基于HFSS 的微带天线建模仿真研究

宋庆武

摘要：微带天线由于具有很多优点而被广泛应用到很多领域。可是由于微带天线产生的表面波会向周围空间辐射电磁波，首先降低了天线的辐射效率，而且还会使天线方向图恶化，在应用中容易受到干扰。该文对于普通微带天线的性能进行了分析，并研究了HFSS仿真软件在微带天线建模研究中的应用。

关键词：微带天线；增益；方向性；HFSS

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）26-0199-03

Research of Microstrip Antenn Modeling Based HFSS

SONG Qing-wu

（Hulunbeier Meterological Administration， Hulunbeier 021008， China）

Abstract： Microstrip antenn as have many advantages and is widely applied to many areas. However， microstrip antenna surface wave electromagnetic radiation to the surrounding space， first of all to reduce the radiation efficiency of the antenna， but also to make the antenna pattern deterioration， susceptible to interference in the application.This article analysis ordinary microstrip antenna's performance and discusses the application of the HFSS simulation software in microstrip antenn modeling.

Key words： microstrip antenna； antenna gain； directional； HFSS

1 微带天线简介

1.1 微带天线的优点

伴随着日益迅速的社会信息化发展，对于在无线通信中发射和接受信号的关键设备天线的研究也越来越显得重要。而与普通天线相比，微带天线正是因为有了如下优点才被应用的日益广泛。

重量轻、体积小、贴片薄，方便和天线载体共形，而且除了需要在馈电点位置引出线孔之外，并不会破坏天线的形状和结构，在这些方面对于对体积、形态有严格要求以及精度要求极高的领域特别有利。

电性能多样化。对微带天线的设计不同，可以灵活的调整其最大辐射方向和变化范围，可以实现不同形式的极化。

易于实现模块化，可以与电路以及有源器件集成到一块电路中，方便整体电路的制作和具体调试。因此方便大规模生产，大大降低了生产成本。

微带天线可以与其他如开关、放大器等其他器件共同直接设计在天线基片上，方便天线的组合设计和制作。

1.2 微带天线的缺点

微带天线在受到广泛应用的同时期本身具有的缺陷却制约了天线的进一步应用。其缺点主要有以下几点：

1）天线的功率损耗比较大，特别是在行波形式传输的微带天线中，在负载上将产生大量损耗，导致天线效率降低。

2）由于天线本身尺寸较小，所以单个微带天线一般功率容量较小，通常只使用于功率需求较小的场合。

3）频谱范围较窄，需要寻找改进办法。

4）天线性能受基片材料介电系数影响大。

5）微带天线存在表面波，影响天线性能。

6）多数微带天线辐射方向不能自由控制，天线增益会受到限制。

2 微带天线的辐射机理

微带天线的辐射可以是由微带天线导体贴片边沿与接地板边沿之间的场分布作用所产生，也就是说天线的辐射可以由天线贴片上的表面分布电流来进行描述。由于这种描述是建立在微带贴片和接地板形成电磁场基础上，在这种情况下的天线辐射对天线品质因数的影响能看成是工作频率、介电系数以及基片厚度等函数变化。理论和实验结果表明，在电磁波频率很高时，电磁辐射的所占损耗远远大于导体和介质产生的损耗，而且在基片较厚介电常数较低时，开路微带线的辐射较强。

由于对于天线贴片场分布的计算比较复杂，下面以矩形微带天线为例可以简单理解其辐射原理。假设天线贴片辐射元长为L一般取贴片长度Lλ/2，宽为W，介质基片厚度为h。假使接地板与天线贴片之间基板的电场沿其厚度h和宽度W方向没有变化，只是在L长度方向变化。此时微带贴片天线可以看成长L宽W的有限微带传输线，因为其一W端处于开路状态，所以存在电压波腹点，又由于Lλ/2所以贴片另一端W处也是电压波腹点。且两开路端垂直电场分量相互抵消而在水平方向的值相同，能够等效成在无限大的平面上相同激励的两缝隙，缝隙电场方向与长L向垂直，沿宽W分布，缝隙宽为lh，长为W，两缝隙之间相隔lλ/2，也就是微带天线的电磁波能量辐射可以看成由两个同相缝隙所形成的阵列。

3 微带天线馈电方式

微带天线的馈电方式有很多，不同的馈电方式和馈电位置对辐射特性的影响的是不同的。由于大多数微带天线在介质基片上的一面是接地的，只有在基片另一面存在天线辐射单元，所以基于本文使用和所学知识有限，下面只介绍两种天线馈电方式：微带馈电和同轴线馈电。

用微带线馈电时由于馈线与微带贴片在一个平面，方便整体光刻，制作简单，成本较低。但是馈电线自身也产生辐射会干扰微带天线的方向性，降低天线增益，所以常需要微带天线宽度较小要求W，为电磁波传输波长。

对于阻抗匹配可以通过适当的改变馈电点实现，当场只沿贴片宽度方向变化时，只需要沿宽度方向变化馈电点的位置就可以改变输入阻抗从而容易的实现匹配。

作为微带天线最常用的馈电方式之一，同轴馈电方式的优点是：为了避免对天线辐射的影响，可以在天线贴片内任意位置取为馈电点，方便天线匹配。而其缺点则是其结构相对复杂，不方便集成到电路中，另外对于同轴馈电位置的寻找并不容易。

4 Ansoft HFSS功能简介

Ansoft HFSS软件是美国Ansoft公司研发的全波三维电磁仿真软件；是世界上第一款同类功能软件，该软件的分析方法采用有限元法，计算结果精确，是公认的电磁场设计与分析电子设计工业标准。HFSS采用了图形用户界面，简洁直观，拥有自动化的设计流程，精确稳定的自适应场解器计算结果准确。对于微带天线，它能够计算出天线参量很多，包括增益、方向性、远场3D图以及3dB带宽等等很多。

Ansoft HFSS软件是一个分析电磁结构的工具。在分析计算电磁结构性能时还具有强大的后处理功能。应用Ansoft HFSS软件可以分析并显示：

1）基本电磁场得解和其边界问题，还有场的辐射问题。

2）天线辐射能量的增益方向图和各种天线参数。

3）S参数曲线。

4）端口特征阻抗和传输常数。

当在软件仿真时设计出特定结构，确定各个物体的介质参数，设定其表面参数，系统就会计算出特定的场解。Ansoft HFSS软件允许在用户建立一个问题时可以指定在一个频率范围内的一个或者多个频率点。

5 微带天线的建模仿真

Ansoft HFSS软件提供的三维模型设计界面方便使用，视角直观。建立一个工程集体有下面几个步骤：

运行并建立工程

启动HFSS软件，运行后会自动新建一个工程文件。可以通过文件管理将其

重新命名。

设置求解类型

从主菜单【HFSS】→【Solution Type】，其中有三种解算类型，选择第一种Driven Modal（模式驱动）根据波导模式入射与反射功率表示S参数。

创建结构模型

在创建模型之前设置好相关选项。由【Modeler】→【Units】将Select units

项选择毫米（mm）。之后首先创建参考地平面9mm90mm命名为，对其分配理想导体边界条件，即在HFSS→Boundaries Assign中选择理想电边界Perfect E表示电场垂直于表面。其次，创建介质板基片，创建一个长宽高为80mm80mm5mm的长方体作为介质板，确定其材料为Rogers R04003，命名为Substrate。然后创建微带贴片，在介质板上表面创建平面为微带贴片，其尺寸为长宽为34mm24mm，将其命名为Patch，同对参考地面一样对其分配理想导体边界条件。进一步是建立同轴馈电内芯，在介质板内创建一个圆柱体，材质为理想导体PEC，这里被赋值为PEC的物体表面将被自动设置为Perfect E边界，其底面圆心距离贴片中心为沿X轴9.5mm即（9.5mm，0，0），半径为0.5mm，高5mm如下图所示。

然后需要建立信号传输端口面。需要在参考地GND面开一个允许能量传输的圆孔，圆心同样为（9.5mm，0，0）半径为1.5mm，并将其命名为Port。将GND与其相减并保留圆面本身。最后是创建辐射边界表面，首先建立长方体其长×宽×高为160mm×160mm×75mm，其顶点坐标为（-80，-80，-35），并确认其为真空（vacuum）将其命名为Air，对Air四周设置为辐射边界也称为吸收边界用其来模拟开放的表面，即在右键弹出菜单中选择【Assign Boundary】→【Radiation】直接对弹出窗口点击OK按钮。至此微带贴片天线的模型就创建完成了。具体如图所示：

天线整体结构设计完成之后将对其进行激励端口设置，将同轴线信号端口面即圆面Port的激励方式设置为集总端口激励。主要步骤就是选中面Port右键菜单中选【Assign Excitation】→【Lumped Port】设置集总端口积分校准线，并且将端口阻抗设置成50欧姆。

最后是仿真运行结果之前的分析求解设置。本次设计的微带贴片天线的中心工作频率在4GHz，扫描范围为1.5 GHz到5 GHz，选择Lineaar Count模式。

通过前面的操作已经完成了模型创建和求解设置等有关步骤，接下来就可以运行仿真计算，先对设计进行检查，显示无误后进行数据分析。HFSS具有功能强大且十分灵活的数据管理和绘图能力，可以输出参考天线的谐振特性图以及天线的方向图等多种图形。在仿真计算完成后我们就可以对输出参数进行设置，首先我们需要其输出S参数，通过简单设置系统会将其S参数曲线结果输出，其特性图如图6。

为了更近一步认识微带天线的具体特性，我们对于一种常见的微带天线进行仿真建立模型分析。应用HFSS仿真软件建立如图所示的天线：

上图所建立天线模型具体尺寸为：90×90的接地板上的介质板尺寸为80×80×5，其相对介电系数为3.55，微带贴片大小为31×41.4，用同轴馈电方式建立内芯，并设置好激励端口。最后对其数据分析。得其S参数曲线及方向图如下：

x可以看出以上建立的天线其S参数最小时的频率为2.35G，S最小值为-14.8dB。

6 结束语

微带天线在当今诸多领域都发挥着重要作用。HFSS软件具有强大的天线设计功能，只需要用户创建或者导入设计模型，确定模型材料的各个具体属性，正确确定模型的边界条件及激励，软件就可以计算出用户需要的各种设计结果。对于科学研究和实际工作都是十分重要的帮助。

参考文献：

[1] Shum K M， Xue Q， Chi Hou Chan. Novel microstrip ring hybrid incorporating a PBG cell[J]. IEEE Microwave Wireless Compo. Lett.， 2001， 6： 258-260.

[2] 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.

[3] 张钧， 刘克诚， 张贤铎，等. 微带天线理论与工程[M]. 北京： 国家工业出版社， 1988.

[4] 陈慰， 赵娜， 陶学敏. 微带线不连续性补偿方法的 HFSS 仿真分析[J]. 现代电子技术， 2011， 34（13）： 92-94.

[5] 李艳茹， 王刚. 一种新型套筒天线宽频特性的 HFSS 仿真分析[J]. 计算机仿真， 2009， 26（7）.