天线能量的转换效能，而天线的增益就可以理解为表征天线辐射能量集中程度和能量转换效率的总效益。 增益常用分贝表示即10LogG。 4.效率

效率有辐射效率与天线效率之分。由于反射波的存在，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率，同时，天线也不可能把从馈线输入给它的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线馈线中的热损耗、介质中的介质损耗以及天线近旁物体吸收电磁波引起的损耗等等。

天线的辐射效率ηA为天线的辐射功率P∑与输入功率Pin的比值，即:

???P? (1.3) Pin天线效率η为天线的辐射功率PΣ与入射功率Pλ比值，即:

??5.输入阻抗

P? (1.4) P?天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比。接到发射机和接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机的负载。因此，输入阻抗值的大小表征了天线与发射机或接收机的匹配情况，体现了导行波和辐射波之间能量转换的好坏。

一般情况下，天线的输入阻抗具有电阻和电抗两个部分。电阻主要包括辐射电阻和损耗电阻。辐射电阻的大小表示天线辐射和接收能力的强弱；损耗电阻表示天线自身对于微波能量的损耗。

天线输入阻抗除了取决于天线自身的结构外，还与工作频率和周围环境有关。除少

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数天线可以获得输入阻抗的严格理论解外，大多数天线只能采用近似求解或者实验测定。

由传输线理论可知，微波能量要想最大程度地得到传输，天线与传输线必须有良好的阻抗匹配，阻抗匹配的好坏将影响功率传输的效率、整个系统的性能指标及稳定性程度等。对绝大多数微带天线而言，由于其固有的窄频特性，输入阻抗随频率的变化最敏感，阻抗匹配是天线设计中需特别注意的问题。 6.反射系数

定义传输线上任意一点z处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比为电压（或电流）反射系数，即

U??z??U??z??? ? (1.5)

I?z???i??I??z????u? 由式可知，Γu(z)=－Γi(z)，因此只需要讨论其中之一即可。通常将电压反射系数简称为反射系数，并记作Γ(z)。 输入阻抗与反射系数的关系为 Zin?式中，Z0为传输线特性阻抗。 7.驻波比

设天线输入端的反射系数为Γ（或散射参数为S11），则天线的电压驻波比为

U?z?1???z??Z0 (1.6) I?z?1－??z?VSWR?1??1-? (1.7)

当反射系数Γ=0时，VSWR=1，此时Zin=Z0,天线与馈线匹配,这意味着输入端功率均被送到天线上,即天线得到最大功率。

天线的输入阻抗对频率的变化往往十分敏感，当天线工作频率偏离设计频率时，天线与馈线的匹配变坏，致使馈线上的反射系数和电压驻波比增大，天线辐射效率降低。因此在实际应用中，要求电压驻波比不能大于某规定值。 8.带宽

每个天线都有其中心工作频率，在偏离中心工作频率时，天线的某些电性能将会

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下降，电性能下降到容许值的频率范围，就称为天线的带宽。

天线的带宽的表示方法有两种，一种是绝对带宽，是指天线实际工作的频率范围；另一种是相对带宽，是绝对带宽与中心频率之比。若天线最高工作频率为fmax，最低工作频率为fmin，常用相对带宽来表示即

??fmax?fmin?f0??100% （1.8）

9. 微带天线的S参量

自从Guillemin和Feldkellerz在电子工程专业领域中引入单端口及多端口网络模型以来，在重组和化简复杂电路以及深入研究有源、无源器件的特性方面，这些网络模型己经成为不可缺少的工具。网络模型的众多优点包括可以大量减少有源、无源器件数目;避开电路的复杂性和非线性效应;简化网络输入、输出特性的关系;其中最重要的是不必了解系统内部的结构就可以通过实验确定网络输入、输出参数。

S参数是最能代表微波网络特性的一组参数，可以很容易转换为Z参数、Y参数、A参数、T参数等其他网络参数，同时S参数也是用网络分析仪最容易测定的一组参数，因此在微波器件、部件的设计测试中S参数是最常用的。

一个N端口微波网络常用S参数来进行描述，第i个端口的归一化电压入射波为ai，归一化电压反射波为bi，入射波a和反射波b的大小由端口所接传输线上的波来定义：

?u?e?j?z1?u?a???iZ0? (1.9)

?Z02??Z0?

?u?ej?z1?u?b???iZ0? (1.10) ?Z02??Z0?其中，u和i分别为端口处的归一化电压和归一化电流。因此，N端口微波网络的S参数可以写为N个端口间反射波b和入射波a之间的线性关系：

?b1??S11?b??S?2???21?????????bn??Sn1S12S22?Sn2?S1n??a1??a??S2n???2? (1.11)

??????????Snn??an?对于天线而言，当输出端口匹配时，输入端口反射系数S11,即为反射系数Γ0。

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1.2 微带天线的结构及工作原理

1.2.1 微带天线的结构

微带天线由很薄（t<<λ0，λ0是自由空间中的波长）的金属带（贴片）以远小于波长的间隔（h<<λ0，通常取0.003λ0≤h≤0.05λ0）置于一接地面上而成，如下图1.1所示。微带贴片这样设计是为了在贴片的侧射方向有最大的辐射，这可以通过选择不同的贴片形状激励方式来实现。选择不同的贴片组形状还可以实现端射辐射。对于矩形贴片，贴片长度L一般取λ0/3

图1.1 常用微带天线

可见，微带天线是由很薄的有一定形状的金属贴片，远小于波长的间隔(h<<λ)置于一接地导电板上面构成的。微带贴片与接地平板间有一称为基片的介质层隔开。辐射单元通常刻在介质基片上。贴片可以是方形、矩形、圆形、椭圆、三角形等。

大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此可以用微带线或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的50欧姆传输线阻抗，所以需要匹配。匹配可以由适当馈电位置来做到。但是馈电位置也影响辐射特性。另外，80年代以来还出现了电磁耦合馈电。以下是微带贴片天线三类主要的馈电方式，一是微带传输线馈电，二是同轴线探针馈电，三是耦合馈电，如图1.1所示。 1.微带传输线馈电

微带传输线馈电电馈线也是一导体带，一般具有较窄的宽度。微带传输线馈电制造简单，易于匹配，也易于建模，但是会产生更多的表面波和寄生辐射，在实际应用中限制了带宽（一般2～5%）。 2.同轴线探针馈电

这种馈电方式是将同轴线内导体接到辐射贴片上，外导体接到接地面。同轴线馈电也具有制造简单，易于匹配的优点，同时寄生辐射比较低。但它的带宽比较窄，而且建

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模相对难些，尤其介质层比较厚时（h>0.02λ0）。同轴馈电可以有中心、偏心、任意位置馈电。在所有情况中，同轴插座安装在印刷电路的背面，而同轴线内的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。 3.耦合馈电

微带传输线和同轴线馈电由于自身的不对称性会产生高次模而导致交叉极化。为了克服这些问题人们引入了传输线耦合馈电，其带宽相对较宽。

1.2.2 工作原理

微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄漏。一个微波电路如果不是被导体完全封闭，电路中的不连续处就会产生电磁辐射。例如微带电路的开路端，结构尺寸的突变、折弯等不连续处也会产生电磁辐射（泄漏）。当频率较低时，这些部分的电尺寸很小，因此电磁泄漏小；但随着频率的增高，电尺寸增大，泄漏就大。再经过特殊设计，即放大尺寸做成贴片状，并使其工作在谐振状态。辐射就明显增强，辐射效率就大大提高，而成为有效的天线。

我们由下面图1.2以矩形贴片天线来说明微带贴片天线的辐射原理。

图1.2 辐射原理图

设贴片与接地板间的介质基片中的电场沿贴片宽度a方向和厚度h方向无变化。仅沿长度b方向有变化，其结构见上图（a）。则辐射场可认为是由贴片沿长度方向的两个开路端上的边缘场产生的，如上图（b）（c）所示。将边缘场分解为水平和垂直分量，由于贴片长度b≈λ/2，所以两开路端的垂直电场分量反相，该分量在空间产生的场互相抵消（或很弱）。而水平分量的电场是同相的。远区辐射场主要由该分量场产生。最大

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辐射方向在垂直于贴片的方向。

由此分析可见，矩形微带天线，可用两个相距λ/2，同相激励的缝隙天线来等效。这是微带天线的传输线模型分析方法的解释。

如果介质基片中的电场同时沿贴片天线的宽度和长度方向都有变化，这时微带天线可用贴片四周的缝隙的辐射来等效。同样，其它微带天线结构也可用等效的缝隙来表示。

1.3 微带天线的分析理论

和其他天线一样，微带天线进行工程设计时，需要对天线的性能参数（例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等）预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。许多人致力于这种理论工作，获得了显著的成果。分析微带天线的基本理论大致可以分为三大类：第一种是把对微带天线的分析简化为一维的传输线问题，最早出现也是最简单的为传输线模型理论，主要用于矩形贴片.第二种把微带天线等效为二维的边值问题求解，主要是腔模理论，可用于对各种形状的贴片分析,但基本上限于天线的厚度远小于波长的情况。第三种是积分方程法即全波理论，是一种严格的解法。理论上积分方程法可用于对各种结构，任意厚度微带天线的求解.然而作为数值解法显然要受到计算模型的精度和机时的限制。

1.3.1 传输线理论

微带线由地板、介质、金属微带线和基片上方的空气介质构成，在空间上是一种开放的结构，电磁场可以分布到整个空间。由于空气—介质分界面的存在，微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量的混合模。因此不能传输单一的横电磁波—TEM模.不过，在频率不太高的情况下(10G以下)，当满足基片厚度远小于工作波长时，能量大部分集中在导体带下面的介质基片内,此时传播的是准TEM模。

对于矩形贴片天线利用端缝辐射的概念清楚的说明了辐射的机理。可以将辐射元,介质基片和接地板视为一段半波长的传输线.辐射基本上认为是由矩形贴片传输方向上的两个开路边缘场引起的。由于辐射元的长度约为半波长，两开路端边缘场的垂直分量方向相反，而水平分量方向相同。对于远场区来说,两端开路的同向辐射场等效为无限大平面上同相激励的两个槽。

传输线模型理论的分析方法简明直观，计算量小，但它难于应用在矩形微带天线及微带振子以外的情况。同时由于传输线模型是一维的，对于多层结构微带天线的分析也

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无能为力。而且传输线模型理论建立在准TEM传输理论基础上，对于基板厚度与波长相比拟时，此分析方法也是不适的。

1.3.2 腔模理论

腔模理论是1979由Y.T.LO等人提出的经典分析方法。该理论基于薄微带天线的假设,将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁，上下为电壁的谐振空腔.天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来得.空腔理论是对传输线的发展，它能应用于范围更广泛的微带天线，并且由于设计了高次模,算得的阻抗曲线校准，且计算量不算大，比较适合工程设计的需要。

但是基本的腔模理论同样要经过修正，才能得到较准确的结果。特别值得注意的是边界导纳的引入，把腔内外的电磁问题分开成独立的问题，理论上是严格的，只是边界导纳确定比较困难，使计算只能是近似的.在腔模理论中，认为腔内场是二维函数，这在薄基片时是合理的，但对于厚基片将引入误差。由于应用微带天线的目的就是降低剖面高度，因此在大多数情况下这不成问题。但对于近来采用厚介质基板提高宽带天线设计就不适用。

1.3.3 全波理论

这种方法也称为积分方程法。通常先求出在特定边界条件下单位点源所产生的场,即源函数或格林函数，然后根据叠加原理,把它乘以源分布后，在源所在的区域进行积分而得出总场。因为通常源未知，因而要先利用边界条件得出源分布后的积分方程，在解出源分布后再由积分算式求出总场。

积分方程法是以开放空间中的格林函数为基准的，其基本方程是严格的。但是由于严格的格林函数要在频谱中展开，求解积分方程有较大的难度和计算量。对于具体问题，积分方程法发展起来了一种简化的处理方法：不是通过求解积分方程来得出场源分布，而是基于先验性知识来假定场源分布，例如利用空腔模型或者传输线模型的已有结果来给出等效磁流分布或者贴片电流分布，然后把格林函数与源分布相乘，在源所在区域积分而得出总场。这种方法的优点是省却了积分方程的求解，而又获得了较严格的计入微带基片效应的结果，但其应用受到磁场源分布的先验假设条件限制。

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1.4 微带天线的数值分析方法

微带天线的数值分析方法主要是指全波分析中的数值分析方法。其主要包括矩量法，有限元法、时域有限差分法，而且随着计算条件的不断改善，新的方法也不断涌现。在这些数值分析方法中,矩量法最常用， 时域有限差分法， 有限元法也运用的较为广泛。

随着计算机EDA技术的发展，各种商用电磁仿真软件涌现出来。主要的厂商有安捷伦、ANSOFT、ZELAND等。各种电磁仿真软件都是以矩量法，有限元法，时域有限差分法等基本的电磁全波分析方法作为内核,并配以友好的图形界面以及丰富的参数转换,图表输出功能。

以下将对矩量法、有限元法、时域有限差分法三种全波分析方法进行简要的介绍。 1.4.1 矩量法

矩量法是目前微带天线分析中应用最为广泛的方法。矩量法所处理的问题可以概括解线性非齐次方程，可统一的写为：Lf=g；其中L为线性算子，g为已知函数，f为待求解函数。

在一个待定的问题中， 矩量法的关键是在基函数和权函数的选取。基函数的选取必须是线性无关的，并使其线性组合能得到很好的逼近求解函数；权函数也必须是线性无关的。基函数的选取可选全域基也可选分域基，当求解域为规则区域时，有可能用全域基方便的求解问题；当求解域不规则时，一般要用分域基离散、分域基比全域基具有更大的灵活性。

1.4.2 有限元法

有限元法是建立在变分法基础上的，它把整个求解区域划分成为若干个单元，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,单元的划分可以取为三角形、矩形等，但三角形单元适应性最广；对于三维问题，单元可取做四面体、六面体，每个单元的形状都可视具体问题灵活规定。

通过规定每个单元中合适的基函数，可以在每个顶点得到一个基函数。分析解析函数通过这些单元间的公共顶点连续起来，拼接成一个整体，代替全域解析函数，通过相应的代数等价可化为代数方程求解。

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由于基函数的定义域限于本单元，在其余的区域为零,因此在所建立的矩阵方程中，矩阵大多元素为0，即是稀疏矩阵。用联系清单稀疏矩阵可以节省90%的计算机内存；而在用矩量法求解时，,矩阵是满秩矩阵。有限元法最重要的优点是其不受讨论的物理模型形状的限制，这从单元和基函数的选取即可明了。

Ansoft HFSS软件就是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。

1.4.3 时域有限差分法

时域有限差分法简称为FDTD方法,是一种时域全波，一体化的分析方法，正在微带天线的分析和设计领域露头角。其先将MAXWELL方程在直角坐标系中展成六个标量场的分量方程，在将问题空间沿三个轴向分成很多网格单元，每个单元的长度作为空间的变元，相应得出时间变元。用时限差分式表示场分量对时间和空间变量的微分，即可得到FDTD基本方程。选取合适的初值和计算空间的边界条件，可以得到包括时间变量的MAXWELL方程四维数值解,通过傅立叶变换可以得到三维空间的谱域解。

时域有限差分法与矩量法相比更广泛适用各种微带结构，以及分层、不均匀、有耗、色散等媒质的问题。而且时域有限差分法易于得到计算空间场的暂态分布情况，有助于深刻理解天线的瞬态辐射特性及其物理过程，利于改进天线的性能。此外，时域有限差分法选用适当的激励源，通过上一次时域计算便可获得天线的宽频带辐射特性，避免了传统频域方法繁琐的逐点计算。

1.5 几种不同形状微带贴片天线

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。下面是几种常用形状微带贴片天线的设计参数。 1．矩形微带贴片天线

设计的第一步是选择具有适当厚度的合适的介质基片。对于介质基片厚度为h，天线工作频率为fr，以及有较高辐射效率的天线，其实用宽度是

c??r?1? W???2fr?2??12 (1.12)

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式中，c是光速。

当然，也可以选择其他的宽度。但是，当选用小于式（1.12）的宽度时，天线的效率较低，而选用大于式（1.12）的宽度时，天线的效率虽较高，但这是将产生高次模，从而引起场的畸变。

知道了W，等效介电常数εe和线伸长ΔL可以分别由下式来计算： ?e??r?1?r?12?211?12hW (1.13)

???0.3??Wh?0.26?4?L (1.14) ?0.412e??e?0.25??h8Wh?0.8?式中，εr是相对介电常数，W表示单元宽度，h表示基片厚度。 则谐振长度为： L?2.圆形微带贴片天线

圆形微带贴片天线在腔模理论分析中得知其主模是TM11模。TMmn模实际上是激励不起来的。而在TMmn模中只有TM11模在垂直于天线平面的方向上有最大辐射，而其他的模在该方向的辐射为零。由于最常用的是工作于主模的圆形微带天线，所以如下讨论的设计考虑都是针对这一情况的。

圆形微带贴片的半径由式（1.16）给出为

c2fr?r?2?L (1.15)

a?1.841c2?fr?r (1.16)

其中c为光速，在较高的频段上（大于2GHz）还与基板厚度有关。考虑到基板厚度影响的等效半径为

?2h ae?a?1???a?r2??a???1.7726?? (1.17) ?ln?2h??13.圆环形微带贴片天线

圆环形微带贴片天线可用腔模理论得到场的解，TMmn其主模对应于n=1和m=1，k的近似值为

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k?2n (1.18) a?b当n≤5和（b-a）/（b+a）≤0.35时，上式可给出相当精确的k值。

把边缘场的效应考虑进去即可计算谐振频率

fr?ck2??e (1.19)

式中，εe是宽度为W=b-a的微带天线的等效介电常数。谢振频率的理论值和实验值的相对偏差约为8%，对天线进行设计时，需要进行微调。 4.正三角形微带贴片天线

如同分析圆形微带贴片天线那样，用周围是磁壁围成的三角形腔体模型，可以求得场的解。最低阶模的谐振频率是

fr?2c3a?r (1.20)

这个式子没有考虑终端效应或边缘效应，但误差不是很大，在天线设计过程中可以先由上式计算出三角形的边长a，再进行微调。 5.六边形微带贴片天线

规则的六边形是等边三角形的一个重要的变形，虽然这种结构还没有充分的研究过，但已发表过计算器谐振频率的数值方法，最低阶模的谐振频率可按

kS?2.01 (1.21) 近似地计算。式中，S为六边形的边长。在推导上列关系时，假设了六边形是个边壁为理想导电体的谐振腔。

由于圆形是多边形边数增多的极限情况，因而主模以及高阶模的谐振频率可用等效半径代换后计算出来，因此六边形的谐振频率可以写成

fr?1.1Kmnc2?S?r (1.22)

式中，Kmn对主模TM11为1.841，由上式可计算出边长S。

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2 HFSS软件介绍

2.1 HFSS软件的优点及发展现状

Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。该软件广泛应用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域，以帮助客户设计世界一流的产品 。 Ansoft重新定义高频及高速数位设计标准。基于三维电磁场的自动化设计流程进一步缩短高频设计的周期 ，2003年 Ansoft 公司(NASDAQ:ANST)发布了HFSS的最新版本V9，即基于三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。

全世界成千上万的工程师利用HFSS设计最先进的电子设备，例如射频(RF)和微波部 件、天线和天线阵列、高速积体电路(Ics)、印刷电路板(PCBs) 和IC封装，值得欣慰的是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跳跃式的进步是与Ansoft超常的工作努力是分不开的，BAE系统公司的HFSS V9 测试员Bernard Schmanski讲述到，新增加的功能有助于简化建模和分析，并且引领你获得更多全方位的技术和经验。

在今天严酷的经济和激烈的市场竞争环境下，公司必须不断地寻找提高生产力缩 短产品上市周期的方法，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是难以获得的。

HFSS V9 在强大、直观的环境下为研制微波、射频，高速数子部件及系统，提供了无可匹敌的精确度，Ansoft HFSS的产品市场经理Brad Brim讲述到，数据管理和设 计自动化优势使V9成为最可行的通用电磁设计解决方案。 （1）自动化

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。该软体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瞄设计，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。

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（2）用户化

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、 对话方块、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配量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，可以用来定义叁数化几何结构，执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个 设计流程。

目前新版本的HFSS在原有的基础上进一步增强其设计自动化、集成性等功能，从而更好地应用于高频、高速设计领域。匹兹堡——2004年5月3日——Ansoft公司宣布HFSS?v9.2正式发布，应用于从IC、PCB板、高频高速设计到微波/射频应用的广泛领域。 新版本的HFSS使用户即使在基于Microsoft Windows®操作系统的PC机上，也能够应用2G以上内存进行计算，从而使仿真规模加倍。提供三维电磁、电路、系统协同仿真与Ansoft Designer?/Nexxim?的无缝联接。“能够支持越来越复杂的高速电路的设计和验证是我们许多SiGe foundry厂商的需求，我们发现，HFSS v9.2的新功能对于支持用户自定义互连建模解决方案极为有效。”IBM微波电子高级技术经理Raminderpal Singh说，“有了HFSS，我们可以分析最具挑战的复杂IC互连和封装设计。” HFSS v9.2最重要的新功能就是在PC机（Windows系统）上能够利用3GB的内存空间，这极有效地拓展了HFSS的仿真计算能力，此外运用HFSS v9.2的用户自定义编程模块（UDP）能方便建立各种模型及元件库。同时，具备与Ansoft Designer、Nexxim动态链接的特性：通过动态参数化链接，在RF/数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。

HFSS v9是基于物理原型的EDA设计软件。依靠其对电磁场精确分析的性能，使我们能够轻松建立产品虚拟样机，以便在物理样机制造之前，准确快速地把握产品特性， 从而跨出成功的第一步。

2.2 HFSS软件设计

2.2.1 HFSS软件原理及设计步骤

Ansoft 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、

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远场方向图剖面、远场3D图；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig等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。 创建一个设计大概需要以下几个步骤：

（1）File>New，然后点击Project>Insert HFSS Design，新建一个Project。当然可以通过File>Open，打开一个已经存在的Project

（2）HFSS>Solution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS有三种解算类型，第一种是模式驱动（Driven Modal），根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解；第二种是终端驱动（Driven Terminal），根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解；第三种是本征模（Eignemode），求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。

（3）创建互连结构模型。HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形（主菜单>Draw）即可，当创建复杂的物体时，可以用布尔运算操作（3D Modeler>Boolean）完成挖洞、切开或连接等功能。 （4）在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，如介电常数等默认的材料特性是真空（Vacuum）。

（5）指定平面设置边界条件（HFSS>Boundaries>Assign）。HFSS有多种边界条件，在高速设计中最常用的有，理想电边界（Perfect E）表示电场垂直于表面。任何与背景相关联的物体表面和任何被赋值为PEC（理想电导体）的物体表面将被自动地设置为Perfect E边界；理想磁边界（Perfect H）是指电场方向与表面相切；阻抗边界（Impedance）用解析公式计算场行为和损耗的电阻性表面；辐射边界（Radiation）也被称为吸收边界，用来模拟开放的表面；完美匹配层边界（PML）用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。

（6）指定端口设置激励（HFSS>Excitations>Assign）。HFSS主要有波端口（Wave Ports）和集中端口（Lumped Ports），而在高速设计中，使用波端口的情况比较多。HFSS假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1瓦，使用波

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端口可以计算特性阻抗、复传播常数和S参数。值得注意的是，在设置波端口大小时也是很讲究的，以经常遇到微带线端口为例，如果设微带线宽为W，高为h。

（7）分析设置。通过HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup可以进行自适应频率和收敛标准的设置，通过HFSS>Analysis Setup>Add Sweep可以得到互连结构的扫频响应，通常选择插值（Interpolating）扫频。

（8）数据处理（HFSS>Results）。HFSS具有功能强大又很灵活的数据管理和绘图能力，可输出许多种报告。通过HFSS>Result>Create Report,打开Create Report对话框。设置不同的报告类型（Terminal S Parameter）跟显示方式（Display Type），可创建二维远场图、三维远场图、反射系数S11图、Smith圆图等。

2.2.2 HFSS软件的一些使用方法

和大部分的大型数值分析软件相似，以有限元方法为基础的Ansoft HFSS 并非是傻瓜软件，对于绝大部分的问题来说，想要得到快速而准确的结果，必须人工作一定的干预。除了必须十分明了模型细节外，建模者本身也最好具备一定的电磁理论基础。这里假定阅读者使用过HFSS，因此对一些属于基本操作方面的内容并不提及。 1、对称的使用

对于一个具体的高频电磁场仿真问题，首先应该看看它是否可以采用对称面。这里面的约束主要在几何对称和激励对称要求。如果一个问题的激励并不要求是可改变的，比如全部同相馈电的阵列，此时最好采用对称，甚至可以采用2个对称（E 和H 对称），将可以大大节约时间和设备资源。 2、面的使用

在实际问题中，有很多结构是可以使用 2 维面来代替的，使用2 维面的好处是可以极大的减少计算量并且结果与使用3 维实体相差无几。例如计算一个微带的分支线耦合器，印制板的微带以及地都可以指定某些面为理想电面代替，这样可以很快的获得所需要的物理尺寸及其性能。再以计算偶极子为例，如果偶极子是以理想导体为材质的圆柱，那么相同的其他条件下其计算时间大约是采用等效面为偶极子的4～5倍，由此可见一般。

3、Lump Port（集中端口）的使用

在 HFSS8 里提供了一种新的激励：Lump Port，这种激励避免了建立一个同轴或者波导激励，从而在一定程度上减轻了模型量，也减少了计算时间。 LumpPort 也可以

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使用一个面来代表，要注意的是对该Port 的校准线和阻抗线的设置一定要准确，端口在空间上一定要与其他金属（或电面）相接，否则结果极易出错。 4、关于辐射边界的问题

在不需要求解近（远）场问题时，比如密封在金属箱体里面的滤波器等密闭问题，无需设置辐射边界。在需要求解场分布或者方向图时，必须设置辐射边界。这里有些需要注意的问题：在计算大带宽周期性结构时，比如3倍频程，最好分段计算，例如以一个倍频程为一段，也就是说在不同的频段计算时设置不同大小的辐射边界，否则在计算的频率边缘难以保证计算精度；其次，辐射边界的大小和问题的具体形状密切相关，如果物体的外部轮廓可以装在一个球或并不过分的椭球中时，宜采用立方体边界——简单有效，如果问题的外部轮廓较为复杂或者椭球两轴差距太大，以采用相似形边界或圆柱边界，对于辐射问题，如果估计问题的增益较低（比如2dB），那么边界宜采用球形，此时为了得到结果准确也只好牺牲时间了；另在 HFSS 8 中提供了一种新的吸收边界——PML 边界条件，对于这种边界，笔者并不是很满意，尽管其有效距离为八分之一个中心波长——是老边界的一半，可以减少计算量，然而这种边界由程序自己生成，为一个立方体的复杂结构，对于一些特殊的复杂问题，这种边界内部有很多的空间是无用的，此时还不如使用老边界灵活。 5、关于开孔

有些问题需要在壁上开孔，此时可以采用2 种办法，其一是老老实实的在模型上挖空；其二是采用H/Natrue 边界条件，通常，如果是在面上开孔，将会采用后者，简单，便于修改。 6、关于网格划分

当模型建立好了之后，进入计算模块，第一步是给问题划分网格。对于一般问题，让软件自动划分比较省心，但对大型问题和复杂问题，让软件自己划分可能需要很好的耐性来等待。根据实际经验，在大型模型的结构密集区域或场敏感区域使用人工划分可以得到很好的效果，有些问题的计算结果开始表现为收敛，但进一步提高精度，却又反弹，问题就在于开始时场敏感区域的网格划分不够仔细，导致计算结果的偏差。 7、关于所需要的精度

计算问题时，一般需要给定一个收敛精度和计算次数以避免程序“陷入计算而无法自拔”，当对模型熟悉后，可以单单靠给定次数。在问题之初，建议的计算精度不要太高，实际中曾见到有操作者将问题的S 参数精度设定为0.00001，其实这是完全没有必

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要的，一般S 参数的精度设定为0.02 左右就已经可以满足绝大部分问题的需要（此时应该注意有无收敛反弹的情况）。如果是计算次数，对于密闭问题，建议是设定为8～12 次，对于辐射问题，一般计算6～8 次左右即可观察结果，如果不够再决定是否继续计算。 8、关于扫描

HFSS 提供一个扫描功能，分3 种方式：快速、离散和插值。其中离散扫描只保留最后一个频点的场结果，其计算时间是单个频点计算时间之和；对快速扫描，将可以得到所计算的频率范围内的所有频率场结果，但是其计算速度和频点多少关系不大，基本和模型复杂程度正比，有时扫描计算的时间非常长，如果不是特别需要关心所有的场情况，建议选用离散扫描，对于特别巨大的问题，则是以快速扫描为宜。而插值方式比较少用。

9、关于问题的规模

HFSS 所能计算的问题规模与计算机硬件关系很大，其次是所使用的操作系统。在 HFSS8 里，问题描述矩阵的阶基本和网格数正比，对于四面体上10 万的问题也能游刃有余（只要机器够好），然而这并非是指实际问题的电尺寸，实际上，要精确计算一个计算机网络电缆接头（RJ45）所需要的时间和资源并不比计算一个有波长尺寸的一般辐射问题少多少，所以实际上其计算规模的主要约束是问题的复杂程度，而复杂程度里面包含了电尺寸、结构复杂度等要素。由此提醒我们建模时应该尽量简化模型。一般来说，除了在激励区，当结构电尺寸比二十分之一波长还小时，可以忽略它的存在而不会引入明显的误差，这一点在解决问题之初很有效，可以迅速发现问题的关键；当问题的主要要求满足后，再将模型细化以获得更加精确的结果。

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3 微带贴片天线的设计及仿真

3.1 微带贴片天线的总体设计方案

以下为微带贴片天线的整体设计方案。

圆形贴片天线 圆环形贴片天线 贴片形状 微带贴片天线仿真总体设计方案正三角形贴片天线 正六边形贴片天线 贴片材质 铜 馈电方式 同轴线馈电 介质基片 聚四氟乙烯树脂 3.2 四种微带贴片天线的设计参数

在对微带贴片天线进行设计之前，首先要对贴片的大小进行计算，得出理论值，然后通过细微的调整贴片大小、介质基片厚度，得出达到设计要求的贴片天线。以下所设计天线参数均为谐振频率为12GHz。 1.圆形贴片天线

首先选取适当厚度的介质基片，按照经验，选取厚度h为2mm，由式（1.15）可知，圆形贴片半径与谐振频率和介质基片的介电常数成反比，谐振频率比较大，所以选取相对介电常数εr较小，为2.55的聚四氟乙烯树脂材料。由式（1.15）可得出半径a=4.6mm，

基片厚度 取计算和经验值 贴片尺寸 取计算和经验值

图3.1 设计方案图

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由式（1.16）可得出等效半径ae≈4mm。表3.1为圆形贴片天线的主要设计参数。

表3.1 圆形贴片天线的主要设计参数

贴片厚度h 2mm

2.圆环形贴片天线

基片相对介电常数εr 2.55

圆形贴片半径a 4mm

跟圆形贴片一样,首先选取适当的厚度的介质基片,选取厚度h为2mm，介电常数选

取εr为2.55的聚四氟乙烯树脂材料。由式(1.17)和式(1.18)可得a+b=5.4。根据（b-a）/（b+a）≤0.35，选取初始估算值b=3.2，a=2.2，b为外半径，a为内半径。表3.2为圆环形贴片天线的主要设计参数。

表3.2 圆环形贴片天线的主要设计参数

贴片厚度h 2mm

3.正三角形贴片天线

基片相对介电常数εr 2.55

外半径b 3.2mm

内半径a 2.2mm

选取厚度h为2mm，介电常数εr为2.55的聚四氟乙烯树脂材料。由式（1.19）可得，正三角形边长a=10.4mm。表3.3为正三角形贴片天线的主要设计参数。

表3.3 正三角形贴片天线的主要设计参数

贴片厚度h 2mm

基片相对介电常数εr 2.55

三角形边长a 10.4mm

4.六边形贴片天线

选取厚度h为2mm，介电常数εr为2.55的聚四氟乙烯树脂材料。由式（1.21）可得，六边形边长S=5mm。表3.4为六边形贴片天线的主要设计参数。

表3.4 六边形贴片天线的主要设计参数

贴片厚度h 2mm

基片相对介电常数εr 2.55

六边形边长S 5mm

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3.3 微带贴片天线的设计过程

以下以2GHz圆形微带贴片天线为例，给出其设计步骤：

一、创建工程

第1步：打开HFSS并保存新工程

运行HFSS软件后，自动创建一个新工程：Project1。

由主菜单选File\\Save as，保存在USER（E：）盘自建文件夹内，命名为Ex15_Antenna。 第2步：插入HFSS设计

由主菜单选Project\\Insert HFSS Design,则一个新项目自动加入到工程列表树中，默认名为HFSSModel1。同时，在工程管理区的右侧出现3D模型窗口。 第3步：选择求解类型

由主菜单选HFSS\\Solution Type，在弹出对话窗选择Driven Terminal项。如图3.2所示。

图3.2 求解类型的选择

第4步：设置单位

由主菜单选3D Modeler\\Units，在Set Model Units对话窗中选择mm项。如图3.3所示。

图3.3 设置建模单位

二、创建模型 第1步：绘制基片

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绘制一个长方体：由主菜单选Draw\\Box；按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标（x,y,z）为（-6,-6,0），数据输入时用Tab键左右切换，全部设好后按下Enter键确认；再输入长方体的三边长度（dx,dy,dz）为（12,12,2），全部设完后按下Enter键确认，注意：在设置未全部完成时不要在绘图区中点击鼠标

定义长方体属性：设置完几何尺寸后，自动弹出该长方体的属性对话窗。选择Attribute标签页，将Name项改为 sub，Material项选取材料Polyflon_NorCLAD（tm）。设置完毕后，按下Ctrl+D键，将长方体适中显示，如图3.4所示。

图3.4 长方体介质基片

第2步：绘制接地板

绘制一个矩形：由主菜单选Draw\\Rectangle；按下Tab键切换到参数设置区，设置矩形的基坐标（x,y,z）为（-8,-8,0），数据输入时用Tab键左右切换，全部设好后按下Enter键确认；再输入矩形的三边长度（dx,dy,dz）为（16,16,0），全部设好后按下Enter键确认。

定义长方体属性：设置完几何尺寸后，自动弹出该长方体的属性对话窗。选择Attribute标签页，将Name项改为ground,。设置完毕后，按下Ctrl+D键，适中显示，如图3.5所示。

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图3.5 长方形接地板

第3步：绘制贴片天线

绘制一个圆形：由主菜单选Draw\\Circle；按下Tab键切换到参数设置区，设置圆形的基坐标（x,y,z）为(0,0,2)，数据输入时用Tab键左右切换，全部设置好后按下Enter键确认；再输入圆形的圆上一点（dx,dy,dz）为（4,0,0），全部设好后按下Enter键确认。

定义圆形属性：设置完几何尺寸后，自动弹出该圆形的属性对话框。选择Attribute标签页，将Name项改为patch，设置完成后，按下Ctrl+D键，适中显示，如图3.6所示。

第4步：绘制同轴线探针

绘制圆柱体：由主菜单选Draw\\Cylinder，按下Tab键切换到参数设置区，设置圆柱体圆心基坐标（x,y,z）为（2,0,0），按下Enter键确认；再输入圆柱体的（dx,dy,dz）为（0.225,0,2），即半径为0.225mm、高2mm，圆柱轴向为z 轴，按下Enter键确认。

定义圆柱体属性：设置完几何尺寸后，自动弹出该长方体的属性对话窗。选择Attribute标签页，Name为pin，Material项选取材料为pec如图3.7所示。

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图3.6贴片天线

图3.7 绘制同轴线探针

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第5步：绘制端口

绘制圆形：由主菜单选Draw\\Circle，按下Tab键切换到参数设置区，设置圆形的圆心基坐标（x,y,z）为（2,0,0），按下Enter键确认；再输入（dx,dy,dz）为（0.75,0,0）,即半径为0.75mm,按下Enter键确认。

定义属性：Name为port。

从接地板中裁去端口的穿孔：在绘图历史树中选中ground项，按下Ctrl键的同时再选中port项，由主菜单选3D Modeler\\Boolean\\Subtract,在弹出对话窗中，确定ground在Blank Parts列，port在Tool Parts列，勾选Clone tool objects before subtracting 项，即在接地板中裁去和端口一样大小的洞且仍保留端口。如图3.8所示，点OK完成。最终的结构如图3.9所示

图3.8 切割对话框

第6步：绘制空气腔体 重复第1步，绘制一个长方体：长方体的基坐标（x,y,z）为（-10,-10,-6），三边长度（dx,dy,dz）为（20,20,12）；Name为air，材料为默认材料vacuum，设置完毕后，按下Ctrl+D键，适中显示，如图3.10所示。

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图3.9 绘制端口图

图3.10 空气腔

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第7步：设置边界

为贴片patch和地面ground设置理想金属边界，选中patch，在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E，在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为Perfect_patch，点OK确定。选中ground，操作同上，命名为Perfect_ground。

为空气腔air设置辐射边界，选中air，在菜单栏中点击HFSS>Boundaries>Radiation， 在辐射边界窗口中，将辐射边界命名为Rad1，点击OK按钮。

选择菜单HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere，打开Insert Far Field Setup对话框。切换到Infinite Sphere选项卡，设置Name（名称）为ff_2d；设置Phi start～step size为0，90，90；设置Theta start～step size为-180，180，10.单击“确定”按钮，应用设置。

选择菜单HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere，打开Insert Far Field Setup对话框。切换到Infinite Sphere选项卡，设置Name（名称）为ff_3d；设置Phi start～step size为20，360，20；设置Theta start～step size为-180，180，10.单击“确定”按钮，应用设置。 第8步：设置端口激励

在绘图历史树中选中port项，点右键选择Assign Excitation\\Lumped Port,在弹出窗口命名为port1,其它不变，点下一步，在新窗口的Integration Line（积分线）列点击None选项并下拉，选择New line,则提示绘制线，按下Tab键切换到参数设置区，输入起点坐标（x,y,z）为（2.25,0,0），按下Enter键确认；再输入激励源矢量（dx,dy,dz）为（-0.525,0,0），按下Enter键确认。点完成，则在工程历史树的Antenna\\Excitations节点下添加port项。 三、设置分析

第1步：创建分析设置

选择菜单项HFSS>Analysis>Setup>Add Solution Setup，打开Solution Setup（求解设置）对话框，切换到General（通用）选项卡，设置Solution（求解频率）为12GHz；设置Maximum number of passes（最大通过数目）为3，设置Maximum Delta S（通过的最大Delta S）为0.02。 第2步：增加扫频

选择菜单项HFSS>Analysis>Add Sweep，在打开对话框中，设置Solution Setup（选择求解设置）为Setup1。在Edit Sweep（编辑扫频）对话框中，设置Sweep Type（扫描类型）为Fast（快速）；设置Type（频率设置类型）为Linear Count（线性计数）；设置

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Start（开始）为10GHz；设置Stop（结束）为14GHz；设置Count（计数）为101；勾选Save Fields（保存场）项。 第3步：开始分析

建立好模型和分析设置，检查确认模型的边界设置后，使用HFSS的Validation Check（模型验证）功能验证一下各项设置，选择菜单项HFSS>Validation Check，检查模型设置，检查完，单击Close按钮，关闭对话框。

选择菜单项HFSS>Analyze All，开始分析。

以下为我设计的四种天线模型,图3.11为馈电在半径的一半的圆形微带贴片天线，图3.12为圆环形微带贴片天线，馈电取在内外径差点中点上，图3.13为正三角形微带贴片天线，馈电在正三角形外接圆半径的中点上，图3.14为六边形微带贴片天线，馈电在六边形外接圆半径的中点上。

在对圆环形微带贴片天线进行设计过程中，由于理论与实际的误差，对图形进行矫正，经过多次反复验证，确定当圆环形微带贴片天线的外半径b=4.2mm，内半径a=2.2mm时，圆环形微带贴片天线的谐振频率在12GHz。

在对六边形微带贴片天线进行设计过程中，经过几次细微调节六边形边长S后，得出S=4.4mm时，六边形微带贴片天线的谐振频率在12GHz。

图3.11 圆形微带贴片天线模型图

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图3.12 圆环形微带贴片天线模型图

图3.13 正三角形微带贴片天线模型图

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图3.14 六边形微带贴片天线模型图

3.4 仿真结果

3.4.1 圆形微带贴片天线 1.创建终端S参数磁场图

选择菜单项HFSS>Results>Create Report，打开Create Report（创建报告）对话框。设置报告类型为Terminal S Parameter（终端S参数）；设置Display Type（显示方式）为Rectangular Plot（直角坐标）；单击OK按钮，软件自动打开Traces对话框，如图3.15所示。

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图3.15 添加曲线

在Traces对话框中，设置Solution为Setup1：Sweep1；设置Domain为Sweep。切换到Y选项卡，设置Category为S Parameter；设置Quantity为St（LumpPort1，LumpPort1）；设置Function为dB。单击Add Trace按钮，再单击Done按钮，效果如图3.16所示

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图3.16 圆形微带贴片天线S11曲线图

从上图可以看出，改天线的谐振频率在12GHz，反射系数S11为-26dB。

2.创建Smith圆图

选择菜单项HFSS>Results>Create Report，打开Create Report（创建报告）对话框。设置报告类型为Terminal S Parameter（终端S参数）；设置Display Type（显示方式）为Smith Chart（史密斯圆图）；单击OK按钮，软件自动打开Traces对话框，默认设置，点击Add Trace，再点击Done，效果如图3.17所示。 3.创建VSWR曲线图

选择菜单项HFSS>Results>Create Report，打开Create Report（创建报告）对话框。设置报告类型为Terminal S Parameter（终端S参数）；设置Display Type（显示方式）为Rectangular Plot（直角坐标）；单击OK按钮，软件自动打开Traces对话框，在Traces对话框中，设置Solution为Setup1：Sweep1；设置Domain为Sweep。切换到Y选项卡，设置Category为VSWR；设置Quantity为St（LumpPort1，LumpPort1）；设置Function为dB。单击Add Trace按钮，再单击Done按钮，效果如图3.18所示.

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图3.17圆形微带贴片天线smith圆图

由上图右上角数据可知，该天线的特性阻抗为1.092+j0.043。

图3.18圆形微带贴片天线VSWR曲线图

34 沈阳理工大学学士学位论文

由上图可知，该天线在12GHz谐振频率处的驻波比为0.9dB。 4.创建二维远场极坐标图

选择菜单项HFSS>Results>Create Report，打开Create Report（创建报告）对话框。设置报告类型为Far Fields（远场）；设置Display Type（显示方式）为Radiation Pattern（辐射格式）；单击OK按钮，软件自动打开Traces对话框，如图3.19所示。

图3.19 设置远场二维极坐标Traces对话框

在Traces对话框中，设置Solution为Setup1：Sweep1；设置Geomentry为ff_2d。切换到Sweeps选项卡，在Name下选择Phi，其下拉菜单中选择Theta。这个改变可以先扫描Theta。在扫描频率（Sweeps）选项卡中，选择Freq行，然后选择列表中的12GHz，如图4.16所示。切换到Mag选项卡，设置Category（种类）为Gain（增益）；设置Quantity为Gain Total；设置Function为dB。单击Add Trace按钮，然后单击Done按钮，效果如图3.20所示。

35 沈阳理工大学学士学位论文

图3.20 圆形微带贴片天线二维远场极坐标图

由上图所示，该天线的方向性比较好，增益为8dB。 5.创建三维远场极坐标图

选择菜单项HFSS>Results>Create Report，打开Create Report（创建报告）对话框。设置报告类型为Far Fields（远场）；设置Display Type（显示方式）为3D Polar Plot（3D 平面极坐标）；单击OK按钮，软件自动打开Traces对话框。

在Traces对话框中，设置Solution为Setup1：Sweep1；设置Geomentry为ff_3d。切换到Mag选项卡，设置Category（种类）为Gain（增益）；设置Quantity为Gain Total；设置Function为dB。单击Add Trace按钮，然后单击Done按钮，效果如图3.21所示。 6.结果说明

该圆形微带贴片天线在10GHz～14GHz频带内，反射系数S11变化剧烈，表明此天线为窄带器件，谐振频率在12Ghz左右，其反射系数S11为-26dB，谐振时的驻波比VSWR约为0.9dB，天线的增益为8dB，特性阻抗为1.092+j0.043。

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沈阳理工大学学士学位论文

图3.21 圆形微带贴片天线三维远场极坐标图

3.4.2 圆环形微带贴片天线 1.创建终端S参数磁场图

图3.22 圆环形微带贴片天线S11曲线图

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由上图可知，该天线的谐振频率为11.9GHz，在谐振频率处的反射系数S11为

-13.5dB。 2.创建Smith圆图

图3.23 圆环形微带贴片天线smith圆图 从上图右上角数据可知，该天线的特性阻抗为0.681+j0.116。 3.创建VSWR曲线图

38 沈阳理工大学学士学位论文

图3.24 圆环形微带贴片天线VSWR曲线图

4.创建二维远场极坐标图

图3.25 圆环形微带贴片天线二维远场极坐标图

从上图可知该天线的方向性比较好，天线的增益为8dB。

39 沈阳理工大学学士学位论文

5.创建三维远场极坐标图

图3.26 圆环形微带贴片天线三维远场极坐标图

6.结果说明

该天线在10GHz～14GHz频带内，反射系数S11变化剧烈，表明此天线为窄带器件，谐振频率在12Ghz左右，反射系数S11为-13.5dB，谐振时的驻波比VSWR约为3.5dB，不是很理想，天线的增益为8dB，特性阻抗为0.681+j0.116。

3.4.3 正三角形微带贴片天线 1.创建终端S参数磁场图

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图3.27 正三角形微带贴片天线S11曲线图

从上图可知，该天线的谐振频率为12GHz，谐振时的反射系数S11为-6.9dB。 2.创建Smith圆图

图3.28 正三角形微带贴片天线smith

从上图右上角数据可知，该天线的特性阻抗为0.380-j0.050。

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3.创建VSWR曲线图

图3.29 正三角形微带贴片天线VSWR曲线图

从上图可知，该天线在谐振时驻波比为8.5dB。 4.创建二维远场极坐标图

图3.30 正三角形微带贴片天线二维远场极坐标图

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从上图可知，该天线的增益为8dB。 5.创建三维远场极坐标图

图3.31 正三角形微带贴片天线三维远场极坐标图 6.结果说明

该天线在10GHz～14GHz频带内，反射系数S11变化剧烈，表明此天线为窄带器件，谐振频率在12Ghz左右，反射系数S11为-6.9dB，谐振时的驻波比VSWR约为8.5dB，不是很理想，天线的增益为8dB，特性阻抗为0.380-j0.050。

3.4.4 六边形微带贴片天线 1.创建终端S参数磁场图

43 沈阳理工大学学士学位论文

图3.32 六边形微带贴片天线S11曲线图

从上图可知，该天线谐振频率为12GHz，反射系数S11为-40dB。

2.创建Smith圆图

图3.33 六边形微带贴片天线smith圆图

从上图右上角数据可知，该天线的特性阻抗为0.992+j0.037。

44 沈阳理工大学学士学位论文

3.创建VSWR曲线图

图3.34 六边形微带贴片天线VSWR曲线图

从上图可知，该天线在谐振时的驻波比为0.5dB。 4.创建二维远场极坐标图

图3.35 六边形微带贴片天线二维远场极坐标图

45 沈阳理工大学学士学位论文

从上图可知，该天线的增益为8dB。 5.创建三维远场极坐标图

图3.36 六边形微带贴片天线三维远场极坐标图

6. 结果说明

该天线在11GHz～13GHz频带内，反射系数S11变化剧烈，表明此天线为窄带器件，谐振频率在12Ghz左右，反射系数S11为-40dB，谐振时的驻波比VSWR约为0.5dB，天线的增益为8dB，特性阻抗为0.992+j0.037。

3.5 结果分析

根据表3.1～3.4中点参数设置下设计出来的贴片天线，在HFSS仿真软件仿真后得到S11曲线图、Smith圆图、VSWR曲线图、二维远场极坐标图、三维远场极坐标 ，通过对这些图进行分析比较得出数据如下表3.5

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