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1、 目 录引言I1 绪论31.1 HFSS简介31.1.1 HFSS发展历程31.1.2HFSS仿真原理31.1.3HFSS的仿真过程31.1.4HFSS的功能31.2应用领域31.3HFSS的基本操作31.3.1HFSS的一般仿真操作31.3.2HFSS的一般操作界面32 微带天线理论32.1微带天线32.1.1传输线即微带天线32.1.2微带贴片天线32.2圆形微带贴片天线理论32.3极化理论32.3.1圆极化理论简述32.3.2左旋圆极化与右旋圆极化33 贴片天线的仿真过程33.1实验内容33.2HFSS贴片天线仿真33.2.1创建工程33.2.2创建模型33.3设置参量33.3.1设置变
2、量33.3.2设置模型材料参数33.3.3设置边界条件和激励源33.3.4设置求解条件33.4创建参数分析并求解33.4.1添加参数设置33.4.2定义输出变量33.4.3求解33.5优化求解33.5.1选择优化变量33.5.2设置远区辐射场33.5.3添加优化设置33.5.4求解优化分析34 结果演示与分析34.1贴片天线的仿真结果34.1.1贴片天线的仿真结果34.1.2贴片天线的仿真结果分析3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vfjdkla
3、fnlfefjdalfn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（High Fequency Structure Simulator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
4、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软件的前身是美国著名的安捷伦公司设计的高频结构仿真软件（Agilent HFSS）。2003年美国Ansoft公司收购了Agilent HFSS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
5、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。1.1.2HFSS仿真原理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
6、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。1.1.3HFSS的仿真过程HFSS的一般仿真过程！如图1.1所示：图1.1 HFSS仿真过程1.1.4HFSS的功能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
7、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RF PCB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1.3.1HFSS的一般仿真操作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
8、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。1.3.2HFSS的一般操作界面（1）菜单栏，如图1.2所示：图1.2 HFSS仿真环境的菜单栏（2）工程树，如图1.3所示：图1.3 HFSS仿真环境的工程树（3）绘图历史树，如图1.4所示：图1.4 HFSS仿真环境的绘图历史树（4）信息管理栏，如图1.5所示：图1.5 HFSS仿真环境的信息管理栏（5）3D仿真模块，如图1
9、.6所示：图1.6 HFSS仿真环境中的3D仿真模块2微带天线理论2.1微带天线2.1.1传输线即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
10、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
11、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
12、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。2.1.2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
13、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
14、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。2.3.1圆极化理论简述 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。2.3.2左旋圆极化与右旋圆极化 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
