天线基础与HFSS天线设计流程
目錄
天線基礎
1.1 電基本振子的輻射場
1. 近區場
2. 遠區場
1.2 天線的性能參數
1. 方向圖
2. 輻射強度
3.方向性系數
4. 效率
5. 增益
6. 輸入阻抗
7. 天線的極化
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HFSS天線設計流程
2.1 HFSS天線設計流程概述
1.設置求解類型
2.創建天線的結構模型
3.設置邊界條件【Assign Boundary】
4. 設置激勵條件
5. 設置求解參數
6.?運行求解分析
7.?查看求解結果
8. Optimetrics優化設計
天線基礎
天線的任務是將導行波變換為向空間定向輻射的電磁波，或將在空間傳播的電磁波變為微波設備中的導行波，因此天線有兩個基本作用：一個是有效地輻射或接收電磁波，另一個是把無線電波能量轉換為導行波能量。
天線是發射和接收電磁波的一個重要的無線電設備。
天線輻射的原理：當導線上有交變電流通過時，就可以發生電磁波的輻射，輻射的能力與導線的長度和形狀有關。若兩條導線距離很近，電場被束縛在兩條導線之間，那么輻射很微弱。若將兩條導線張開，電場就散播在周圍的空間內，那么輻射增強。當導線的長度L遠小于波長λ時，輻射很微弱；當導線的長度L增大到可與波長λ相比擬時，導線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。
輻射的基本單元有電基本振子和磁基本振子。
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1.1 電基本振子的輻射場
電基本振子又稱電流元或者電偶極子，它是一段高頻電流直導線，其長度dl<<λ，其截面半徑a<<dl，導線上的電流處處等幅同相。
E為電場強度，單位V/m；H為磁場強度，單位為A/m；下標γ、θ、φ分別表示球坐標系的各個方向分量；ε0為自由空間的介電常數，ε0=1*10-9/36π，單位為F/m；μ0=4π*10-7，單位為H/m；k是自由空間相位常數，k=2π/λ=ω，λ是自然空間波長。
1. 近區場
Kr<<1的區域為近區
近區電場與磁場存在的相位差，于是玻印廷矢量（電磁場中的能流密度矢量）的平均值為：
由于能量在電場和磁場以及場和源之間交換而沒有能量輻射，因此近區場也稱為感應場。
2. 遠區場
Kr>>1的區域為近區
在遠區內，電場只有Eθ分量，磁場只有Hφ分量，且電場和磁場的相位相同。此時，坡印廷矢量的平均值為：
由于磁場波沿著球坐標系的r方向向外輻射，因此遠區場也稱為輻射場。
對于電基本振子的輻射場而言，電場、磁場和傳播方向三者相互垂直，在傳播方向上電場和磁場的分量為零，故稱為橫電磁波，即TEM波。而且，電場分量E和磁場分量H的比值為常數，我們將其稱為媒質的波阻抗。對于自由空間而言，煤質的波阻抗為：
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1.2 天線的性能參數
1. 方向圖
天線的輻射場在固定距離上隨球坐標系的角坐標（?，φ）分布的圖形被稱為天線的輻射方向圖或輻射波瓣圖，簡稱方向圖。
按半功率電平點夾角定義的波束寬度稱為半功率波束寬度（HPBW）或者-3dB波束寬度；按主瓣兩側第一個零點夾角定義的波束寬度稱為第一零點波束寬度（FNBW），這兩個波束寬度都是重要的方向圖參數。
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2. 輻射強度
每單位立體角內由天線輻射出的功率稱為輻射強度U，單位W/Sr（瓦/立方弧度）。輻射強度可以由下式定義：
可見，與波印廷幅值S反比于距離的平方不同，輻射強度U與距離無關。
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3.方向性系數
天線的方向性系數D是在指遠區場的某一球面上天線的輻射強度與平均輻射強度之比，即：
式中，平均輻射強度U0實際上是輻射功率除以球面積，即：
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通常所說的方向性系數指的都是在最大輻射方向上的方向性系數，即：
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4. 效率
由于天線系統中存在導體損耗、介質損耗等，因此實際輻射到空間內的電磁波功率要比發射機輸送到天線的功率要小。天線效率就是表征天線將輸入高頻能量轉換成無線電波能量的有效程度，定義為天線輻射功率和輸入功率的比值。假設分別用Pin和Prad表示天線的輸入功率和輻射功率，則天線功率為：
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5. 增益
方向性系數是以輻射功率為基點的，沒有考慮天線將輸入功率轉換為輻射功率的效率，為了更完整地描述天線的特性，特以天線的輸入功率為基點定義了一個增益。天線增益是表征將輸入給它的功率按特定方向輻射的能力，定義為在相同輸入功率、相同距離的條件下，天線在最大輻射方向上的功率密度與無方向性天線在該方向上的輻射功率密度的比值。天線增益G可以由下式計算：
且考慮Pin=Pin0，可以得到：
G=ηAD
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6. 輸入阻抗
天線一般都是通過饋線和發射機相連的，天線和饋線的連接處稱為天線的輸入端，天線的輸入端呈現的阻抗值定義為天線的輸入阻抗。
?天線作為發射機的負載，它把從發射機得到的功率輻射到空間。這就有一個天線與饋線阻抗匹配的問題，阻抗匹配的程度將直接影響功率傳輸的效率。在射頻微波頻段，饋線通常是使用50Ω標準阻抗。所以在設計天線時，需要盡可能地把天線的輸入阻抗設計在50Ω，在工作頻帶內保證盡可能小的駐波比。
駐波比為饋線上波腹/谷電壓。駐波比=1，完全匹配；駐波比=∞，全反射。
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7. 天線的極化
天線的極化通常是指天線輻射電磁波的電場的方向，即時變電場矢量端點運動軌跡的形狀、取向和旋轉方向。根據電場矢量端點軌跡的形狀的不同，包括直線、橢圓和圓形，天線極化可分為線極化、橢圓極化和圓極化。
E1為沿x軸方向的線極化波幅度，E2為沿y軸方向的線極化波幅度，δ為Ey滯后于Ex的相位角。
若E1=0，則波是沿y軸方向極化的；若E2=0，則波是沿x軸方向極化的。若δ=0且E1=E2，則如圖的OA軸方向上線極化的。
若E1= E2且δ=±90°，則波是圓極化的。當δ=±90°時，波是左旋圓極化的；當δ=-90°時，波是右旋圓極化的。
軸比（Axial Ratio）是一個表征天線極化的參數，其定義為極化橢圓的長軸和短軸的比值。對于線極化波，軸比為無窮大；對于圓極化波，軸比等于1。
HFSS天線設計流程
作為一款功能強大的三維電磁設計軟件，HFSS可以位天線設計提供全面的解決方案。使用HFSS可以仿真分析和優化各類天線，精確計算天線的各種性能，包括二維、三維遠場和近場輻射方向圖、天線的方向性系數、增益、軸比、半功率波瓣寬度、輸入阻抗、電壓駐波比、S參數以及電流分布特性等
2.1 HFSS天線設計流程概述
1.設置求解類型
共有三種求解類型，分別是模式驅動求解（Driven Modal）、終端驅動求解（Driven Terminal）和本征求解（Eigenmode）。使用HFSS進行天線設計時，可以選擇模式驅動求解類型（Driven Modal）或者終端驅動求解類型（Driven Terminal）。模式驅動求解類型是根據導波模式的入射和反射功率來計算S參數矩陣的解，終端驅動求解類型是根據傳輸線終端的電壓和電流來計算S參數矩陣的解。
2.創建天線的結構模型
根據天線的初始尺寸和結構，在HFSS模型窗口中創建出天線的HFSS參數化設計模型。另外HFSS也可以直接導入AutoCAD、Pro/E等第三方軟件創建的結構模型。
3.設置邊界條件【Assign Boundary】
在HFSS中，導體結構一般設定為理想導體邊界條件（PrefectE）或者有限導體邊界條件。使用HFSS設計天線時，還必須在輻射體的外側正確設置輻射便捷條件或則理想匹配層（PMI）邊界條件，這樣HFSS才可以計算天線的遠場區。
HFSS中定義了許多種邊界條件類型，分別是理想導體邊界條件（Perfect E）、理想磁邊界條件（Perfect H）、有限導體邊界條件（Finite Conductivity）、輻射邊界條件（Radiation）、對稱邊界條件（Symmetry）、阻抗邊界條件（Impedance）、集總RLC邊界條件（Lumped RLC）、無限地平面（Infinite Ground Plane）、主從邊界條件（Master and Slave）、理想匹配層（PML）和分層阻抗邊界條件（Layered Impedance）。天線設計中，最常用的邊界條件是理想導體邊界條件（Perfect E）、有限導體邊界條件Finite Conductivity）、輻射邊界條件（Radiation）和理想匹配層（PML）。
a.?理想導體邊界條件
在HFSS中，任何與背景相關聯的物體表面以及材質為理想電導體（Pec）的物體表面都會被自動設置為理想導體邊界。這種邊界條件的電場矢量（E-Field）垂直于物體表面。
b. 有限導體邊界條件
實際天線結構的導體部分通常都是使用良導體，如金屬銅。使用有限導體邊界，可以實現把一個平面的邊界條件設置為金屬銅、金屬鋁等良導體。
c. 輻射邊界條件
輻射邊界條件也稱為吸收邊界條件（Absorbing Boundary Condition, ABC）,用于模擬開放的有限空間。系統在輻射邊界處吸收了電磁波，本質上可以把邊界看成是延伸到空間無限遠。
在使用HFSS進行天線設計時，必須定義輻射邊界條件或者理想匹配層，用以模擬開放的自由空間。在設計中只有定義了輻射邊界條件或者輻射匹配層，軟件才會自動分析計算天線的遠區場。
使用輻射邊界條件作為自由空間的近似，這種近似的準確程度取決于波的傳播方向和輻射邊界表面之間的態度，以及輻射體與邊界表面之間的距離。若用θ表示波的傳播方向和輻射邊界表面的之間的角度，當波的傳播方向與輻射邊界表面正交，即θ=0°時，電磁能量幾乎全部被邊界吸收，反射系數最小，此時，仿真計算結果最準確；當波的傳播方向與輻射邊界表面平行，即θ=90°時，電磁能量幾乎全部被輻射邊界反射回去，此時仿真計算結果的準確度最差。當輻射邊界和偶極子天線之間的距離大于λ/4時，回波損耗S11分析結果基本一致，不再有大的波動。
d. 理想匹配層（PML）
在天線設計中，除了可以使用輻射邊界條件來模擬開放的自由空間之外，也可以選擇使用理想匹配層來模擬開放的自由空間。
理想匹配層（Perfectly Matched Layers, PMI）是能夠完全吸收入射電磁波的假想的各項異性材料邊界，其有兩種典型的應用，一是用于外場問題中的自由空間截斷，二是用于導波問題中的吸收負載。對于自由空間截斷的情況，PML表面能夠完全吸收入射來的電磁波，其作用類似于輻射邊界條件。和輻射邊界條件相比，理想匹配層由于能夠完全吸收入射的電磁波，零反射，因此計算結果更精確。另外，理想匹配層表面可以距離輻射體更近，差不多1/10個波長即可，而輻射邊界條件和輻射體之間的距離一般需要大于1/4個工作波長。
4. 設置激勵條件
在HFSS中，激勵是一種定義在三維物體表面或者二維平面物體上的激勵源，這種激勵源可以是電磁場、電壓源、電流源或者電荷源。HFSS中定義了多種激勵方式，主要有波端口激勵（Wave Port）、集總端口激勵（Lumped Port）、Floquet端口激勵（Floquet Port）、入射波激勵（Incident Wave）、電壓源激勵（Voltage Source）、電流源激勵（Current Source）和磁偏置激勵（Magnetic Bias）。
天線必須通過傳輸線或者波導傳輸信號，天線與傳輸線或者波導的連接處即為饋電面或者稱為激勵端口。天線設計中饋電面的激勵方式主要有兩種，分別是波端口激勵（Wave Port）和集總端口激勵（Lumped Port）。其中，如果端口平面與背景相接觸，激勵方式需要設置為波端口激勵；如果端口平面在模型內部，激勵方式則需要設置為集總端口激勵。
a.波端口激勵
與背景接觸到的端口平面需要設置為波端口激勵。在設置波端口激勵是，需要設置積分校準線（模式驅動求解類型）或終端線（終端驅動求解模式）、S參數歸一化阻抗值和端口平移距離等信息。
對于模式驅動求解類型，在設置波端口激勵方式時，需要設定端口的積分線（Integration Line）。設定積分線的目的有兩個，一是確定電場的方向，積分線的箭頭指向即為電場的正方向；二是設定端口電壓的積分路徑，用于計算端口電壓等參數。
對于終端驅動求解類型而言，在設置波端口激勵方式時需要設定端口的終端線（Terminal Line），通過終端線上的節點電流和電壓來計算端口的阻抗和S參數矩陣。
b.集總端口激勵
集總端口激勵（Lumped Port）類似于傳統的波端口激勵，與波端口激勵不同的是集總端口激勵需要設置在物體模型內部，且用戶必須設定端口阻抗。集總端口直接在端口處計算S參數，設定的端口阻抗為集總端口上S參數的參考阻抗。集總端口不能進行端口平移操作。
集總端口的設置和波端口類似，需要設置積分線（模式驅動求解類型）或終端線（終端驅動求解類型）以及端口阻抗。與波端口激勵不同的是，集總端口邊緣沒有與導體或其他端口相觸的部分，默認邊界條件是理想磁邊界（Perfect H），因此不存在電場耦合到波端口邊緣影響傳輸線特性的問題。對于 微帶線、帶狀線等半開放類的結構，集總端口平面的大小只需與微帶線或帶狀線的寬度相同即可。
5. 設置求解參數
HFSS軟件采用自適應網絡剖分技術，根據用戶設置的誤差標準，自動生成精準、有效的網絡來分析物體模型的電磁特性。HFSS基本的求解參數包括求解頻率、自適應網絡剖分的最大迭代次數和收斂誤差。如果需要進行掃頻分析，還需要設置掃頻類型和掃頻范圍。
a.求解設置
求解頻率通常設定為天線的中心工作頻率。
b.掃頻設置
在天線設計中通常還需要查看天線的頻率特性，比如天線的駐波比隨頻率的變化。此時就需要添加掃頻分析項，設置掃頻類型和掃頻范圍。HFSS中總共有三種掃頻類型，分別是快速掃頻（Fast）、離散掃頻（Discrete）、和插值掃頻（Interpolating）。其中。天線設計多選擇快速掃頻或者插值掃頻。
6.?運行求解分析
上述操作完成后，即創建好天線模型，正確設置了邊界條件、激勵方式和求解參數，即可執行求解分析操作命令來運行仿真計算。整個仿真計算由HFSS軟件自動完成，不需要用戶干預。分析完成后，如果結構不收斂，則需要重新設置求解參數；如果結果收斂，則說明計算結果達到了設定的精度要求。
7.?查看求解結果
求解分析完成后，在數據后處理部分可以查看HFSS分析出的天線的各項性能參數，如回波損耗S11、電壓駐波比VSWR、輸入阻抗、天線方向圖、軸比和電流分布等。如果仿真計算的天線性能滿足設計要求，那么已經完成了天線的仿真設計，此時可以著手制作、調試實際的天線了。如果仿真計算的天線性能未能達到設計要求，那么還需要使用HFSS的參數掃描分析功能或者優化設計功能，進行參數掃描分析和優化分析。
8. Optimetrics優化設計
Optimetries是集成在HFSS中的設計優化模塊，該模塊通過自動分析設計參數的變化對求解結果的影響，實現參數掃描分析（Parametric）、優化設計（Optimization）、調諧分析（Tuning）、靈敏度分析（Sensitivity）和統計分析（Statistical）等功能。
如果前面的分析結果未達到設計要求，那么還需要使用Optimetrics模塊的參數掃描分析功能和優化設計功能來優化天線的結構尺寸，以找到滿足設計要求的天線尺寸。
a.參數掃描分析
參數掃描分析功能用來分析天線的性能隨著指定變量的變化而變化的關系，在優化設計前一般使用參數掃描分析功能來確定被優化變量的合理變化區間。使用參數掃描分析功能，首先需要添加一個或則多個掃描變量。
b.優化設計
???? 優化設計是指HFSS在一定的約束條件下根據待定的優化算法對設計的某些參數進行調整，從所有可能的設計變化中尋找一個滿足設計要求的值。在進行優化設計時，首先需要明確設計要求或設計目標，然后用戶根據設計要求定義設計變量、創建參數化的初設結構模型（Nominal Design）、構造目標含糊，最后指定優化算法進行優化。
Optimizer下拉列表框用于優化算法，其下拉列表中共有5種優化算法可供選擇，分別是非線性順序編程算法（Sequential Nonlinear Programming，SNLP）、混合整數非線性順序編程算法（Sequential Mixed-Integer Nonlinear Programming，SMINLP）、擬牛頓法（Quasi Newton）、模式搜索法（Pattern Search）和遺傳算法（Genetic Algorithm）。在多數情況下，建議用戶選擇擬牛頓法或者SNLP優化算法。
HFSS天線設計[李明洋][電子工業出版社][2011][342頁]
總結
以上是生活随笔為你收集整理的天线基础与HFSS天线设计流程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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