项目七用HFSS仿真波导缝隙天线课件

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1、项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 项目七用项目七用HFSS仿真波导缝隙天线仿真波导缝隙天线 7.1 缝隙天线缝隙天线7.2 微带天线微带天线项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 7.1 缝隙天线缝隙天线7.1.1理想缝隙天线理想缝隙天线常见缝隙天线就是在波导壁上开有缝隙，以用来辐射或接收电磁波的天线。在研究实际的缝隙天线之前，先讨论在无限大和无限薄的理想导电平板上的缝隙理想缝隙天线。理想缝隙天线的横向尺寸远小于波长，纵向尺寸通常为/2。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 设yOz为无限大和无限薄的理想导电平板，在此面上沿z轴开一个长为2l、宽为W（W）的缝隙。根据电磁场在金属表面的分布特点，只可能

2、存在平行于金属表面的磁场和垂直于金属表面的电场。所以缝隙中的场可近似地认为是由金属表面的磁场感应出来的，是垂直于缝隙的长边的电场，如果不忽略短边处的边界条件限制，其分布可挖为如图71(a)所示。这个电场可以向外辐射电磁波，具有天线的功能，所以叫缝隙天线。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 根据项目三对线天线的分析得知，电基本振子可以产生变化的磁场，进而产生电磁波。因此理想缝隙中的电场可以认为是某个磁对称振子（类比于电流，相当于磁流）产生的，这样一来，对缝隙天线的分析，可转化为对磁对称振子的分析。如图71(b)所示。仔细研究自由空间里的麦克斯韦方程组，可将其分成以下两组 (71) (72) 项目

3、七用HFSS仿真波导缝隙天线 图71项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 我们发现上述四个方程具有对偶性，即将E和H互换，和互换，方程的表达形式不变。所以求解磁对称振子产生的电磁场，其结果和电对称振子的结果类似，只是将原来的电场变为磁场，原来的磁场变为电场，当然还有些符号的变动。具体可参阅参考书目。根据前面的介绍，长度为2l的对称振子的辐射场为 (73) 其方向性函数为 (74) 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 由于理想缝隙天线与板状对称振子具有对偶性。因此，根据对偶原理，理想缝隙天线的方向性函数与同长度的对称振子的方向性函数在E面和H面是相互交换的，如图72所示。 图72项目七用HFSS仿真波

4、导缝隙天线 由于利用了对偶关系，此式假设了缝上电压（或切向电场）沿缝隙轴线也是按正弦分布的。对比理想缝隙与对称振子的场可以看出：（1）二者的方向相同，方向性函数都是 (75) 与对称振子一样，常用的缝隙天线是半波缝隙，即l=/4，将其代入式(75)得 (76) 在包含缝隙轴线的平面内，方向图是“8”字形；在垂直于缝隙轴线的平面内，方向图是圆形。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 （2）二者的主平面互换了位置，包含缝隙轴线的平面是H面，而垂直于缝隙轴线的平面是E面。因此，垂直缝隙（缝隙轴线在垂直方向）是水平极化的，水平缝隙是垂直极化的。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 7.1.2波导缝隙天线波

5、导缝隙天线在波导壁的适当位置和方向上开的缝隙也可以有效地辐射和接收无线电波，这种开在波导上的缝隙称为波导缝隙天线。 常见的波导缝隙天线是由开在矩形波导壁上的缝隙构成的。波导缝隙要成为有效的天线必须选择适当的位置和方向。波导上的缝隙是不需要另外的馈线的，它辐射的能量来自波导内的电磁波。设矩形波导传输TE10波，其内壁的电流如图73所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 如果波导壁上所开缝隙能切割波导内壁的表面电流线，则波导内壁电流的一部分将以位移电流的形式通过缝隙，因而缝隙被激励，并将波导内的功率通过缝隙向空间辐射电磁波，如图73中的缝1，这种缝隙称为辐射缝隙。当缝隙轴向方向与电流线平行时，不

6、能在缝隙区建立切向电场，因此缝隙未被激励，不能向外辐射功率，这种缝隙称为非辐射缝隙，如图73中的缝2。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图73项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 实验证明，沿波导缝隙的电场分布与理想缝隙的几乎一样，近似为正弦分布，但由于波导缝隙是开在有限大的波导壁上的，辐射受没有开缝的其他三面波导壁的影响，因此是单向辐射。单缝隙天线的方向性是比较弱的，为了提高天线的方向性，可在波导的一个壁上开多个缝隙组成天线阵。这种天线阵的馈电比较方便，其天线和馈线集于一体。适当改变缝隙的位置和取向就可以改变缝隙的激励强度，以获得所需要的方向性。其缺点是频带比较窄。 项目七用HFSS仿真波导缝

7、隙天线 为了增加缝隙天线的方向性，可在波导的同一壁上按一定规律开多条尺寸相同的缝隙，构成波导缝隙天线阵。根据波导内传输波的形式又可将缝隙阵天线分为谐振式缝隙天线阵和非谐振式缝隙天线阵。谐振式缝隙天线阵波导终端通常接短路活塞，波导内传输波的形式是驻波；非谐振式缝隙天线阵波导终端通常接匹配负载，波导内传输波的形式是行波。缝隙天线阵元的形式是多种多样的，这是由于波导场分布的特点，使单个缝隙天线（阵元）的位置比较灵活，甚至只要附加适当的激励元件（如插入波导内部的螺钉式金属杆），就可使在不能辐射电磁波位置上的缝隙也变成辐射元。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 7.1.3用用HFSS仿真计算波导缝隙天线

8、仿真计算波导缝隙天线任务要求：仿真波导缝隙天线的特性参数。测试设备：计算机、HFSS软件。设计步骤1.初始步骤初始步骤(1)打开软件AnsoftHFSS。点击Start按钮，选择Program，然后选择Ansoft/HFSS11，点击HFSS11。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 （2）新建一个项目。在窗口中，点击新建按钮，或者选择菜单项File/New。在Project菜单中，选择InsertHFSSDesign。（3）设置求解类型。点击菜单项HFSS/SolutionType，在跳出窗口中选择DrivenModal，再点击OK按钮，如图74所示。（4）为建立模型设置适合的单位，如图75所

9、示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图74项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图75 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 2.创建创建3D模型模型(1)绘制波导。选择菜单项Draw/box，绘制一个长方体；设置长方体基坐标，X：11.43，Y：0.0，Z：0.0，按下确认键；再输入dX：22.86，dY：29.8125，dZ：10.16，按下确认键。定义长方体的属性：Name为waveguide，Transport项为0.8，如图76所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图76 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 （2）绘制缝隙。如图77所示，由主菜单选择Modeler/Coordinate

10、System/Create/RelativeCS/Offset，设置相对坐标系，以便于绘制缝隙。 图77 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 在坐标输入栏中输入坐标：X：0.0，Y：9.9375，Z：10.16。选择菜单项Draw/box，绘制一个长方体：设置长方体基坐标，X：0.5，Y：-7.0，Z：0.0，按下确认键；再输入dX：1.0，dY：14.0，dZ：1.0，按下确认键。再定义长方体的Name为slot。选择菜单项Draw/cylinder，绘制一个圆柱体cylinder1：在坐标输入栏输入圆柱体中心点坐标，X：0.0，Y：-7.0，Z：0.0，按下确认键；再输入dX：0.5，dY：

11、0.0，dZ：0.0，按下确认键； 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 再输入dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0，按下确认键。同理，再绘制一个圆柱体cylinder2，尺寸坐标依次输入为：X：0.0，Y：7.0，Z：0.0；dX：0.5，dY：0.0，dZ：0.0；dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0。在操作历史树中利用Ctrl键选择slot、cylinder1、cylinder2，在菜单栏中点击Modeler/Boolean/Unite，结果如图78所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图78 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图79 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图710

12、项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 (3)绘制空气盒。软件在计算辐射特性时，是在模拟实际的自由空间的情形。类似于将天线放入一个矩形微波暗室。一个在暗室中的天线辐射出去的能量理论上不应该反射回来。在模型中的空气盒子就相当于暗室，它吸收天线辐射出的能量，同时可以提供计算远场的数据。空气盒子的设置一般来说有两个关键：一是形状，二是大小。形状就像微波暗室一样，要求反射尽可能得低，那么就要求空气盒子的表面应该与模型表面平行，这样能保证从天线发出的波尽可能垂直入射到空气盒子内表面，确切地说，是要使大部分波辐射到空气盒子的内表面入射角要小，尽可能少地防止反射的发生。空气盒子大小，理论上来说，空气盒子越大越接近

13、理想自由空间；极限来说，如果盒子无限大，那么模型就处在一个理想自由空间中。但是硬件条件不允许盒子太大，越大计算量越大。一般要求空气盒子离开最近的辐射面距离不小于1/4波长。所要设计的天线中心频率为10GHz，对应波长为0.03m，故所设置空气盒的尺寸坐标如图711所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图711 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图712 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 3.设置边界条件和激励源设置边界条件和激励源(1)将air设置成辐射边界条件。在操作历史树中选中air，单击鼠标右键，进入AssignBoundary选项，点击Raditation选项。此时HFSS系统提示

14、为此边界命名，取名为air，如图713所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图713 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图714 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 (2)将缝隙开口处设置为理想磁壁。通过selectbyname选中缝隙slot的上表面，进入AssignBoundary选项，点击PerfectH。将没有设置的面默认为理想导体面。(3)给波导一端开口处设置波端口，另一端不设置默认为理想导体面（即短路面）。设置积分线时，输入坐标如下：X：0.0，Y：29.8125，Z：0.0dX：0，dY：0.0，dZ：10.16设置好后如图715所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图71

15、5 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图716 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 4.设置求解条件设置求解条件在Project工作区选中Analysis项，点击鼠标右键，选择AddSolutionSetup。这时系统会弹出求解设置对话框，我们把参数设为：点频为10GHz，最大迭代次数为15，最大误差为0.02，如图717所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图717 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 将求解的条件设好后，我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击ValidationCheck（或直接点击 图标）。再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键

16、，选中Analyze即可开始求解。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 5.优化求解优化求解(1)首先我们定义几个优化变量及其范围。在菜单栏中点击Project/ProjectVariables，在ProjectVariables标签中选择Value，点击Add添加工程变量$L，将其值设为13.5mm；继续添加工程变量$offset，将其值设为2mm。（2）在操作历史树中将原有尺寸设置成已定义的工程变量值。在操作历史树中展开slot，双击CreateBox，在弹出的对话窗口中将原尺寸改为如图718所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图718 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 展开slot中

17、的Unite，双击cylinder1的CreateCylinder，在弹出来的对话窗口中将CenterPosition原尺寸X：0.0，Y：-7.0，Z：0.0改为：X：0.0，Y：-$L/2，Z：0.0。同样地，展开slot中的Unite，双击cylinder2的CreateCylinder，在弹出来的对话窗口中将CenterPosition原尺寸X：0.0，Y：7.0，Z：0.0改为：X：0.0，Y：$L/2，Z：0.0。再在操作历史树中双击slot下的Move，将MoveVector坐标修改为：$offset，0mm，0mm。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 （3）设置优化函数。在菜单

18、栏中点击Project/ProjectVariables，在ProjectVariables标签中选择Optimization，选中待优化变量$L，将优化变量的范围分别设置为13mm，15mm，如图719所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图719 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 在菜单栏中点击HFSS/Results/OutputVariables，添加输出变量cost。首先点击Function，插入abs。点击Report下拉菜单，选择ModelSolutionData，Solution中选择Setup1：LastAdaptive，然后进行如图720的设置。 项目七用HFSS仿真波

19、导缝隙天线 图720 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 选择Project工作区的Optimetrics，点击鼠标右键，选择Add项进而选择Optimization项，如图721所示。 图721 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 此时HFSS系统会弹出Optimization设置对话框，点击SetupCalculation按钮，跳出如图722所示的对话框。 图722 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 如图723所示，在跳出的对话框点击OutputVariables，选中cost添加为CalculationExpression，再设置优化目标、Weight（权值）、Acceptable(可接受误

20、差)等，让软件通过仿真自动找到接近设计目标的最佳尺寸。设置好后如图724所示。设置完后，在Project工作区选择OptimizationSetup1，点击鼠标右键选择Analyze求解。(4)优化结果。经过优化，结果为：在$offset=2mm时，谐振长度$L=13.69mm。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图723 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图724 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 6.波导缝隙天线的波导缝隙天线的HFSS仿真结果仿真结果（1）经过优化后选择offset=2mm，谐振长度$L=13.69mm，选择菜单项HFSS/Radiation/InsertFarField

21、/Setup/InfiniteSphere，在跳出窗口中，为了看天线的3D增益方向图，选择InfiniteSphere标签，设置如下：Phi：（Start：0，Stop：360，StepSize：2）Theta：（Start：0，Stop：180，StepSize：2）设置如图725所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 (2)选择菜单项HFSS/Results/CreateFarFieldReport/3DPolarPlot，在跳出窗口中设置：Solution：Setup1LastAadptiveGeometry：InfiniteSphere1点击确定键后，该天线3D增益方向图如图726所

22、示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图725 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图726 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 (3)选择菜单项HFSS/Radiation/InsertFarField/Setup/InfiniteSphere,在跳出窗口中，为了看天线的2D增益方向图，选择InfinteSphere标签，设置如图727所示。(4)选择菜单项HFSS/Results/CreateFarFieldsReport/RadiationPattern，在跳出窗口中设置Solution：Setup1LastAadptive；Geometry：InfiniteSphere2，如图728所示

23、。在Families标签中将Phi设为0deg得到E面增益方向图。同样地，在Families标签中将Phi设为0deg得到H面增益方向图，最后该天线2D增益方向图如图729所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图727项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图728项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图729 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 7.2微带天线微带天线7.2.1微带天线的结构微带天线的结构微带天线是一种新型天线，其理论分析日趋成熟，应用范围也日趋广泛。各种形状的微带天线已在移动通信、卫星通信、导弹雷达及遥测技术等领域得到广泛应用。近年来微带天线越来越受到人们的重视，因为它具有很多其他

24、天线所没有的特点：可方便地实现线极化或圆极化以及双频率工作；体积小，重量轻，价格低，尤其具有很小的剖面高度，易于附着于任何金属物体表面，最适用于某些高速运行的物体，如飞机，火箭，导弹等；容易和有源器件、微波电路集成为统一的组件，因而适合大规模生产。在现代通信中，微带天线广泛地应用于100MHz50GHz的频率范围。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（称为介质基片）和覆盖在它的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板的一面称为接地板，而尺寸可以和波长相比拟的另一面称为辐射元。微带天线的馈电方式分为两种。一种是用微带传输线馈电的，又称侧面馈电，就是馈电网络与

25、辐射元刻制在同一表面，如图730所示，其中左图为截面图，右图为俯视图。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图730 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 另一种是用同轴线馈电的，主要是以同轴线的外导体直接与接地板相接，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接的。适当选择馈入点，可使天线与馈线匹配。这种馈电方式又称底馈，如图731所示，其中左图为截面图，右图为俯视图。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图731 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 7.2.2微带天线的辐射原理微带天线的辐射原理我们以矩形微带天线为例，介绍它的辐射原理。设辐射元的长为l，宽为w，介质基片的厚度为h，现将辐射元、介质基片和接

26、地板视为一段长度为l的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，如图732所示。由于基片厚度h，场沿h方向均匀分布，在最简单的情况下，场在宽度w方向也没有变化，而仅在长度方向有变化，其场分布如图733所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图732 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图733 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 矩形微带天线的辐射场可以基本上认为是由辐射片两端开路（始端与终端）上边缘场产生的。在两个开路端的电场均可以分解为相对于接地板垂直的法向分量和相对于接地板平行的切向分量，两端口处的垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向上，两个水平分量的电场所激发的远区

27、场同相叠加，而两个垂直分量所产生的场反相抵消。因此，两个开路端的水平分量可以等效为无限大的平面上同相激励的两个缝隙，如图734所示。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 图734 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 缝隙的电场方向与长边w垂直，并沿长边均匀分布。缝的宽度lh，长度为w，两缝间距l/2。这就是说，矩形微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵。其方向特性等参数可以根据天线阵的知识讨论得到。进一步的分析可以得到，微带天线的方向系数较低。除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、功率容量小等。尽管如此，由于微带制作的天线阵一致性很好，且易于集成，故很多场合中将其设计成微带天线阵，而得到了广泛的应用。 项目七用HFSS仿真波导缝隙天线 目前微带天线已广泛应用于军事及民用领域，例如在各种雷达、通信、遥感等设备，特别是在各种空间飞行器上获得了广泛的应用。微带天线的发展历史较短，有许多问题尚待解决。特别突出的有两个问题：一个是在实验基础上研究建立起微带天线完整的理论和分析方法；另一个是如何展宽微带天线的频带，提高效率。随着这两个问题的解决，微带天线的应用将更加广泛。