典型天线计算实例,序言,介绍利用仿真软件计算天线的基本过程 本讲座将介绍3种类型天线的计算过程 环状天线（磁偶极子）； 对称振子天线（电偶极子）； 贴片天线； 巴伦的结构与设计 巴伦的类型； 巴伦设计启动HFSS,打开HFSS,确认HFSS解算环境,HFSS基本解算环境设置[Tools]/[Options]/[General Options] 设置自动存储 设定默认设计文件、临时文件和库文件的存放位置 设定默认设计文件的类型,保存设计文件,设计文件的保存 在环境设置中设定自動保存機能 [File]/[Save] 以适当的文件名保存文件,选择解算类型,Solution Type設定 [HFSS]/[Solution Type] 选择Driven Modal ３种解算类型 Driven Modal 计算以模式为目的物的S-Parameter Driven Terminal 计算以端口为目的物的S-Parameter Eigenmode 计算谐振频率,环状天线,环状天线的长度约等于一个波长 空气盒壁与天线的最短距离应大于1/4波长 激励端口使用集中参数端口设定基本参数,输入工作频率f0,线宽w，线厚度d和端口阻抗z0。
设置解算模型,画外圆盘 [Draw]/[Cylinder],设置解算模型,画内圆盘 [Draw]/[Cylinder],设置解算模型,用外圆盘减去内圆盘生成圆环； [Ctrl]+[A]选中所有模型 选择[3D Modeler]/[Boolean]/[Subtract] 确认用Clynder1减去Clynder2，点击[OK]确认设置解算模型,在圆环切掉一块构成馈电端口； 用Box构成切掉部分； 选择[Draw]/[Box],设置解算模型,切掉Box1 [Ctrl]+[A]选中全部 选择[3D Modeler]/[Boolean]/[Subtract] 用Clynder1减去Box1，然后点击[OK]设置解算模型,画出馈电端口Port [Draw]/[Rectangle],,设置解算模型,画空气盒 选择[Draw]/[Cylinder],材料設定,圆环材料設定 选择Cylinder1 改变材料属性，从真空改为铜馈电端口設定,Lumped Port設定 选中Rectangle1 选择[HFSS]/[Excitation]/[Assign]/[Lumped Port] 设置端口阻抗,馈电端口設定,设置Integration Line 设置计算电压的积分线； 在Integration Line栏，选择[New Line] 在可以建立电压的两个端部之间画一条直线。
只需选中起点和终点,馈电端口設定,归一化设定 S-parameter的计算值与端口阻抗有关； 如果使用同轴接头，需要对50欧姆归一化设置边界条件,空气盒需要设置为辐射边界 选中空气盒 选择[HFSS]/[Boundaries]/[Assign]/[Radiation] 点击[OK]设置解算条件,设置解算频率 选择[HFSS]/[Analysis Setup]/[Add Solution Setup] 解算频率： 10GHz Maximum Number of Passes： 10 Maximum Delta S： 0.02,扫频设置,设置扫频； 选择[HFSS]/[Analysis Setup]/[Add Sweep] 设置Sweep Type为Fast、Sweep范围为8GHz～12GHz，步长为0.01GHz開始计算,选择[HFSS]/[Analyze],计算结果分析,解算结果分析主要包括： S参数； 驻波比 工作带寛； 输入阻抗 辐射模式； 方向图,解析結果显示 ～S-Parameter～,S-Parameter显示 选择[HFSS]/[Result]/[Create Report] Report Type选择S-Parameter Display Type选择Rectangular Plot 点击[OK]。
Traces选择、 Category选择 S-Parameter Quantity选择S11 Function选择dB 点击[Add Trace] 点击[Done],初步计算结果,S参数,调整圆环半径r0,增加比例系数alfa=1.092,调整后的计算结果,S Parameters,端口阻抗的影响,设置参数扫描，Z0从50～300欧姆，步长50欧姆 添加计算S11,扫频计算结果,从结果看端口阻抗对天线工作带寛和驻波比均有影响解析結果显示 ～方向性～,扫掠方向設定 选择[HFSS]/[Radiation]/[Insert Far Field Setup］/[Infinite Sphere],解析結果显示 ～方向性～,方向性结果显示 选择[HFSS]/[Result]/[Create Report] Report Type选择Far Fields Display Type选择3D Polar Plot 点击[OK] Traces显示选择、 Category选择Directivity Quantity选择DirTotal Function选择dB 点击[Add Trace] 点击[Done],解析結果显示 ～方向性～,,解析結果显示 ～Gain～,显示yz上的Gain 选择[HFSS]/[Result]/[Create Report] Report Type选择Far Fields Display Type选择Radiation Pattern 点击[OK]。
解析結果显示 ～Gain～,Traces显示的选择、 选择[Sweeps] 选择Phi 去掉All Value、选择90deg,显示结果,,解析結果显示 ～Gain～,yz面的Gain Category选择Gain Quantity选择GainPhi（水平偏振）或选择GainTheta（垂直偏振） Function选择dB 点击[Add Trace] 点击[Done],水平极化增益,设置,水平极化增益,,垂直极化增益,设置,垂直偏振增益,,同时显示水平和垂直增益,设置,水平和垂直增益,,对称阵子天线,对称阵子天线的基本尺寸长度为1/2波长 空气盒壁距辐射体距离为1/4波长 激励端口为离散端口基本参数,输入工作频率等基本参数,建立计算模型,画天线 点击[Draw]/[Cylinder],建立计算模型,切断天线 利用Box把天线中间切断 点击[Draw]/[Box],用Cylinder1减去Box1. 按[Ctrl]+[A]全选所有 点击[3D Modeler]/[Boolean]/[Subtract] 用Cylinder1减去Box1,建立计算模型,建立计算模型,建立馈电端口Port 改变平面为[3D Modeler]/[Grid Plane]/[xz] 点击[Draw]/[Rectangle],设定材料属性,选中Cylinder1,设定集中参数端口,选中平面Rectangle1,建立计算模型,建立空气盒 点击[Draw]/[Cylinder],设定边界条件,选中空气盒,设定求解频率,求解频率设置 点击[HFSS]/[Analysis Setup]/[Add Solution Setup] 求解频率： 10GHz Maximum Number of Passes： 10 Maximum Delta S： 0.02,设置扫频,扫频設定 点击[HFSS]/[Analysis Setup]/[Add Sweep] 设定Sweep Type为Fast、Sweep范围为8GHz～12GHz，步长Step设置为0.01GHz,开始求解,点击[HFSS]/[Analyze],计算结果,S参数,输入阻抗Z0的影响,输入阻抗从50~300Ohm，步长50Ohm。
天线方向图,,天线增益,,贴片天线,天线的边长约为1/4波长 基片要大于天线 空气盒设定为上半个空间,几个主要参数,输入工作频率等主要参数：,设置仿真模型,画天线 点击[Draw]/[Box],设置仿真模型,画馈电用微带 点击[Draw]/[Box],设置仿真模型,把贴片和微带和在一起 按[Ctrl]+[A]选中全部； 点击[3D Modeler]/[Boolean]/[Unite],设置仿真模型,画基板を作成 点击[Draw]/[Box],设置仿真模型,画空气盒 点击[Draw]/[Box],設定材料,設定贴片材料 选中Box1,将材料设为Copper,設定材料,設定基板材料 选中基板Box3，将其设定为FR4_epoxy馈电端口设置,Wave Port设置 点击[Edit]/[Select]/[Faces]，选中Rectangle1 点击[HFSS]/[Excitations]/[Assign]/[Wave Port］ 指定端口名为“WavePort1”设置边界条件,选中空气盒除底面以外的5个面 点击[HFSS]/[Boundaries]/[Assign]/[Radiation]将其设置为辐射面。
求解设置,求解频率设置 点击[HFSS]/[Analysis Setup]/[Add Solution Setup] 求解频率： 10GHz Maximum Number of Passes： 10 Maximum Delta S： 0.02,扫频设置,扫频频率设置 点击[HFSS]/[Analysis Setup]/[Add Sweep] Sweep Type为Fast、Sweep范围为8GHz～12GHz，步长Step设为0.01GHz,开始求解,点击[HFSS]/[Analyze],计算结果,S参数,改变介质层厚度,D从0.25~2.50mm间隔0.25mm,方向性,,天线增益,,巴伦的基本类型,在前面介绍的3种天线中除了贴片天线外，前两种天线都是平衡馈电通常，我们的输入输出都是非平衡的因此，中间需要非平衡到平衡的转换电路这就是巴伦（Balun) 巴伦的种类很多，大致可以分成集中参数巴伦和传输线巴伦两大类集中参数巴伦又有LC结构和变压器结构传输线巴伦又可分为同轴传输线巴伦和微带线巴伦两类集中参数巴伦,LC巴伦 这种巴伦本质上是一个电桥被称作“lattice-type ”巴伦它由两个电感和两个电容组成。
这两个回路提供± 90 度的相移 在工作频率,注：此巴伦的工作频率必须低于LC原件自身的谐振频率集中参数巴伦,变压器巴伦 变压器巴伦通常铁氧体环形磁芯制作 现代集成巴伦常使用此结构 为了方便变压器巴伦也可以使用分离的电感构成传输线巴伦,1/4波长同轴线巴伦 一段1/4波长传输线一端屏蔽层接地，另一端不接地，就构成了一个最简单的传输线巴伦这个巴伦的阻抗变比是1:1 传输线巴伦,1/2波长同轴线巴伦 一段1/2波长传输线可以构成一个阻抗变换比为1:4的传输线巴伦传输线巴伦,简单的微带线巴伦 该巴伦的工作带寛可以达到10-20%. 耦合线巴伦,传输线巴伦,Marchand 巴伦 这种巴伦是1944年Marchand发明的最初的结构是同轴结构这种巴伦具有低阻抗变比和较宽工作带寛的特点传输线巴伦,宽带巴伦 这种巴伦的工作频率范围可以达到几个倍频程Marchand 巴伦计算实例,Marchand 巴伦计算结果,,车载天线分析,基板图形,车载天线分析,这是一个变形的对称阵子天线（电偶极子）采用1/2波长传输线巴伦巴伦,仿真计算结果,此天线的工作频率约为：658MHz； 与要求的工作频率315MHz相差2倍多。
改进此天线的几点想法,这是一个要求很低的点频天线发送和接受天线之间的距离非常近（只有1～2米）所以考虑使用最简单的天线结构 主要考虑如何减小体积、降低造价对圆环和对称阵子结构主要考虑折叠或螺旋来减小体积贴片天线则主要考虑采用高介电常数介质基片来减小体积由于高介电常数介质材料的价格比较贵圆环折叠后的体积相对。