一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文-.doc

摘要超宽带天线广泛应用于如电视、调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等领域中。尤其是近年来兴起的超宽带无线通信技术，使此类天线成为当今通信领域的研究焦点。本文设计并研究了两种类型的超宽带天线，一种是带两个对称臂的矩形平面单极子天线，另一种是弯折结构的平面单极子天线。所研究的第一种天线实现了在工作频率范围内回波损耗都在-10dB以下，基本满足了超宽带通信的要求，天线的工作频带是2.7-9GHz。回波损耗与频率的关系曲线产生两个低峰值，特别适合于双频带通信使用。文中研究了通过改变切口尺寸、介质损耗对低峰值频率位置的影响关系，还讨论了端口大小对仿真准确度的影响，得到系列结论。所研究的第二种天线实现了真正意义上超宽带天线，天线结构简单，易于构建，小尺寸、低剖面，能够在回波损耗小于-10dB条件下有效地工作在2.89.5GHz的频率范围。天线采用热转印法自制了实验模型，并通过矢量网络分析仪测量了回波损耗与频率的关系曲线，测量结果与仿真结构基本吻合。两种天线的研究还包含了增益和方向图等，从而对天线性能进行了全面分析。关键词:超宽带天线；单极子天线；有限元法；电磁仿真；热转印法AbstractUWB antenna is widely used in television, FM radio, telemetry, aerospace and satellite communications fields. In particular, with the rise of ultra-wideband wireless communications technology in recent years, making such antennas become the focus of communication research field. This paper studies two types of ultra-wideband antenna, one is a symmetric planar monopole antenna with two symmetrical rectangular incision, the other is bent planar monopole antenna structure. The first designed antenna can satisfy the demand of UWB communication that the Return Loss of the antenna in the scope of working frequency, which is between 2.7-9GHz, is below -10dB. Return loss vs. frequency curves generated two low peaks, which is particularly suitable for dual-band communications. A study of the incision by changing the size of the low dielectric loss peak frequency position of the relationship between port size also discussed the impact on simulation accuracy, get series conclusion. The study of the second antenna to achieve a truly ultra-wideband antenna, the antenna structure is simple, easy to build, small size, low profile, can be less than-10dB return loss under the conditions of effective work in the 2.8 9.5GHz frequency range. Antenna made by heat transfer method of the experimental model, and vector network analyzer by measuring the return loss versus frequency curve, the measurement results and simulation of structure of the basic agreement. thermal transfer printing technologyThe study also includes two antenna gain and pattern, etc., and thus a comprehensive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录第一章 绪论11.1引言11.1.1天线的地位11.1.2无线通信与天线的关系21.1.3研究现状31.2本文研究的主要内容41.3 主要章节安排4第2章 超宽带天线的基础理论42.1 超宽带天线的基本概念42.2超宽带天线的特点52.3超宽带天线的主要参数62.3.1天线的输入阻抗62.3.2驻波比62.3.3方向图7第3章 基于有限元法的电磁场计算方法73.1有限元法原理介绍73.2有限元法的主要求解过程83.3有限元数值计算方法的主要特点93.4 基于有限元法的电磁仿真技术-HFSS9第4章 一种超宽带单极子天线的设计和研究114.1天线的设计114.1.1天线的形状114.2仿真模型的构建134.3模型的仿真与运行204.3.1模型仿真过程204.3.2运行结果2244仿真结果的分析比较244.4.1介质板的损耗正切对天线性能的影响244.4.2波导端口尺寸对天线性能的影响24第5章 新型超宽带单极子天线的创新研究255.1仿真模型的构建255.2模型的仿真与运行265.2.1模型仿真过程265.2.2运行结果265.2.3结果分析28第6章 天线数据的测量286.1天线实物模型制作过程286.2天线模型的S11测量296.2.1矢量网络分析仪的简介296.2.2矢量分析仪的使用296.3 测试结果分析30第7章 总结与展望33参考文献35第一章 绪论1.1引言1.1.1天线的地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等1。随着科学技术的飞速发展，人们的生活日益现代化，有限的频率资源越来越紧张，人们对无线通信的容量及传输速率提出了更高的要求。无论是军事通信还是民用通信系统，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求设备宽带化、小型化、共用化2。天线作为辐射和接收电磁波的部件，是无线系统中重要的组成部分。天线性能的优劣直接决定无线通信系统通信质量的好坏。没有天线，就不可能建立起任何无线电系统，因此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为学科领域中一个重要的研究分支。在军事领域中，为了实现保密通信，消除干扰，多频段、多功能电台和宽带调频电台将广泛应用。调频速率越来越高，调频范围越来越广，原有的窄带天线已无法满足要求。另外，狭小的空间内密布多副天线，相互之间的干扰较为严重，影响通信质量。为了解决上述矛盾，有效的解决办法就是研制高性能、宽频带、小型化天线，以减少载体上天线的数目。在民用通信系统中，无线通信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤为重要。其信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此相适应，通信设备日趋宽带化，台站设施也由最初的点对点、一点对多点发展到移动和全球漫游。而天线作为移动通信系统的发射和接收部件，其宽带化的研究显然有重要的现实意义1.1.2无线通信与天线的关系随着无线电通信技术的发展，天线在各个领域得到了广泛的应用。主要使用场合有:无线通讯技术，包括手机、蓝牙(B1ueTooth)、无线局域网等终端；小型化卫星通讯；多普勒及其它制式雷达；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；生物医学辐射器等。就天线的实际应用需求而言，宽频带和小型化是天线目前最主要的几个研究方向。最近几十年，随着无线通信技术的迅猛发展，对天线技术提出了越来越高的要求。由于普通结构的天线频带宽度十分狭窄，因此近年来发展了多种技术来提高天线带宽，包括对天线的加载技术、分形技术、多谐振技术、有源天线技术等。在对天线进行设计时,既要实现天线的宽带化，又要限制天线的尺寸大小,而且还要满足天线的驻波、益等指标,类似这样的天线设计问题是十分困难的。如何协调好上述关系以获得最佳天线结构,则成为宽带天线设计的核心问题。天线是无线电通信和探测系统中必不可少的重要组成部分。从上世纪初的单一点对点无线通信到世纪末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。如今，天线结合微波技术的各种产品比比皆是，其影响小到人们的日常生活，大到国家的安全保障，其重要性是不言而喻的。天线的功能是辐射或者接收无线电波。它把被导电磁波转变为自由空间的无线电波(在发射系统中)，或者做相反的变换(在接收系统中)，从而在任意两点之间实现电磁信号的传递。天线的发明使得电磁频谱成为人类最大的可重复使用的自然资源之一。随着社会的进步，科学技术的发展，无线电频谱不断地得到开拓，无线电系统的带宽也不断地扩展，促进了二十世纪末一门新的学科超宽带电磁学的诞生。超宽带电磁学指出，时域电磁波也是人类非常重要的自然资源，而且是尚待开发、非常宝贵的自然资源。天线理论与技术已经有了很长的发展历史，无数的学者研制出了能满足各种无线电系统要求的天线。无论无线电如何发展，天线都是不可替代的。超宽带无线电系统要求超宽带天线来完成超宽带被导电磁波和自由空间无线电波之间的转变工作。超宽带脉冲无线电传输技术是国际上最近正在蓬勃兴起的一种无线通信的革命性传输技术。采用该技术的超宽带通信系统可以提供数字话音、数据和视频业务，可以在非常复杂的多径环境中很好地完成定位和识别，可以在较高链路丢失环境中提供存活通信手段。此外还能够满足飞速发展的消费类电子产品对无线通信提出的更高的要求:在功能上，存储容量不断增加，数据吞吐量也越来越大。超宽带通信具有优良独特的技术特性和潜在的优势，并且可缓解日益紧张的频带资源要求，使其成为现在国际和国内研究的热门课题之一，正越来越受到通信学术界和产业界的重视。1.1.3研究现状自从 1873 年麦克斯韦(Maxwell)从理论上预言电磁波存在，并于1879 年由马可尼(Marconi)首次获得一个完整的天线电报系统专利以来，伴随着科学技术的不断进步，人类对自然界广泛存在的电磁波这一物质形态的认识在不断深化，创造了多种多样的电磁波工程系统无线电通信系统。从电视、广播、移动通信、到雷达、导航、气象、定位、卫星，再到军事领域中的制导武器、电子对抗等领域取得了极为丰硕的研究成果。近半个世纪以来，电磁波与周期性结构间相互作用的研究一直没有间断。近几年随着材料科学、特别是左手材料研究取得的新进展，关于周期性结构介质对电磁波影响的研究再度升温，成为新的热点。2003年，人们提出了一个方形贴片天线3，它有两个阶梯状的馈线变换，中间还开了个槽。这种天线可以工作在3.2GHz到12GHz，而且具有准全向辐射特性，群延时差值不到0.5 ns。2004年出现了很多微带超宽带天线:(1)印制圆盘单极子超宽带天线，它的地平面和辐射元处在同一平面，因此适于集成在印制电路板上，其匹配阻抗带宽为2.78-9.78GHZ，并且具有全向辐射特性。(2)共面波导馈电式平面超宽带天线4，它尺寸小，V形槽的长度可以适当调整，在没有V形槽的情况下其工作频带可从2.8GHz到10.6GHz。(3)LTCC超宽带开槽式天线5，这种天线可以与其它射频电路共地，辐射元是椭圆状，它的阻抗带宽为3-10.6GHz，在低频处有准全向辐射特性。2005年有人研究了一种带有分形调节柄的微带槽隙天线，其阻抗带宽为2.66- 10.76GHz，具有全向辐射特性。接着出现了一种平面小型化渐变环型槽馈电超宽带天线，提供的阻抗带宽可从4.84GHz到10.23GHz，它占有的空间小并且在工作频段内具有几乎一致的辐射方向特征。2005年出现了一种加载高介电常数陶瓷的缝隙螺旋天线6，基板介电常数分别提高到30和90，在使用频率下降27OMHz-564MHZ的基础上使其面积减小了18%和36%，采用倒锥形基板结构，用同轴巴伦进行馈线，通过改变基板厚度来实现匹配，缺点是带宽较窄，制作困难。等角螺旋天线7在0.25GHz到6GHz的频带内实现了大于6dB的圆极化带宽，但是尺寸太大。1.2本文研究的主要内容本文研究了用基于有限元法8的仿真软件HFSS软件对超宽带单极子天线进行仿真计算，研究天线的几何尺寸和宽频带特性，在合适的频率范围内，分析天线S参数、方向图等物理参量随不同几何参数的变化规律，通过图形方式进行了对照分析。根据仿真数据，本文设计并研究了两种类型的超宽带天线，一种是带两个对称臂的矩形平面单极子天线，另一种是弯折结构的平面单极子天线。通过矢量网络分析仪测量阻抗曲线和回波损耗曲线，与理论曲线进行比较。这两种天线具有低剖面结、结构简单、宽频带、小型化、易于制造等诸方面的优点。最后总结研究结果，说明天线的应用价值。1.3 主要章节安排首先就课题研究的背景和意义做出说明。第一章总体的介绍了下开选题背景、意义及研究现状。第二章主要介绍了超宽带天线的基本概念，性能参数及特点。第三章介绍了有限元法的电磁计算方法。第四章对一个超宽带天线设计和研究。第五章主要介绍了新型超宽带单极子天线的研究，并分析其各项特性。第六章介绍模型制作及用网络分析仪对其进行测试，并与仿真结果进行比较，说明其研究意义。第七章给出结论并对课题未来的发展做出了展望。第2章 超宽带天线的基础理论2.1 超宽带天线的基本概念顾名思义，超宽带天线拥有很高的带宽。目前，有两种较为流行的超宽带天线的定义。第一种由DARPA在1990年定义的，其相对带宽为25%，第二种是最近由FCC定义的，其相对带宽是20%。Bw=2 (2-l)其中是天线操作频带的上端，是对应的下端。另外，FCC又把操作带宽大于等于50OMHz的天线定义为超宽带天线。按照FCC的标准，天线的操作频带的上端和下端分别定义为天线的辐射功率从峰值下降一10dB对应的点。严格的讲，FCC的定义没有规定天线的带宽，因为天线的辐射功率也依赖于发射功率的频谱响应。2.2超宽带天线的特点在窄带通信系统里，传统的天线参数，例如输入阻抗匹配、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等等，被用来评估天线的技术性能，因此天线工程师只要根据这些参数的确定就能评估天线。但是在超宽带应用中，由于天线发射窄脉冲序列，系统要求天线的相对带宽很宽，情况就变得很复杂，因此超宽带天线也就有了不同于传统窄带、宽带天线的一些技术特点，主要表现如下：在工作带宽内要保证UWB天线具有很好的匹配抗，这要求UWB天线在整个工作频带内驻波电压比低而平稳。驻波电压比（VSWR）是衡量天线输入/输出之间阻抗匹配额的参数，要求在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小。同时，在UWB脉冲源输出端安装一个隔离器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和接收机的性能变坏。图2.1对数周期天线（左上）发出色散电磁波（右上）椭圆偶极子UWB天线（左下）发出非色散电磁波（右下）在工作带宽内天线要保证具有高而稳定的辐射效率。尤其是对于移动设备的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。如式(1-2)所定义的UWB天线的效率，其中激励源功率和回波损耗，而且海域源脉冲的频谱有关。为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。 (22)在工作带宽内天线还要保持具有稳定的天线增益、极化，在各个频点上的功率方向图要大致相同。2.3超宽带天线的主要参数2.3.1天线的输入阻抗天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量，即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50。2.3.2驻波比它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。2.3.3方向图方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场方向图。天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。方向性函数绘制出的方向图称为归一化方向图，采用无量纲的相对值或分贝表示。方向图有二维和三维方向图。三维方向图分为球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图，二维方向图分为极坐标方向图和直角坐标方向图两种。第3章 基于有限元法的电磁场计算方法3.1有限元法原理介绍有限元法（FEA，Finite Element Analysis）是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。3.2有限元法的主要求解过程对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 3.3有限元数值计算方法的主要特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。3.4 基于有限元法的电磁仿真技术-HFSSAnsoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。在HFSS的桌面上，你能找到HFSS的全套功能，这是一个可以完全支持基于三维电磁 场设计的界面。除了直观的视窗特性外，图形项目树提供了广为熟知的HFSS设计流 程的传统风格。利用Ansoftlinks接口设计师可将HFSS和现有的EDA和MCAD设计流结 合起来。利用与 Cadence、Mentor Graphics，Synopsys以及Zuken的接口，还可链 接到外部的设计流，从而支持Hspice、Pspice及Maxwell SPICE 实现精确的宽带电 路仿真。自动化 ：HFSS能进行全面的全叁数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处 理。该软体强大的叁数化三维建模能力，和高性能的图形能力，大大节省了工程师 的设计时间。直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师 所希望的设计结果。利用 Optimetrics可自动实现最优化和叁数化扫瞄设计，且很 容易在桌面上同一项目树中直接访问进入。在优化设计分析技术中增强了敏感性分 析和统计分析功能，其利用HFSS叁数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能 变化。 用户化 ：HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。视窗、 对话方块、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配量缺省来支持个性化叁数定义。 使用者可通过主菜单、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令。另外，通 过脚本语言VB和JavaScript全面控制HFSS和专用化定制。脚本也能支持强大的宏记 录，可以用来定义叁数化几何结构，执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个 设计流程。 HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。Ansoft HFSS提供了一个直观、易于使用、用于建立任意三维无源器件模型的界面。创建一个设计包括步骤如下：1、File>New，然后点击Project>Insert HFSS Design，新建一个Project。2、HFSS>Solution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。HFSS有三种解算类型，第一种是模式驱动，根据波导模式的入射和反射功率表示S参数矩阵的解；第二种是终端驱动，根据传输线终端的电压和电流表示S参数矩阵的解；第三种是本征模，求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。3、创建互连结构模型。HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实体建模中，直接使用HFSS中提供的基本图形即可。4、在创建每一个基本结构单元时，HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。5、指定平面设置边界条件（HFSS>Boundaries>Assign）。HFSS有多种边界条件，在高速设计中最常用的有，理想电边界表示电场垂直于表面。理想磁边界是指电场方向与表面相切；完美匹配层边界用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。6、指定端口设置激励（HFSS>Excitations>Assign）。HFSS主要有波端口和集中端口，而在高速设计中，使用波端口的情况比较多。HFSS假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为1W，使用波端口可以计算特性阻抗、复传播常数和S参数。7、分析设置。通过HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup可以进行自适应频率和收敛标准的设置，通过HFSS>Analysis Setup>Add Sweep可以得到互连结构的扫频响应，通常选择插值扫频。8、数据处理（HFSS>Results）。HFSS具有功能强大又很灵活的数据管理和绘图能力，可以输出适合于Matlab编程，后缀为.m的S/Y/Z矩阵参数文件。第4章 一种超宽带单极子天线的设计和研究4.1天线的设计本次毕业设计任务是设计一个有两个对称臂的单极子天线，其设计要求是：1.天线具有平面结构，小尺寸；2.采用共面波导馈电；3.在电基本振子的基础上通过添加切口的方法来改变谐振频率点。由于一个没有双臂的单极子天线特性在一定频率范围内一般只有一个谐振峰值，这明显不是超宽带天线，这时除了谐振频率范围内以外的回波损耗都在-10dB以上。通过在单极子平面两侧添加两个臂，可使天线出现另一个峰值，并且通过添加和改变切口的尺寸，可以产生和调整新的谐振频率点，从而可以实现超宽带工作。本章主要研究这种天线附加臂对天线性能的影响，着重分析切口尺寸所产生的影响。4.1.1天线的形状天线形状如图4.1和图4.2所示，其中。采用的介质基板是介电常数为4.4、正切损耗为0.025的普通PCB板。图 4.1天线正面图4.2天线侧面4.2仿真模型的构建在HFSS软件中构建天线的3维图形。打开HFSS，如图所示4.3图4.4 HFSS界面点击菜单栏中的Project>Insert HFSS Design,建立一个新的工程。在工程中，使用激励终端求解方式：(1) 在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。（2）如图4.4所示，在弹出的Soulution Type窗口中选择Driven Modal,点击OK按钮。图4.4 设置求解类型在菜单栏中点击3D Modeler>Units，在图4.5中设置模型单位，然后点击OK按钮。图4.5 设置模型单位开始绘制天线模型。在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。在坐标栏中输入起始坐标：X:0.0,Y:0.0,Z:0.0 按回车键。在坐标栏中输入长、宽：dX：8，dY：8.5 按回车键,画出一个矩形Rectangle1。在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。在坐标栏中输入起始坐标：X:12,Y:0,Z:0.0 按回车键。在坐标栏中输入长、宽：dX：8，dY：8.5 按回车键,画出一个矩形Rectangle2。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,如图4.6所示，按Ctrl选中Rectangle1和Rectangle2，然后点击OK。图 4.6在菜单栏中点击3D Modeler>Boolean>Unit。将Rectangle1和Rectangle2合并成Rectangle1。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name，选择Rectangle1，点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。将理想边界命名为PerfE1，点击OK确认。如图4.7所示。图4.7可以用View>Fit All>All Views 来调整，将3D模型调成合适的大小显示。在菜单栏中点击Draw>Line,用闭合线段组成一个不规则的面。输入坐标按回车键，坐标分别为X：8.5,Y：0,Z：0； X：8.5,Y：10.5,Z：0； X：3.3,Y：13.5,Z：0；X：3.3,Y：27,Z：0；X：4.8,Y：27,Z：0；X：4.8,Y：30,Z：0；X：6.3,Y：30,Z：0；X：6.3,Y：13.5,Z：0；X：8.5,Y：11.23,Z：0；X：8.5,Y：30,Z：0；X：11.5,Y：30,Z：0；X：11.5,Y：11.23,Z：0；X：13.7,Y：13.5,Z：0；X：13.7,Y：30,Z：0；X：15.2,Y：30,Z：0；X：15.2,Y：27,Z：0；X：16.7,Y：27,Z：0；X：16.7,Y：13.5,Z：0；X：11.5,Y：10.5,Z：0；X：11.5,Y：0,Z：0；X：8.5,Y：0,Z：0；右击选择Close Polylin闭合曲线，画出如图4.8所示图形：图4.8在菜单栏中点击Edit>Select>By Name,选中Polyline1，然后点击OK。如图4.9。图4.9在菜单栏中点击点击HFSS>Boundaries>Assign>Perfect E。将理想边界命名为PerfE2，点击OK确认。创建介质板，在菜单栏中点击Draw>Box，创建长方体模型。在坐标栏中输入起始坐标：X:0.0,Y:0.0,Z:0.0 按回车键。在坐标栏中输入长、宽、厚：dX：20，dY：30，dZ：-1.2；按回车键,画出一个长方体Box1。在弹出的的特性窗口中，如图4.10所示，选择Attribute标签，选择Meterial后面按钮，出现如图4.11，点击Add Meterial按钮，添加Material1，将Relative Permittivity和Dielectric Loss Tangent的值设为4.4和0.025，点击OK。图4.10天线属性界面图4.11将平面切换成XZ平面，在菜单栏中点击Draw>Rectangle,创建矩形模型。在坐标栏中输入起始坐标：X:3,Y:0,Z:-2 按回车键。在坐标栏中输入长、宽：dX：14，dY：0，dZ：4； 按回车键,画出一个矩形Rectangle3。创建辐射边界，在菜单栏中点击Draw>Box，创建长方体模型。在坐标栏中输入起始坐标：X:0.0,Y:0.0,Z:0.0 按回车键。在坐标栏中输入长、宽、厚：dX：20，dY：30，dZ：-1.2；按回车键,画出