作者：李明洋,刘敏,等
出版社：电子工业出版社
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HFSS天线设计试读：
前言
近年来，无线通信产业在国内蓬勃发展，诸如手机、WLAN无线网卡、射频识别（RFID）、蓝牙和全球卫星定位系统（GPS）等产品都需要使用天线来发射和接收无线电信号，因此业界对天线设计人才的需求与日俱增。HFSS是美国Ansoft公司开发的一款基于电磁场有限元法的全波三维电磁仿真软件，可为天线及天线系统设计提供全面的解决方案，精确仿真计算出天线的各种性能，包括二维和三维远场/近场辐射方向图、天线增益、轴比、半功率波瓣宽度、内部电磁场分布、天线阻抗、电压驻波比以及S参数等。HFSS软件可以帮助工程师高效地设计出各种类型的天线，从而有效地降低设计成本，缩短设计周期，增强竞争力。
本书内容
本书主要介绍天线设计的基本概念以及使用HFSS软件仿真设计各种类型天线的分析方法、设置操作和设计流程。书中给出了微带天线、极子天线、喇叭天线、PIFA天线等多种不同类型天线的HFSS仿真分析方法和设计工程实践。书中所用HFSS软件版本为12.0。
全书共分8章，第1章主要介绍天线的辐射机理以及表征天线各项性能参数的定义。第2章首先简要介绍了使用HFSS软件进行天线设计的基本流程，然后详细介绍了HFSS天线设计流程中每个设计步骤的具体操作和设置。第3章～第7章是HFSS天线设计的工程实践部分，介绍了几种常用天线的基本理论、分析方法和HFSS仿真设计操作。其中，第3章主要介绍偶极子和单极子天线的理论与HFSS设计实例；第4章主要介绍微带天线的理论和设计实例、双频天线和圆极化天线的实现，以及在HFSS中如何分析和设计双频与圆极化天线；第5章主要介绍倒F天线的衍变发展过程和天线结构，并给出了使用HFSS设计分析一款工作于2.4GHz ISM频段印制电路板IFA天线的详细过程；第6章主要介绍手机上常用的平面倒F天线（PIFA）的理论和设计实例，给出了PIFA天线的基本结构、性能分析、电流/电场分布以及多频段工作的实现，本章同时也详细介绍了使用HFSS设计分析一款工作于GSM 900频段的单频PIFA天线和一款工作于GSM 900/DCS 1800频段的双频PIFA天线的具体过程；第7章主要介绍喇叭天线理论以及如何使用HFSS设计喇叭天线，在本章中还讲解了双模天线的概念以及在HFSS中如何实现双模激励。在本书的最后，第8章介绍了HFSS的天线辅助设计工具——Antenna Design Kit的使用。
本书特点
全书理论和工程实践紧密结合，多从工程角度出发，直观、透彻地讲解使用HFSS进行天线设计的全过程，不仅要让读者学习到各种类型天线的基本理论、设计方法，以及使用HFSS软件进行天线设计的详细流程和具体操作，还要让读者理解为什么要这样操作。知其然并知其所以然，从而能够熟练掌握这些设计应用，达到举一反三、活学活用的学习目标。
·本书结合HFSS软件从工程角度讲解天线设计，借助于HFSS软件，把复杂的理论直观化，让天线设计不再难。
·全书理论和工程实践紧密结合，每个设计实例，都是先从理论讲起，然后再讲解HFSS的具体设计思路和设计过程。
·本着“授人以鱼，不如授人以渔”的原则，本书不仅清楚地阐述了HFSS天线设计的每一步操作，还着重讲解了为什么要这样做。
·本书所有的天线设计实例都创建了HFSS参数化模型，以方便读者在后续学习中更改天线结构尺寸。
技术支持网站
由于作者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，敬请读者批评指正。为此作者开通了技术支持网站，提供了与本书相关的学习资源、设计文件和最新勘误信息，网站的地址为http：//www.edatop.com/hfss。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，再好的教材也需要读者多读、多看、勤思考、多操作，才能真正理解并掌握其中的内容。为了尽可能地节约读者的学习时间，提高学习效率，作者还主讲了《两周学会HFSS》、《HFSS微波器件仿真设计实例》和《HFSS天线设计基础》等多套视频多媒体课程。视频多媒体课程能够以更加直观、生动、高效的方式帮助读者在最短的时间内迅速掌握HFSS的设计应用。有关HFSS视频课程的详情，读者可以登录我们的技术支持网站进行查看。
作者的电子邮箱为mingyang.li＠yahoo.com.cn。
李明洋
第1章 天线基础
自赫兹和马可尼发明天线以来，天线在人类的社会生活中发挥着越来越重要的作用。天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，是无线通信系统中重要的一环，天线的性能将直接影响到通信系统的品质。
天线辐射的原理如图1.1所示。当导线上有交变电流通过时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两条导线的距离很近，电场被束缚在两条导线之间，那么辐射很微弱。若将两条导线张开，电场就散播在周围的空间内，那么辐射增强。需要指出的是，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；当导线的长度L增大到可与波长λ相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。图1.1 天线的辐射
辐射的基本单元有电基本振子和磁基本振子，下面以电基本振子为例来讲解天线的辐射问题。
1.1 电基本振子的辐射场
电基本振子又称电流元或者电偶极子，它是一段高频电流直导线，其长度dl《λ，其截面半径a《dl，导线上的电流处处等幅同相。用这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础。
根据电流连续性原理，在电基本振子两端将同时积存大小相等、符号相反的时变电荷。将电基本振子的中心放置于球坐标系的坐标原点，并使长度dl沿着z轴方向，如图1.1.1所示。图1.1.1 电基本振子的辐射场
电基本振子上的电流大小使用I表示，则矢量位A可以表示为：
在球坐标系中
于是，可以求得辐射的磁场强度为：
即
再利用麦克斯韦方程，可以求得电场强度为：
即：
式中，E为电场强度，单位为V/m；H为磁场强度，单位为A/m；下标r、θ、φ分别表示球坐标系的各个方向分量；ε为自由空间的介0-9电常数，ε=1×10/36π，单位为F/m；μ为自由空间导磁率，μ=4π000-7×10，单位为H/m；k是自由空间相位常数，k=2π/λ=，λ是自由空间波长。
1.近区场
kr《1的区域称为近区，此时-jkr，e≈1，则式（1-1-5）和式（1-1-7）可以近似为：
由此可以看出，近区电场和磁场存在π/2的相位差，于是坡印廷矢量的平均值为：
由于能量在电场和磁场以及场和源之间交换而没有能量辐射，因此近区场也称为感应场。
2.远区场
kr》1的区域称为远区，此时-jkr，e≈1，则式（1-1-5）和式（1-1-7）可以近似为：
由此可以看出，在远区内，电场只有E分量，磁场只有H分θφ量，且电场和磁场的相位相同。此时，坡印廷矢量的平均值为：
由于电磁波沿着球坐标系的r方向向外辐射，因此远区场也称为辐射场。
对于电基本振子的辐射场而言，电场、磁场和传播方向三者相互垂直，在传播方向上电场和磁场的分量为零，故称为横电磁波，即TEM波。而且，电场分量E和磁场分量H的比值为常数，我们将其θφ称为媒质的波阻抗。对于自由空间而言，媒质的波阻抗为：
1.2 天线的性能参数
要进入天线设计领域，首先必须了解表征天线的基本性能参数，如方向图、辐射强度、方向性系数、效率、增益、输入阻抗和天线的极化等。下面就来向读者简单地介绍一下表征天线的主要性能参数及其定义。1.2.1 方向图
天线的辐射场在固定距离上随球坐标系的角坐标（θ，φ）分布的图形被称为天线的辐射方向图或辐射波瓣图，简称方向图。方向图通常是在远区确定的。用辐射场强表示的方向图称为场强方向图，用辐射功率密度表示的方向图称为功率方向图，用相位表示的方向图称为相位方向图。方向图习惯上采用极坐标绘制，角度表示方向，矢径长度表示场强值或功率密度值。
完整的天线方向图应该用如图1.2.1所示的球坐标系下的三维立体方向图来表示，但在计算机辅助设计普及之前，三维空间的立体方向图绘制复杂，工程上常用包含主瓣轴的剖面图来表示。此时，方向图的表示一般需要用到两个相互垂直的剖面，我们将其称为主平面方向图，如图1.2.1中的xz面和yz面。图1.2.2（a）和图1.2.2（b）所示为极坐标系中电场和功率的主平面方向图，图1.2.2（c）是将图1.2.2（a）的主平面方向图改成在直角坐标系中用对数（或dB）刻度表示，这样能够更详细地给出旁瓣电平。图1.2.1 三维场方向图图1.2.2 主平面方向图
按半功率电平点夹角定义的波束宽度称为半功率波束宽度（HPBW）或者-3dB波束宽度；按主瓣两侧第一个零点夹角定义的波束宽度称为第一零点波束宽度（FNBW），如图1.2.2所示。这两种波束宽度都是重要的方向图参数。1.2.2 辐射强度
每单位立体角内由天线辐射出的功率称为辐射强度U，单位为W/Sr（瓦/立方弧度）。辐射强度可以由下式定义：
可见，与坡印廷幅值S反比于距离的平方不同，辐射强度U与距离无关。1.2.3 方向性系数
天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度之比，即：
式中，平均辐射强度U实际上是辐射功率除以球面积，即：0
通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向性系数，即：1.2.4 效率
由于天线系统中存在导体损耗、介质损耗等，因此实际辐射到空间内的电磁波功率要比发射机输送到天线的功率小。天线效率就是表征天线将输入高频能量转换为无线电波能量的有效程度，定义为天线辐射功率和输入功率的比值。假设分别用P和P表示天线的输入功inrad率和辐射功率，则天线效率为：1.2.5 增益
方向性系数是以辐射功率为基点的，没有考虑天线将输入功率转换为辐射功率的效率，为了更完整地描述天线特性，特以天线的输入功率为基点定义了一个增益。天线增益是表征将输入给它的功率按特定方向辐射的能力，定义为在相同输入功率、相同距离的条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度的比值。设该天线和无方向性天线的输入功率分别为P和P，inin0且P=P，则该天线的增益G可以由下式计算：inin0对比式（1-2-1）、（1-2-4）、（1-2-5）和式（1-2-6），且考虑到P=P，可以得到：inin01.2.6 输入阻抗
天线一般都是通过馈线和发射机相连的，天线和馈线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗。
天线作为发射机的负载，它把从发射机得到的功率辐射到空间。这就有一个天线与馈线阻抗匹配的问题，阻抗匹配的程度将直接影响功率传输的效率。在射频微波频段，馈线通常是使用50Ω标准阻抗。所以在设计天线时，需要尽可能地把天线的输入阻抗设计在50Ω，在工作频带内保证尽可能小的驻波比。
天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频率和周围环境的影响，仅在极少数情况下可以用理论严格计算。工程中通常采用近似计算或者用实验方法测量。1.2.7 天线的极化
天线的极化通常是指天线辐射电磁波的电场的方向，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。根据电场矢量端点轨迹呈直线、椭圆和圆形等不同形状，天线极化可以分为线极化、椭圆极化和圆极化，如图1.2.3所示；对于椭圆极化和圆极化而言，根据其旋转方向的不同，又可分为左旋极化和右旋极化两种类型。图1.2.3 天线的极化
考察由页面向外（沿z轴方向）行进的平面波，一般而言，电场同时有x分量和y分量，在确定的z点处电场矢量E作为时间的函数而旋转，若其端点轨迹为椭圆，则称为椭圆极化波，如图1.2.3（b）所示。椭圆极化有两种极端情况，一是电场只有x分量或者只有y分量，此时电场始终沿着x轴方向或者y轴方向，我们将其称为线极化，如图1.2.3（a）所示；二是电场x分量和y分量相等，此时称为圆极化，如图1.2.3（c）所示。
对于任意方向的椭圆极化波，可以分别用沿x轴方向和y轴方向的两项线极化分量来描述，如图1.2.4所示。如果波沿着z轴方向（即垂直于纸面向外）行进，则x轴方向和y轴方向的电场分量分别为：
式中，E为沿x轴方向的线极化波幅度，E为沿y轴方向的线极12化波幅度，δ为E滞后于E的相位角。yx
在z=0处，有：
式（1-2-9）消去ωt，再经整理可得：
式（1-2-10）描述了如图1.2.4所示的极化椭圆。
若E=0，则波是沿y轴方向极化的；若E=0，则波是沿x轴方向12极化的。若δ=0且E=E，则波是在如图1.2.4所示的OA轴方向上线极12化的。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]