微带贴片天线圆极化性能仿真分析#资料参考

1、本科毕业设计（论文）微带贴片天线圆极化性能仿真分析杨珊燕 山 大 学2011年06月 本科毕业设计（论文）微带贴片天线圆极化性能仿真分析学 院：信息科学与工程学院 专 业：电子信息工程 学生 姓名：杨珊 学 号：070104020059 指导 教师：邢光龙 答辩 日期：2011-6-25 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：信息科学与工程学院 系级教学单位：电子与通信工程系学号070104020059学生姓名杨珊专 业班 级07级电子信息工程2班题目题目名称微带贴片天线圆极化性能仿真分析题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型

2、（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容HFSS是由美国An soft公司开发的三维电磁场仿真系统。采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。可直接得到微波传输系统特征阻抗、传播系数和S参数等，广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计。本设计的主要内容是藉助于HFSS，设计对比分析圆形和矩形微带贴片天线辐射圆极化特性。基本要求1.学会使用HFSS软件。2.掌握圆形和矩形微带天线基本原理和分析方法。3.应用HFS

3、S对比分析圆形和矩形微带天线的圆极化辐射特性。参考资料微波技术与天线电磁波导行与辐射工程，殷际杰，电子工业出版社，20042.Ansoft HFSS基础及应用，谢拥军等编著，西安：西安电子科技大学出版社 2007；HFSS用户手册和参考书周 次第 1 4 周第 5 8 周第912 周第1316 周第17 18 周应完成的内容查阅文献资料、了解和掌握课题研究背景和方法建立分析方法、确定软件实现方案、编制源程序软件调试，结果分析编制设计文件，使用说明完成论文指导教师：邢光龙职称：教授 2011 年1 月 2日系级教学单位审批： 年 月 日严选材料#摘要HFSS是一款界面友好、功能完备、采用有限元法

4、的三维全波电磁场仿真软件，对微带贴片天线的设计分析提供很大帮助。本文主要内容是应用软件HFSS对比分析圆形和矩形微带贴片天线的辐射特性。首先，本文对微带天线和圆极化的基本概念做了简单的介绍，论述微带天线的结构、馈电方式、辐射机理和微带天线的分析设计方法。其次，简单列举了HFSS软件的特色功能及典型应用，介绍了HFSS仿真软件的分析方法（有限元数值分析法）和HFSS对天线的仿真设计流程。最后，详细阐述用HFSS仿真设计圆形和矩形微带贴片天线的情况，并通过参数分析结果图包括S参数图、电压驻波比图、远场区方向图、极化轴比图等对比分析两种贴片天线的辐射特性。矩形微带贴片天线和圆形微带贴片天线的圆极化设

5、计及分析是本文的重点。本设计用在辐射贴片上做切角的方法实现天线圆极化的目的。通过对比分析两种天线的各项辐射特性参数，矩形微带贴片天线要优于圆形微带贴片天线。关键词微带贴片天线；HFSS仿真；圆极化；辐射特性严选材料#AbstractHFSS is in a friendly interface, function complete, and the three-dimensional finite element method whole wave electromagnetic field simulation software. It provides much help to the d

6、esign of microstrip antennas. The main content of this paper is making a comparative analysis of the radiation properties of circular and rectangular microstrip patch antenna by using software HFSS. First, this paper introduces the basic conceptsof microstrip antennas and circularly polarized micros

7、trip antenna. Discussesthe structure ofmicrostrip antenna,feedmethod, the radiationmechanism andmicrostrip antennaanalysis and design methods.Then it simply lists the HFSS software features and typical applications, focusing on theHFSSsimulationsoftwareanalysis（finite elementanalysis）and theHFSSsimu

8、lationof the antennadesign process. At last, it details the design with HFSS of the circular and rectangular microstrip patch antennas, and makes a comparative analysis of the radiation properties of the two microstrip patch antennas by result maps including the S parameter map, voltage standing wav

9、e ratio graph, far field pattern, polarization axis ratio map.Rectangular microstrip antenna and circular microstrip patch of patch antennas are round polarization design and analysis in this paper is focus.For the purpose of acquiring circular polarization antenna, I make cutting angles on the patc

10、h in this design. Through the comparative analysis of radiation parameters of the two antennas, rectangular microstrip patch antenna is better than circular microstrip patch antenna. Keywords Microstrip patch antenna; HFSS simulation; Circular polarization; Radiation properties严选材料# 目 录摘要IAbstractII

11、第1章 绪论11.1 课题背景11.2 HFSS仿真21.3 微带天线发展概况31.4 课题研究主要内容及结构安排4第2章 圆极化微带天线原理概述52.1 微带天线基本理论52.1.1 微带天线的结构52.1.2 微带天线的辐射机理62.1.3 微带天线的馈电方式72.1.4 微带天线电参数82.2 微带天线的分析设计方法132.2.1 传输线模型理论132.2.2 空腔模型理论142.2.3 积分方程法142.3 本章小结15第3章 HFSS仿真软件的介绍173.1 HFSS仿真软件简介173.1.1HFSS的典型应用173.1.2 HFSS的特色功能173.1.3 HFSS软件的求解原理1

12、83.2 HFSS仿真软件分析方法183.2.1 有限元数值分析法193.2.2 有限元法建模193.3 HFSS软件仿真流程203.4 本章小结21第4章 圆极化微带天线设计与分析234.1 HFSS仿真设计过程234.2 矩形微带贴片天线的设计与仿真234.3 圆形微带贴片天线的仿真设计264.4 两种贴片天线辐射特性的分析比较284.5 本章小结35结论37参考文献39致谢41附录143附录251附录357附录465严选材料#第1章 绪论1.1 课题背景天线是无线电通信和探测系统中不可缺少的重要组成部分，它是发射和接收电磁波的一种设备。作为发射天线，它将被馈线引导的高频电流转换为电磁波并

13、向特定的方向发射出去；而作为接收天线，它又要做相反的变换，从而在任意两点之间实现了电磁信号的传递。从上世纪初的单一点对点通信到现在覆盖全球的卫星通信系统，天线技术无疑承担了最基本、最前端的角色，它在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成为现代文明中不可缺少的部分。自从20世纪70年代中期微带天线理论得到大的发展以来，由于微带天线体积小、重量轻、馈电方式灵活、成本低、易于与目标共形等优点而深受人们青睐，在移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS)等领域得到广泛的应用1。微带天线可以分为三大类2：微带贴片天线、微带缝天线、微带行波天线。微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射元的天线。它具有剖面低

14、、体积小、重量轻、易于加工、便于获得圆极化的优点，并且非常有利于集成，在天线应用中占有非常重要的地位。圆极化微带天线在卫星通信和移动通信领域更是得到了广泛应用3，圆极化微带天线具有如下优点4：l、圆极化天线可接收任意线极化来波，且其辐射波可由任意线极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；2、在通信，雷达的极化分极工作和电子对抗等应用中广泛应用圆极化天线的旋向正交性；3、圆极化入射到对称目标(如平面，球面等)时旋向逆转。圆极化微带天线的基本电参数是轴比带宽，定义为最大辐射方向上轴比不大于3dB的带宽，轴比决定了天线的极化效率。实现圆极化的基本原理是产生两个相位相差900空间正交的等振

15、幅的线极化电场分量，因此任一个圆极化波可分解为在时间、空间上均正交的等振幅线极化波5。实现圆极化的方法大体有3类6：l、单馈法，基于空腔模型理论，利用简并模分离，产生两个辐射正交极化的简并模。可以采用多种形状贴片，引入几何微扰来实现，无需外加相移网络和功率分配器，结构简单，尺寸小；缺点是带宽窄极化性能较差。2、多馈法，采用多个馈点馈电，利用T型分支或3dB电桥等馈电网络实现圆极化辐射，易于提高驻波比带宽及圆极化带宽，抑制交叉极化，提高轴比，缺点是馈电网路复杂尺寸较大。3、多元法，原理与多馈点法相似，利用天线阵的形式，采用多个线极化辐射元，每一个馈点分别对一个线极化辐射元馈电，相对于多馈法，馈电

16、网络简单、增益高，缺点是结构复杂尺寸大。1.2 HFSS仿真与常用的微波天线相比，微带天线具有如下的优点7-8：(1)重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线；(2)制造成本低，易于大批量生产；(3)可以做的很薄，因此，不扰动装载的飞行器的空气动力学性能；(4)无需做大的变动，天线就能很容易的装在导弹、火箭和卫星上；(5)天线的散射截面较小；(6)改变馈电点的位置即可方便的获得线极化和圆极化；(7)较容易制作成多频段工作的天线；(8)馈线和匹配网络可以和天线结构同时制作，易于制作成印刷电路。与此同时，微带天线也有一些缺点：(1)相对带宽较窄，主要是谐振型微带天线；(2)损耗较大，所以

17、效率及增益较低；(3)馈源与辐射源之间的隔离较差；(4)容易激励表面波；(5)单个微带天线的功率容量较小；(6)介质基片对微带天线性能影响较大。在许多实际设计中，微带天线的诸多优点远远超过它的缺点，用有效的仿真软件对其前期的研究工作进行仿真计算，或者对实验结果进行验证就显得越来越重要。微带天线的实验方法和计算方法都已非常成熟，这就为克服微带天线的缺点奠定了基础，使其得到了广泛的应用与发展。1.3 微带天线发展概况微带天线最初是作为火箭和导弹上的全向共形天线而得到应用与发展的。随着无线电技术的发展，微带天线在多个领域得到越来越广泛的应用，如手机、蓝牙(Blue Tooth)、无线局域网(WLAN

18、)等无线通讯终端，小型化卫星通讯、多普勒及其它制式雷达、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。微带天线技术也在应用过程中得到了飞速的发展，当今对于微带天线技术的研究主要集中在以下几个方面9：(1)宽频化，这是近年来微带天线领域研究的热点，当天线的工作频带较宽时，其应用的场合较广，避免了在不同的频段采用不同的天线，节省了成本及空间。(2)多频化，在许多应用中，人们希望天线能够同时工作于两个或者多个频段，以实现更多的功能，GSM手机、WLAN(无线局域网)、GPS(全球定位系统)等就是典型的例子；(3)小

19、型化，在许多特殊应用的场合，特别是航空航天卫星通信、移动通信中，由于其物理空间的限制都需要小型化天线；(4)极化技术，和线极化相比，圆极化天线有着众多优点，比如圆极化天线在雷达、目标识别和抗干扰方面的应用等，因此对圆极化微带天线的研究意义重大；(5)分形微带天线，超宽带天线是近来研究的热点，分形技术应用于天线设计，可以实现天线超宽带性能10；(6)光子带隙(PBG)技术应用于微带天线设计。PBG技术可以有效减小高介电常数厚基板带来的表面波，改善天线的效率和方向图前后比，是一种很有前途的技术；(7)高增益，低副瓣特性。高增益特性能够保证天线较高的定向辐射能力，提高了天线的抗干扰能力；低副瓣特性保

20、证了天线阵列中旁瓣对主瓣的较低影响，可通过一系列的加权形式实现；(8)有源集成微带天线也是一个研究方向。有源集成天线是将有源电路和无源辐射单元(天线)集成在同一介质板上，接收或者发射电磁波的装置。近年来，随着微波集成电路(MIC)和空间功率合成技术的日益成熟，有源集成天线受到了广泛的关注。1.4 课题研究主要内容及结构安排本设计的主要内容是藉助软件HFSS设计对比分析圆形和矩形微带贴片天线辐射特性。在Ansoft HFSS中建立所需研究的两种天线仿真模型，并设置好相应的频率、激励源、馈电方式、辐射边界、精度等参数，通过Ansoft HFSS仿真就能够得到天线的方向图、增益、效率、阻抗带宽等仿真

21、结果。具体的天线模型，工作频率等参数模型可以自行选择。通过HFSS仿真计算结果包括S参数图、电压驻波比图、远场方向图、极化轴比图等对比分析两种天线辐射特性。本文的主要结构为：第1章介绍了课题的背景、发展概况、课题主要研究内容及论文的结构安排。第2章阐述了微带天线的基本理论及分析方法，包括微带天线的分类、辐射机理、馈电方式、常用的理论分析方法及数值分析方法等。第3章介绍了Ansoft HFSS软件的功能应用、分析方法，并通过具体实例详细介绍了HFSS的仿真设计流程。第4章是本文的主体部分，详细介绍了在软件HFSS中圆形微带贴片天线和矩形微带贴片天线仿真设计的参数设置，最后通过仿真结果图对比分析了

22、两种贴片天线的辐射特性，得出相关结论。严选材料#第2章 圆极化微带天线原理概述2.1 微带天线基本理论 微带天线是由具有一定厚度的介质基片、较薄的导体接地板及光刻的辐射贴片三部分组成11。一般情况下，采用同轴线馈电或微带线馈电，在辐射贴片和导体接地板之间激励起高频电磁场，并通过贴片与导体接地板之间的缝隙向外辐射电磁波能量。一般情况下，贴片是具有规则几何形状的金属片，几种常见的形状为：矩形、三角形、圆形、矩形环、圆环等。为了减小介质基片对电磁波的束缚、增加边缘电磁场的辐射，常采用介电常数较小的介质基片但是在一些特殊的场合，由于受到物理体积方面的限制，为了最大限度的减小贴片的尺寸，或者在MMIC电

23、路、LTCC工艺中，也可以选用介电常数较大的GaAS、Si、A1203等介质基片。2.1.1 微带天线的结构 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线12。它利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射13。因此，微带天线也可看作为一种缝隙天线。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于小尺寸天线的一类。导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形、圆环形等，由这种单元形成的微带天线称为微带贴片天线。微带天线由很薄(,是自由空间中的波长)的金属带(贴片)以远小于波长的间隔(，通常取)置于一

24、接地面上而成，如图2-1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/3L/2，微带贴片与接地面之间有一介质薄片(称为基片)隔开。图2-1 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，以远小于波长的间隔(h0.02)。(3)耦合馈电 微带传输线和同轴线探针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和小孔耦合馈电，如图2-3(c)所示。小孔耦合馈电是几种馈电方式中最难制造的，而且带宽也比较窄。图2-3(d)所示的耦

25、合馈电，其带宽相对较宽。 a） 微带传输线馈电 b）同轴线探针馈电 d）耦合孔馈电 d）耦合馈电图2-3 典型的微带传输线馈电2.1.4 微带天线电参数天线是每一个无线电通信系统的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响整个无线电通信系统的性能。人们通常用天线的电参数衡量天线性能的好与坏。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15。(1)方向图与方向性系数 天线辐射的电磁波能量在空间的分布是不均匀的，天线的辐射方向性图是用来表示天线的辐射参量随空间角度变化的图形。这里的辐射参量可以是辐射的功

26、率通量密度、场强、相位或者极化。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。对于天线方向图来讲，有的要求天线对准性很强，有的要求天线有一定的盖区域。在本论文的设计中，我们力求所设计的天线的辐射方向图是全向的，这样才能保证在天线所要求的覆盖区域内所有方向上的通信都是稳定可靠的。方向性系数，也叫方向性增益，是说明天线能量集中辐射的程度，它定义为在辐射总功率相等的情况下，天线在某个方向辐射的功率密度与完全无方向性的天线(理想点源)辐射的功率密度S之比。天线的方向性系数表征

27、了该天线在其最大辐射方向上比起无方向性天线来说把辐射功率放大的倍数。一般来说，天线的方向性系数是方向的函数，不同方向的数值不同。对于本论文所设计的天线，实际上要求方向性系数大一些为好，越大天线方向性越强。(2)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，天线在方向的功率密度与无方向性、无损耗天线的功率密度之比。通常所说的天线增益是指天线的线性增益，其增益的表达式为： (2-1)式中 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束程度，效率表征天线能量的转换效能，而天线的增益就可理解为标称

28、天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。一般来说，天线的方向性越好，增益越大；反之亦然。本论文设计天线的增益是越大越好。这样天线主向辐射效果较好。(3)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。天线的辐射效率为天线的辐射功率与输入功率最的比值，即： (2-2)天线效率为天线的辐射功率与入射功率比值，即： (2-3)(4)输入阻抗 在天线输入端呈现的阻抗称为天线

29、的输入阻抗，其数值上等于天线输入端的电压与电流之比。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比较敏感，阻抗匹配是天线设计中需特别注意的问题。一般的天线输入阻抗为50，为能和常用设备一致，本论文中的天线阵的激励源也选取输入阻抗为50。(5)带宽与电压驻波比 天线的电参量几

30、乎都与频率有关，电参量随频率变化的特性就是天线的频率特性。频率特性可以用带宽表示，满足天线电参数一定要求的频率范围称为天线带宽16。对微带贴片天线而言，其辐射方向图类似于偶极子的辐射方向图，因此，辐射方向图带宽、主瓣宽度、副瓣电平和增益不随频率发生明显的变化。然而微带贴片天线的输入阻抗随频率的变化很快。所以在本设计中，是通过多次仿真来调整天线的带宽的。输入阻抗限制了天线单元与其馈线相匹配的频率范围，常用阻抗带宽来定义微带天线的带宽。在许多场合，经常用天线的电压驻波比(VSWR)表示天线的带宽为17： （2-4）式中 Q微带贴片天线的品质因数。电压驻波比(VSWR)是用来评价负载接至无损耗传输线

31、的不匹配程度。其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配，是天线工作的理想情况；驻波比为无穷大表示全反射，则完全失配。若天线的最高工作频率为，最低工作频率为，中心频率为，对于窄频带天线，采用相对带宽，即来表示其频带宽度；而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，即来表示其频带宽度。(6)S参数 散射矩阵S参数可以完全反映高频器件的反射与传输特性。对于本文设计的两种贴片天线只需测得S参数，便可得到天线端口反射和传输特性参数，并能反应天线与外接传输线阻抗匹配情况。以二端口为例，S参数包括输入反射系数、输出反射系数、前向传输系数和反向传输系数。具体二端口S参数特性如图2-3所示：S11S22S21S12

32、图2-3 二端口S参数图输入反射系数： (2-5)输出反射系数： (2-6)前向传输系数： (2-7)反响传输系数： （2-8） 本论文设计分析的两种贴片天线都只有一个端口，所以我们只考虑天线端口的输入反射系数。(7)极化 天线的极化是指天线辐射时形成的电场强度方向。一般而言，特指为该天线最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化。媒质中某点的电场作为时间的函数沿直线振荡时称之为线极化波。电场端点沿圆运动，称圆极化波

33、。电场沿椭圆路径，则称椭圆极化波。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波称为水平极化波。水平极化波因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。一般移动通信系统中采用垂直极化的传播方式。任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆。极化椭圆的长轴2A和短轴2B之比，称为轴比18AR(Axial Ratio)，或简记AR值r =A/B，1r。它的分贝形式为r(dB)=20lg(A/B)。圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比r，一般是指其最大增益方向上的轴比。

34、对于纯圆极化波，r =1，即0dB。在本论文中，轴比r不大于10dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。2.2 微带天线的分析设计方法微带天线分析的基本问题是：求解天线周围空间建立的电磁场；求得电磁场后，进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。分析微带天线的基本理论大致可以分三类。最早出现的事传输线模型（TLM ,Transmission Line Model）理论，主要用于矩形贴片。更严更有用的是空腔模型（CM，Cavity Model）理论可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法（IEM，Integral Equation Method），

35、即全波（FW，Full Wave）理论从原理上来说，积分方程法可以用于各种结构、人以厚度的微带天线，然而要受计算的模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。自然，这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了另外一些分析方法。基于积分方程的简化，产生了格林函数法（GFA，Greens Function Approach）；空腔模型的扩展，出现了多端口网络法（MNA, Multiport Network Approach）等。下面简要介绍微带

36、天线的三类分析方法19。2.2.1 传输线模型理论微带线传输模式是将微带线看成一种开放线路，因此它的电磁场可以无限延伸，这样将微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（空气和介质）构成。只有填充均匀煤质的传输线才能传输单一的纯横向场TEM模。现在由于空气-介质分界面的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量（包括纵向分量）的混合模。不过，在频率不太高的情况下，如12GHz以下，基片厚度远远小于工作波长，能量大部分都集中在导体带下面的介质基片内，而且此区域内的纵向分量很弱，因此沿微带传输的主模与TEM模分布非常接近，故称为准TEM模。在各种方法中，传输线发最为简单，也是最为直观。利用端缝

37、辐射的概念清楚地说明了辐射的机理。可惜由于传输线模式的限制，它难于应用在矩形贴片以外的情况。对于矩形片，传输线模式相当于腔模理论中的基模。在谐振频率上，计算的场分布于实际很接近，参量计算合乎工程精度，但失谐大，场分布与实际相差较大，计算就不可靠了。基本的传输线法对谐振频率预测是不够准确的，利用一些修正方法（如等效延长）可将误差减小到1%以内。如果通过样品实测谐振频率，然后再行调整，效果会更好。2.2.2 空腔模型理论罗远芷（Y.Y.Lo）等在1979年提出了空腔模理论，该理论基于薄微带天线的假设，而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（或确切的说是漏波空腔）。天线

38、辐射场有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求得。腔模理论特别是多模理论是对传输线发的发展。它能应用于范围更广的微带天线，并且由于计及了高次模，因此算得的阻抗曲线较准，切计算量不大，比较合适工程设计的需要。但是，基本的空腔模型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。若要考虑贴片和介质基片的损耗，我们在计算谐振频率时要对t做相应的修正；在空腔模型理论中，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。对于这一点，由

39、于微带天线多应用在剖面低的场合，因而空腔模型理论还是可以被广泛采用的。2.2.3 积分方程法积分方程法又称为全波分析方法，它不但可用于分析规则形状的薄微带天线，而且更适用于分析各种厚基片微带天线及微带天线元之间的互耦等问题。它通常先求出在特定的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，在源所在的区域进行积分而得出总场。因为激励源通常是未知的，因而全波分析方法通常要先利用边界条件得出源分布，在解出源的分布后再由积分算式来求出空间总场。积分方程法是以开放空间中的格林函数为基础的，其基本方程是严的。但是，由于严格的格林函数要在谱域中展开，求解积分方程有较大的难度和计算量。因

40、此根据具体问题，在积分方程法中采用了一种简化的处理方法，即不是通过求解积分方程来得出场源(或等效场源)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传输线模型或者多端口网络模型的已有结果来给出等效磁流分布或贴片电流分布，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。这种方法既省却了积分方程的求解，又能获得较精确的包括微带基片效应的结果，只是其应用受到场源分布先验假设条件的限制。积分方程法与腔模理论的基本立足点不同，它讨论的是开放空间。积分方程法是以开放空间中的格林函数为基础的，因此基本方程是严格的，除了少数例外，积分方程通常用矩量法求解。另外，有限元发作为一种数值方法也越

41、来越引人注目，它和分域基函数矩量法一样，不受天线形状的限制；它也和矩量法一样，也应用了变分原理，并且形式更为直接。但是有限元法所涉及的场量、单元和基函数的选择乃至表达式都和矩量法不同。由于它的特殊选择，得到的代数方程矩阵是稀疏矩阵，并且矩阵元素易于计算，这是有限元法的突出优点，但是它只能得到纯数值解，这可以说是一个主要的缺点。软件HFSS运用的是有限元法来分析计算微波工程问题，具体方法将在第三章详细介绍。2.3 本章小结本章主要是对微带天线的基本理论作了介绍，包括微带天线的结构、馈电方式、辐射机理以及微带天线的分析方法几个部分。理解微带天线的结构、馈电方式、辐射机理是设计微带天线的前提，本文对

42、此作了简要介绍。微带天线的理论分析方法包括传输线模型法、空腔模型法、全波分析法等。本章较为详细地介绍了这三种方法的产生背景以及计算原理，说明了每种方法的适用范围，分析了每种方法各自的优点和缺点，并简要的给出了可能的改进方法。总之，本章主要是放在对基本概念的介绍上，没有过多的理论推导，目的是在对基本概念理解的基础之上能够更好的设计符合要求的天线，为后续章节的设计工作做前期的铺垫。严选材料#第3章 HFSS仿真软件的介绍3.1 HFSS仿真软件简介 Ansoft HFSS是Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁场仿真软件，可以对任意的三维模型进行全波分析求

43、解，先进的材料类型，边界条件及求解技术，使其以无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，包括：射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，互连结构、电真空器件，研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低成本，减少周期。3.1.1 HFSS的典型应用天线面天线：贴片天线、喇叭天线、螺旋天线波导：圆形/矩形波导、喇叭、波导缝隙天线线天线：偶极子天线、螺旋线天线天线阵列：有限阵列天线阵、频率选择表面（FSS）雷达散射截面（RCS）微波

44、滤波器：腔体滤波器、微带滤波器、介质滤波器EMC/EMI:屏蔽罩、近场/远场辐射连接器：同轴连接器/底板、过渡波导：波导滤波器、波导谐振器、波导连接器Silicon/GaAs：螺旋电压器、变压器3.1.2 HFSS的特色功能（1）用户可以通过交互式界面输入高频原件或电路的几何结构、材料类型、端口位置、端口特性阻抗定义等参数。（2）可以按照用户指定的精度计算多端口结构端口处的S参数。（3）能以电场强度E和磁场强度H作为物理基本量，从麦克斯韦方程出发，求解微波元件中的电和磁场的分布和各种曲线及图形。（4）可以同时分析多个微波元件，即进行并处理。（5）能够与频域、时域的电路仿真器Nexxim和Ans

45、oft Designer实现动态连接，拥有方便的原理图集成和仿真数据的管理，具备功能强大而高效的电磁场设计流程。3.1.3 HFSS软件的求解原理总体来说，HFSS软件将所要求解的微波问题等效为计算N端口网络的S矩阵，具体步骤如下：(1) 将结构划分为有限元网络（自适应网格剖分）(2) 在每一个激励端口计算与端口有相同截面的传输线所支持的模(3) 假设每次激励一个模式，计算结构内全部电磁场模式(4) 由得到的反射量和传输量计算广义S矩阵在本文中，在微带天线理论的基础上着重关心工程设计，尽量避免了繁琐公式的推导计算，设计的最后结果以HFSS仿真的形式体现，HFSS在本微带天线的设计上发挥了举足轻

46、重的作用。3.2 HFSS仿真软件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。传输线理论和空腔模型理论通常是对具体的问题进行近似假设，其模型简单，使用范围也相应受到限制。而全波分析法理论上虽然具有通用性，但是它通常要先利用边界条件得出源分布的积分方程，解出源分布，再由积分算式来求得总场。而由于实际问题的复杂性，积分方程的求解和场积分的计算一般都要借助数值计算技术来完成，电磁场的数值分析方法就应运而生。全波分析中的数值分析方法主要包括矩量法(MoM)、有限元法(FEM)和时域有限差分法(FDTD)。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

47、为常用，有限元法也运用得较为广泛，HFSS是使用有限元法作为内核的商用电磁仿真软件。3.2.1 有限元数值分析法有限元数值分析方法是指把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域（单元）所构成，其模型给出基本方程的分片（子域）近似解。由于单元（子域）可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。为了在减少计算时间的同时提高计算精度，HFSS采用自适应迭代算法。自适应网格剖分是在误差大的区域内对网格多次迭代细化的求解过程，利用网格剖分结果来计算在求解频率激励下存在结构内部的电磁场。初始网格是基于单频波长进行的粗剖分，然后进行自适应分析，

48、利用粗剖分对象计算的有限元解来估计在问题域中的哪些区域其精确解会有很大的误差（收敛性判断），再对这些区域的四面体网格进行细化（进一步迭代），并产生新的解，重新计算误差，重复迭代过程（求解误差分析（收敛性判断）自适应细化网格）直到满足收敛标准或达到最大迭代步数。如果正在扫频，则对其他频点求解问题不再进一步细化网格。3.2.2 有限元法建模(1)区域离散 在任何有限元分析中，区域离散是第一步，也是最重要的一步，因为区域离散的方式将影响计算机内存的需求、计算时间和数值结果的精确度。Ansoft HFSS软件选用四面体作为基本离散单元。(2)插值函数的选择 在每一个离散单元的结点上的值是我们要求的未知

49、量，在其内部的其它点上的值是依靠结点值对其进行插值。(3)方程组的建立 对Maxwell方程利用变分方法建立误差泛函，由于问题已经离散化为很多子域的组合，因此，我们可以首先在每个单元内建立误差泛函，由于问题已经离散化为很多子域的组合，因此，我们可以首先在每个单元内建立误差泛函对应的小的线性表达式，其次，将其填充到全域矩阵中的相应位置，最后应用边界条件来得到矩阵方程的最终形式。(4)方程组的求解 方程组的求解是有限元分析的最后一步。最终的方程组是下列两种形式之一： (3-1)或 (3-2)求解这两个方程后，即可得到微波问题的解。3.3 HFSS软件仿真流程本次仿真所用软件为Ansoft HFSS

50、 10。典型的HFSS软件仿真流程图如图3-1所示。完整的天线仿真分析基本步骤包括：创建工程求解创建模型定义材料建立边界条件和定源端口数据优化处理设置求解参数导出结果分析图结束图3-1 典型的HFSS软件仿真流程图创建工程及运行环境 基本的包括创建新工程、插入新设计、修改工程和设计名、设置绘图单位和求解类型等。创建模型 通过使用各种绘图命令，建立与实际模型对应的仿真模型结构，并求解空间和边界条件（各种端口激励和辐射边界等）。确定模型设计参数的变量 建立变量来代替模型中的位置和尺寸参数，这有利于调整模型的结构，建立起模型各个参数之间的联系，也是进行后期参数分析、优化的必要前提。求解设置 求解设置包括指定求解的频率，求解的迭代步数和求解结束的条件，另外