上一节中讲解了半波偶极子天线的基本原理，并分析了其主要的性能参数。本节将以一个简单的半波偶极子天线设计分析为例，讲解使用HFSS分析设计半波偶极子天线的详细流程和具体操作，并重点讲述HFSS的天线后处理功能。

3.2.1 HFSS设计概述

这里我们设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线，其HFSS设计模型如图3.2.1 所示。天线沿着 z 轴方向放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4。

在这个分析实例中，我们重点介绍HFSS的天线后处理功能，详细讲述在HFSS中如何查看天线的各种性能参数，如回波损耗、驻波比、Smith圆图、输入阻抗和方向图等。

另外，为了方便建模，在设计中我们定义一系列变量来表示半波偶极子天线的结构尺寸。变量的名称、含义以及对应的天线结构尺寸总结如表3.2.1所示。

3.2.2 HFSS仿真设计

1.新建设计工程

（1）运行HFSS并新建工程

双击桌面上的HFSS快捷方式图标 ，启动HFSS软件。HFSS运行后会自动新建一个工程文件，选择主菜单栏中的【File】→【Save As】命令，把工程文件另存为dipole.hfss文件。

（2）设置求解类型

将当前设计的求解类型设置为模式驱动求解类型。

在主菜单栏中选择【HFSS】→【Solution Type】命令，打开如图3.2.2所示的Solution Type对话框，选中Driven Modal单选按钮，然后单击 按钮，完成设置。

（3）设置模型长度单位

设置当前设计在创建模型时所使用的默认长度单位为毫米。

在主菜单栏中选择【Modeler】→【Units】命令，打开如图3.2.3所示的Set Model Units对话框。在该对话框中，Select units项选择毫米单位，即从Select units下拉列表中选择mm，然后单击 按钮，完成设置。

2.添加和定义设计变量

在HFSS中定义和添加如表3.2.1所示的所有设计变量。

在主菜单栏中选择【HFSS】→【Design Properties】命令，打开设计属性对话框。单击该对话框中的 按钮，打开Add Property对话框。在Add Property对话框中的Name文本框中输入第一个变量的名称lambda，在Value文本框中输入该变量的初始值100mm，然后单击 按钮，添加变量lambda到设计属性对话框中。变量定义和添加的过程如图3.2.4所示。

使用相同的操作步骤定义变量length，其初始值为0.48 × lambda；定义变量gap，其初始值为0.24mm；定义变量dip_length，其初始值为length/2 - gap/2；定义变量dip_radius，其初始值为lambda/200；定义变量rad_radius，其初始值为dip_radius + lambda/4；定义变量rad_height，其初始值为dip_length + gap/2 + lambda/10。

定义完成后，确认设计属性对话框如图3.2.5 所示。最后单击设计属性对话框中的 按钮，完成所有变量的定义和添加工作。

3.设计建模

（1）创建偶极子天线模型

首先，创建一个沿 z 轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为（0，0，gap/2），半径为dip_radius，长度为dip_length，材质为理想导体，并将模型命名为Dipole。然后，通过沿着坐标轴复制操作（Duplicate around axis）生成偶极子天线的另一个臂。

在主菜单栏中选择【Draw】→【Cylinder】命令或者单击工具栏上的 按钮，进入创建圆柱体的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体。新建的圆柱体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Cylinder1。

双击操作历史树中的Solids下的Cylinder1 节点，打开新建圆柱体属性对话框的Attribute选项卡。把圆柱体的名称设置为Dipole，设置其材质为pec，如图3.2.6 所示，然后单击 按钮退出。

双击操作历史树中的Dipole下的CreateCylinder节点，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。在对话框的Center Position文本框中输入底面圆心坐标为（0，0，gap/2），在Radius文本框中输入半径值dip_radius，在Height文本框中输入长度值dip_length，如图3.2.7所示。然后单击 按钮，完成圆柱体Dipole的创建。

此时就创建好了名称为Dipole的理想导体细圆柱体模型。按快捷键Ctrl + D全屏显示所创建的模型。接下来通过沿着坐标轴复制操作，生成偶极子天线的另一个臂。

选中新创建的圆柱体模型Dipole，然后从主菜单栏中选择【Edit】→【Duplicate】→【Around Axis】命令或者直接单击工具栏上的 按钮，执行沿坐标轴复制的操作。此时，会打开如图3.2.8所示的Duplicate Around Axis对话框。在该对话框中将Axis选项设置为x轴，将Angle选项设置为180deg，并在Total number数值框中输入2。最后单击 按钮，即可把细导体圆柱Dipole沿着x轴旋转180°复制生成偶极子天线的另一个臂，同时复制生成的模型自动命名为Dipole_1。

再次按快捷键Ctrl + D全屏显示所有已创建的模型，如图3.2.9所示。

（2）设置端口激励

半波偶极子天线由中心位置馈电。在偶极子天线中心位置创建一个平行于 yz 面的矩形面作为激励端口平面，并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，因此其顶点坐标为（0，- dip_radius，- gap/2），长度和宽度分别为2 × dip_radius和 _gap 。

首先，单击工具栏上的 下拉列表框，从其下拉列表中选择YZ选项，把当前工作平面设置为 yz 平面。然后，从主菜单栏中选择【Draw】→【Rectangle】命令或者单击工具栏上的 按钮，进入创建矩形面的状态。接着在三维模型窗口的 yz 面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认的名称为Rectangle1。

双击操作历史树中的Sheets下的Rectangle1 节点，打开新建矩形面属性对话框的Attribute选项卡，把矩形面的名称设置为Port，如图3.2.10所示。然后单击 按钮退出。

双击操作历史树中的Port下的CreateRectangle节点，打开新建矩形面属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。在Position文本框中输入顶点坐标为（0，- dip_radius，- gap/2），在YSize和ZSize文本框中分别输入矩形面的长和宽为2 × dip_radius和 _gap ，如图3.2.11所示。最后单击 按钮退出。

这样就在 yz 面上创建了一个上下边缘分别与偶极子天线两个臂相接的矩形面Port，接下来，我们需要设置该矩形面的激励方式为集总端口激励，具体操作方法如下。

首先在操作历史树中的Sheets节点下选中该矩形面。然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Excitation】→【Lumped Port】命令，打开如图3.2.12 所示的集总端口设置对话框。由前面的理论分析可知，半波偶极子天线的输入阻抗约为73.2Ω。为了达到良好的阻抗匹配，在General对话框中将Resistance选项设置为73.2ohm，将Reactance选项设置为0ohm。然后单击 按钮，打开Modes对话框。在该对话框中单击Integration Line列下的None，从其下拉列表中选择New Line选项，此时会进入三维模型窗口进行端口积分线的设置。

首先单击工具栏上的按钮，全屏显示选中的矩形面Port，然后在矩形面下边缘处移动鼠标指针，当鼠标指针变成▲形状时，表示捕捉到了矩形面下边缘的中点位置。此时单击即可确定积分线的起点。再沿着 z 轴向上移动鼠标指针，当鼠标指针变成▲形状时，表示捕捉到了矩形面上边缘的中点位置，再次单击以确定积分线的终点。此时积分线设置完成并自动返回到集总端口设置对话框。设置积分线的过程如图3.2.13所示。

单击如图3.2.12右图所示的对话框中的 按钮，打开Post Processing对话框，在该对话框中选中Do Not Renormalize单选按钮。最后单击 按钮，完成集总端口激励的设置。

（3）设置辐射边界条件

要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件或者PML边界条件。当前设计中我们使用辐射边界条件，辐射边界和天线之间的距离为1/4个工作波长。这里，我们首先创建一个沿着 z 轴放置的圆柱体模型，其材质为空气（air），底面圆心坐标为（0，0，- rad_height），半径为rad_radius，高度为2 × rad_height。然后把该圆柱体的表面设置为辐射边界条件。

①创建辐射边界的圆柱体。

首先，单击工具栏上的 下拉列表框，从其下拉列表中选择XY选项，把当前工作平面设置为 xy 平面。然后，从主菜单栏中选择【Draw】→【Cylinder】命令或者单击工具栏上的 按钮，进入创建圆柱体的状态，并在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体。新建的圆柱体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Cylinder1。

双击操作历史树中的Solids下的Cylinder1 节点，打开新建圆柱体属性对话框的Attribute选项卡，把圆柱体的名称设置为Rad_air，设置其材质为air，设置其透明度为0.8，如图3.2.14所示。最后单击 按钮退出。

双击操作历史树中的Rad_air下的CreateCylinder节点，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。在Center Position文本框中输入底面圆心坐标为（0，0，- rad_height/2），在Radius文本框中输入半径值rad_radius，在Height文本框中输入长度值2 × rad_height，如图3.2.15 所示。然后单击 按钮，完成圆柱体Rad_air的创建。

此时就创建好了名称为Rad_air的圆柱体模型。按快捷键Ctrl + D全屏显示创建的所有模型。

②设置辐射边界条件。

在操作历史树下单击Rad_air节点，以便选中该圆柱体模型。然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】→【Radiation】命令，打开辐射边界条件设置对话框，如图3.2.16 所示。在该对话框中保留默认设置，直接单击 按钮，把圆柱体模型Rad_air的表面设置为辐射边界条件。

4.求解设置

分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz附近，因此，求解频率设置为3GHz。同时添加2.5GHz ~ 3.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频（Fast），分析天线在2.5GHz ~3.5GHz频段内的回波损耗和电压驻波比。

（1）求解频率和网格剖分设置

设置求解频率为3GHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。

右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷菜单中选择【Add Solution Setup】命令，打开Solution Setup对话框。在该对话框中的Solution Frequency文本框中输入求解频率3GHz，在Maximum Number of Passes文本框中输入最大迭代次数20，在Maximum Deltaimum S文本框中输入收敛误差0.02，其他选项保持默认设置，如图3.2.17 所示。然后单击 按钮，完成求解设置。

设置完成后，求解设置项的名称Setup1会添加到工程树的Analysis节点下。

（2）扫频设置

扫频类型选择快速扫频，扫频频率范围为2.5GHz ~ 3.5GHz，频率步进为0.001GHz。

展开工程树下的Analysis节点，右键单击前面添加的求解设置项Setup1，在弹出的快捷菜单中选择【Add Frequency Sweep】命令，打开Edit Sweep对话框，如图3.2.18 所示。在Sweep Type下拉列表框中设置扫频类型为Fast。在Frequency Setup选项组中的Type下拉列表中选择LinearStep选项，并且设置Start为2.5GHz，Stop为3.5GHz，Step Size为0.001GHz，其他选项都保留默认设置。最后单击对话框中的 按钮，完成设置。

设置完成后，该扫频设置项的名称Sweep1 会添加到工程树的求解设置项Setup1 节点下。

5.设计检查和运行仿真计算

通过前面的操作，我们已经完成了偶极子天线模型的创建和求解设置等HFSS设计的前期工作，接下来就可以运行仿真计算并查看分析结果了。但在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。

从主菜单栏中选择【HFSS】→【Validation Check】命令或者单击工具栏上的 按钮，进行设计检查。此时，会打开如图3.2.19 所示的Validation Check对话框，该对话框中的每一项前面都显示 图标，表示当前的HFSS设计正确且完整。单击 按钮，关闭对话框，接下来开始运行仿真计算。

右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷菜单中选择【Analyze All】命令或者单击工具栏上的 按钮，开始运行仿真计算。

在仿真计算过程中，工作界面右下方的进度条窗口会显示出求解进度，信息管理窗口也会有相应的信息说明，并会在仿真计算完成后给出完成提示信息。

6.HFSS天线问题的数据后处理

HFSS拥有强大的数据后处理功能，仿真分析完成后，在数据后处理部分能够给出天线的各项性能参数的仿真分析结果，如回波损耗、驻波比、Smith圆图、输入阻抗和方向图等。下面我们就借助半波偶极子天线设计实例来讲解HFSS中查看天线各项性能参数的具体操作。

（1）回波损耗 S ₁₁

回波损耗是天线设计中需要关注的重要参数之一，在HFSS中查看回波损耗 S ₁₁ 的具体操作步骤如下。

右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】命令，打开报告设置对话框，如图3.2.20 所示。在该对话框中，确定左侧的Solution下拉列表框中设置的是Setup1:Sweep1，在Category列表框中选择S Parameter，在Quantity列表框中选择S（1，1），在Function列表框中选择dB。然后单击 按钮，再单击 按钮关闭对话框。此时，可以生成如图3.2.21 所示的在2.5GHz ~ 3.5GHz频段内的回波损耗 S ₁₁ 的分析结果。

从分析结果可以看出，设计的偶极子天线中心频率约为3GHz， S ₁₁ < -10dB的相对带宽BW=（3.249 -2.789）/3=15.3%。

（2）电压驻波比VSWR

查看天线电压驻波比的操作和查看回波损耗 S ₁₁ 的操作相似。同样是右键单击工程树下

的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】命令，打开报告设置对话框。在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1:Sweep1，在Category列表框中选中VSWR，在Quantity列表框中选中VSWR（1），在Function列表框中选中< none > ，如图3.2.22 所示。然后单击 按钮，再单击 按钮关闭对话框。此时生成天线的电压驻波比分析结果，如图3.2.23所示。

（3）Smith圆图

在天线的设计中，Smith圆图是一个很有用的工具。借助于Smith圆图，能够方便地进行阻抗匹配，给出驻波比，归一化输入阻抗等各种信息。进行HFSS天线设计时，通过Smith圆图查看归一化输入阻抗的具体操作如下。

3 6 HFSS天线设计（第2版）

右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择【Create Modal Solution Data Report】→【Smith Chart】命令，打开报告设置对话框，如图3.2.24所示。在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1:Sweep1，在Category列表框中选中S Parameter，在Quantity列表框中选中S （1，1 ），在Function列表框中选中〈none〉。然后单击 按钮，再单击 按钮关闭对话框。此时，即可生成如图3.2.25 所示的在2.5GHz ~ 3.5GHz频段内 S ₁₁ 的Smith圆图显示结果。

从Smith圆图结果中可以看出，在中心频率为3GHz时的归一化阻抗约为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。VSWR < 2 （即反射系数| Γ | < 1/3 ）的频率范围约为2.78GHz~ 3.27GHz。

（4）输入阻抗

输入阻抗是天线的一个重要性能参数，除了可以在前面的Smith圆图结果中查看天线的归一化输入阻抗外，也可以在HFSS中直接查看天线的输入阻抗值，其操作和查看回波损耗的操作类似，具体步骤如下。

右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】命令，打开报告设置对话框。在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1:Sweep1，在Category列表框中选中Z Parameter，在Quantity列表框中选中Z（1，1），在Function列表框中同时选中im和re，表示同时查看输入阻抗的虚部（即电抗部分）和实部（即电阻部分），如图3.2.26所示。然后单击 按钮，再单击 按钮关闭对话框。此时，可以给出天线的输入阻抗结果报告，如图3.2.27所示。

从结果报告中可以看出，设计的半波偶极子天线在中心频率3GHz上，输入阻抗为（72.8 - j0.4）Ω，和3.1节中的式（3-1-17）的理论分析结果十分接近。

（5）方向图

天线方向图是方向性函数的图形表示，它可以形象地描绘天线辐射特性随着空间方向坐标变化的关系，是衡量天线性能的重要图形。在天线方向图中可以观察到天线的多项性能参数。在HFSS后处理部分可以方便地绘制出天线的平面方向图和三维立体方面图。天线方向图是在远场区确定的，要查看天线的远区场的计算结果，首先需要定义辐射表面。下面我们就来讲解查看半波偶极子天线在 xz 平面和 xy 平面的增益方向图，以及查看半波偶极子天线三维立体增益方向图的具体操作。

①定义辐射表面。

辐射表面是基于球坐标系定义的。 xz 平面即球坐标系下 φ =0°的平面，xy平面即球坐标系下 θ =90°的平面，而三维立体球面在球坐标下则表示为0≤ θ ≤180°、0≤ φ ≤360°。下面依次定义 xz 平面、 xy 平面和三维立体球面为辐射表面。

定义 xz 平面为辐射表面的具体操作为：右键单击工程树下的Radiation节点，在弹出的快捷菜单中选择【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】命令，打开Far Field Radiation Sphere Setup对话框，如图3.2.38所示。在该对话框中的Name文本框中输入辐射表面的名称E_Plane，将Phi选项组中的Start、Stop和Step Size均设置为0deg，将Theta选项组中的Start、Stop和Step Size分别设置为-180deg、180deg和1deg。然后单击 按钮，完成设置。此时，定义的辐射表面的名称E_Plane会添加到工程树的Radiation节点下。

使用相同的操作定义 xy 平面和三维立体球面为辐射表面。对于 xy 平面，在Far Field Radiation Sphere Setup对话框的Name文本框中输入辐射表面的名称H_Plane，将Phi选项组中的Start、Stop和Step Size分别设置为0deg、360deg和1deg，将Theta选项组中的Start、Stop和Step Size分别设置为90deg、90deg和0deg。对于三维立体球面，在Far Field Radiation Sphere Setup对话框的Name文本框中输入辐射表面的名称3D_Sphere，将Phi选项组中的Start、Stop和Step Size分别设置为0deg、360deg和1deg，将Theta选项组中的Start、Stop和Step Size分别设置为0deg、180deg和1deg。

这样在工程树的Radiation节点下就添加了三个辐射表面，名称分别为E_ Plane、H_Plane和3D_Sphere。

②查看 xz 面的增益方向图。

右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择【Create Far Fields Report】→【Radiation Pattern】命令，打开报告设置对话框，如图3.2.29所示。在该对话框中的Geometry下拉列表中选择前面定义的辐射表面E_Plane，在Primary Sweep下拉列表中选择Theta选项，在Category列表框中选择Gain，在Quantity列表框中选择GainTotal，在Function列表框中选择dB，然后单击 按钮，生成极坐标系下天线的 xz 面增益方向图，如图3.2.30所示。

③查看 xy 面的增益方向图。

使用和前面相同的操作方法，只是在如图3.2.29 所示对话框的Geometry下拉列表中选择辐射表面H_Plane，在Primary Sweep下拉列表中选择Phi选项，这样即可生成如图3.2.31所示的 xy 面增益方向图。

④查看三维增益方向图。

右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择【Create Far Fields Report】→【3D Polar Plot】命令，打开如图3.2.32 所示的报告设置对话框。在该对话框的Geometry下拉列表中选择前面定义的辐射面3D_Sphere，在Category列表框中选择Gain，在Quantity列表框中选择GainTotal，在Function列表框中选择dB。然后单击 按钮，即可生成半波偶极子天线的三维增益方向图，如图3.2.33所示。

（6）其他参数

展开工程树下的Radiation节点，右键单击相应辐射表面的名称，这里右键单击3D_Sphere，在弹出的快捷菜单中选择【Compute Antenna Parameters】命令，打开Antenna Parameters对话框。然后直接单击该对话框中的 按钮，此时可以给出天线在该辐射表面上的最大辐射强度、方向性系数、最大场强及其所在方向等参数。整个操作过程如图3.2.34所示。

7.保存设计

至此，我们便完成了使用HFSS分析半波偶极子天线的操作，在设计中我们查看了半波偶极子天线的各项性能参数。最后，单击工具栏上的 按钮保存设计，再从主菜单栏中选择【File】→【Exit】命令退出HFSS。 l8G+zPu/LP9atJAP8p2FhFALrOnHU0flu1n5vEGGVdYhoIDxecRB8AeJwvL/RDvz