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摘要： 电磁场仿真软件的出现，为改进和应用新的方法计算和预测场分布特性提供条件，实现在天线设计阶段就能对其所应用的系统进行精确计算及性能预测的目的，节约大量的设计试验费用。重点介绍Ansoft HFSS软件，并对其得出的仿真值与实测值进行对比，最后得出结论。
关键词： 电磁场；天线仿真；谐振
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510026－01
0 引言
利用计算机仿真对天线场结构特点的分析结果来进一步改进天线结构，从而提高了对天线使用材料选择的合理性，在保证可靠和稳定工作的条件下，能够显著降低设计成本。
1 Ansoft HFSS仿真软件
1）Ansoft HFSS简介：
Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。
2）Ansoft HFSS适用范围：
使用HFSS，可以计算：
① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；
② 端口特征阻抗和传输常数；
③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数。
Ansoft电磁场仿真软件的算法是采用有限元法，即根据变分原理求得与微分方程边值问题等价的变分问题。Ansoft经数据处理后可给出模拟结构的场分布图的投影显示或动画显示，以及有关场解的距离图。
2 天线的仿真结果
设计的单元贴片天线的长为18.8cm，宽为10.1cm，用subtract命令减去一个凹槽，凹槽长为3.6cm，宽为3.3cm，它是在介质上敷两块无限薄铜片，介质厚度为0.144cm，介质介电常数为2.7，采用馈电结构在天线的中下部馈电，同轴线外导体的半径为0.7cm，长度为4.2cm，内导体的半径为0.1cm，长度为4.4cm，扫频范围为200-800MHz，中心频率设计为350MHz，迭代12次。
实验表明：和的改变引起了天线的性能变化。根据一组仿真数据，绘出的变化和工作带宽以及增益的关系曲线图，如图1和图2所示，初步选定阻抗变换器的L2等于0.15cm，在中心频率为412MHz时的驻波为1.55，增益为2.6186dB，工作带宽为178MHz。最后再与计算结果进行比较。
将阻抗变换器看成由两节阻抗变换器组成的匹配网络，一级阻抗变换器的长度L1=4cm，r2=0.7cm，二级阻抗变换器的长度L2=0.15cm，r3=1.5cm，
馈线的特性阻抗为，天线的输入阻抗随频率而变化。
图1 改变外圈长度对工作带宽的影响图2 改变外圈长度对增益的影响
其中C1和C2是等效的并联电容，计算过程如下：
由图4可知，总网络[A]参数等于各个网络[Ai]参数的乘积，即有：
此时外圈长度为0.15cm，谐振频率为412MHz，从而可计算出各参数值：
匹配时，长线工作在行波状态下，由A 参数转化为S参数为：
与计算结果吻合。
具体设计尺寸如下：
天线高h=13.56cm，宽为x=6.48cm，介质厚0.144cm，填充介质
馈电点为Z＝3cm，凹槽尺寸3.33.3cm，外阶梯半径r=1.5cm，高h＝1cm。
3 试验结论
当天线离金属地面0.2-0.5cm時，工作频带较宽，且在0.3cm时最宽频带为115MHz，当大于0.3cm时，工作频带宽度呈下降趋势。改变天线和地面间的距离也引起了中心频率处增益的变化。
因而，我们得出结论：在天线离金属地面0.2-0.5cm时，天线的性能较好。
参考文献：
[1]王新稳、李萍，微波技术与天线[M].西安：电子工业出版社，2003.
[2]郑兆翁，同轴线TEM模通用无源器件[M].北京：人民邮电出版社，1983.
[3]林为干，微波理论与技术[M].北京：科学出版社，1979：257-283.
[4]B. Shahzadi.，Use of Common Factors in Numerical Synthesis of RLC One Ports[J]. IEEE Proceedings-G，1991，138（3）：427-429.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词： 电磁场；天线仿真；谐振
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510026－01
0 引言
利用计算机仿真对天线场结构特点的分析结果来进一步改进天线结构，从而提高了对天线使用材料选择的合理性，在保证可靠和稳定工作的条件下，能够显著降低设计成本。
1 Ansoft HFSS仿真软件
1）Ansoft HFSS简介：
Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。
2）Ansoft HFSS适用范围：
使用HFSS，可以计算：
① 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；
② 端口特征阻抗和传输常数；
③ S参数和相应端口阻抗的归一化S参数。
Ansoft电磁场仿真软件的算法是采用有限元法，即根据变分原理求得与微分方程边值问题等价的变分问题。Ansoft经数据处理后可给出模拟结构的场分布图的投影显示或动画显示，以及有关场解的距离图。
2 天线的仿真结果
设计的单元贴片天线的长为18.8cm，宽为10.1cm，用subtract命令减去一个凹槽，凹槽长为3.6cm，宽为3.3cm，它是在介质上敷两块无限薄铜片，介质厚度为0.144cm，介质介电常数为2.7，采用馈电结构在天线的中下部馈电，同轴线外导体的半径为0.7cm，长度为4.2cm，内导体的半径为0.1cm，长度为4.4cm，扫频范围为200-800MHz，中心频率设计为350MHz，迭代12次。
实验表明：和的改变引起了天线的性能变化。根据一组仿真数据，绘出的变化和工作带宽以及增益的关系曲线图，如图1和图2所示，初步选定阻抗变换器的L2等于0.15cm，在中心频率为412MHz时的驻波为1.55，增益为2.6186dB，工作带宽为178MHz。最后再与计算结果进行比较。
将阻抗变换器看成由两节阻抗变换器组成的匹配网络，一级阻抗变换器的长度L1=4cm，r2=0.7cm，二级阻抗变换器的长度L2=0.15cm，r3=1.5cm，
馈线的特性阻抗为，天线的输入阻抗随频率而变化。
图1 改变外圈长度对工作带宽的影响图2 改变外圈长度对增益的影响
其中C1和C2是等效的并联电容，计算过程如下：
由图4可知，总网络[A]参数等于各个网络[Ai]参数的乘积，即有：
此时外圈长度为0.15cm，谐振频率为412MHz，从而可计算出各参数值：
匹配时，长线工作在行波状态下，由A 参数转化为S参数为：
与计算结果吻合。
具体设计尺寸如下：
天线高h=13.56cm，宽为x=6.48cm，介质厚0.144cm，填充介质
馈电点为Z＝3cm，凹槽尺寸3.33.3cm，外阶梯半径r=1.5cm，高h＝1cm。
3 试验结论
当天线离金属地面0.2-0.5cm時，工作频带较宽，且在0.3cm时最宽频带为115MHz，当大于0.3cm时，工作频带宽度呈下降趋势。改变天线和地面间的距离也引起了中心频率处增益的变化。
因而，我们得出结论：在天线离金属地面0.2-0.5cm时，天线的性能较好。
参考文献：
[1]王新稳、李萍，微波技术与天线[M].西安：电子工业出版社，2003.
[2]郑兆翁，同轴线TEM模通用无源器件[M].北京：人民邮电出版社，1983.
[3]林为干，微波理论与技术[M].北京：科学出版社，1979：257-283.
[4]B. Shahzadi.，Use of Common Factors in Numerical Synthesis of RLC One Ports[J]. IEEE Proceedings-G，1991，138（3）：427-429.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文