基于HFSS的多频段天线设计
基于HFSS的多频段天线设计[20200406125220]
摘 要
本论文对超材料技术的定义进行了概括，对国内外的研究发展和研究趋势做了些分析，并且简述了超材料在天线上的应用对天线性能产生的影响；综述了电磁仿真软件—HFSS的使用环境和功能，并详细分析HFSS的设计流程并且会针对天线做详细的操作，对仿真后的天线的各项参数进行测试以及分析,以确定天线是否满足预设的要求。
本论文会对不同的超材料天线进行仿真，并逐个简要的分析超材料天线与传统天线的性能差别；最后基于T型超材料款多频段天线，对天线的形状、尺寸大小、结构进行优化设计，通过参数的调整，将天线频段特性和增益特性大幅提高，显示出良好的工程应用前景。
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关键字:超材料超材料天线HFSST型天线
目 录
1. 引言 1
1.1超材料的定义 1
1.2 超材料的研究进展和发展趋势 1
1.3 超材料应用于天线的目的和意义 3
2. 仿真软件HFSS论述 4
2.1 HFSS简介 4
2.2 HFSS天线设计流程论述 4
2.3 HFSS天线设计详细操作 5
3. 超材料天线的特性模拟 9
3.1 超材料天线的多频段特性 9
3.2 超材料天线的高增益特性 11
3.3 超材料天线的小型化 13
4. T型超材料天线的优化设计 15
4.1 外形的优化设计 15
4.2 尺寸的优化设计 17
4.3 结构的优化设计 18
结束语 20
参考文献 21
致谢 22
1. 引言
1.1超材料的定义
超材料是人造复合材料的周期或非周期人工微结构分布。其主要思想是，通过复杂的人工设计和加工的微观结构，实现了人工电磁领域，或声纳，一个理论的核心是“原子”变换光学和传播路径的波描述材料特性。超材料科学是一种很前沿的技术，涉及到的技术领域包括通信，微波，电磁，半导体，太赫兹，先进的系统工程等。[1-3]
1.2 超材料的研究进展和发展趋势
最初称超材料为左手材料（ LHM ），是苏联物理学专家韦谢拉戈于1968年首先提出的。他从麦克斯韦方程出发来分析电磁波如何在具有负介电常数和负磁导率的物质中传
播，以及论述了电磁波在这种物质中传播时所应该产生的电磁性质。电磁波在这件物质上传输，群速度和电磁波的相速度方向相反，H，K，E这三个向量表现出的是左手螺旋定则，与电磁波在普通物体中传播时，所呈现的右手螺旋定则恰好相反。[4]
这种材料称为左手材料（ LHM ）。在那时，现实生活中还不能证明该种材料是存在的，所以 Veslago所证明的这种理论只是一种假设。随后，越来越多的人参与研究这种材料，
图1.1 开口谐振环
这种材料在研究中取得了一些进展。 1999年，约翰彭德里教授设计了一种由铜环相套而构成的周期性结构与磁性反应，就是现在的开口环谐振器（ SRR ）结构（如图1.1）。[5]
在2001年，加州大学的谢尔比，将铜线微结构和开口环微结构组合，以确保在同一频带中的介电常数和负磁导率的大小结构。人工实现这种左手材料，很大的拓宽了光学工程，电路原理，光学工程，材料科学等学科，其中展出的新型电磁响应，立即成为世界电磁学科和物理学科的焦点。[6]
自二维左手材料出现以后，根据使用各向同性平面细胞结构如图1.2（a）中的设计结构，
图1.2 shelby等人制备的左手材料
Balmaz成功的设计了单负超材料，该结构可以在两个方向上都能实现负磁导率。 科希尼所做如图1.2（b）中所示的微结构，做成了可以实现各项同性的左手材料。
2003年，C.Parazzoli和两个小组的加拿大多伦多大学研究员在做实验的过程中，观察到负折射现象; 2009年，东南大学崔铁军教授与刘若鹏团队合作成功做出二维隐身衣，使隐身衣的研究更上一层楼。崔铁军教授和法国研究组合作，与2011年成功研制出了三维化隐形衣; 2011年7月哥伦比亚大学副教授王琪薇开发建造了零折射率“超材料”，这是一种全新的光纳米结构。近年来，由于超材料的研究不断的到突破，使得超材料学科受到越来越多的追捧，并且在《科学》杂志等各项杂志中屡次获奖。[7-8]
近几年，由于超材料的不断发展，引起了国际上各个国家的高度重视，尤其是以美国为首的发达国家政府和研究机构的关注。随着超材料技术创新，超材料可以设计复杂度是指数增长。这也大大拓宽了超材料的种类，为超材料在实际中的应用打下了坚实的基础。目前，世界上一些具有前瞻性的国际跨国公司也组建了超材料实验室，推动超材料产业化，加快占有超材料的市场。[9]
在近些年，科学家成功的研制出了许多具有特殊电磁特性的材料，如左手材料（LHM），隐形斗篷等。我国的科研机构也在努力的对超材料技术进行研发，政府部门也拿出一部分资金来鼓励研究所对超材料的研发。除了研究所外，我国的一些具有影响力的大学，如清华大学，北京大学，浙江大学等大学也都投入超材料的研发。虽然从总体上看，在实验研究中，材料的制备与研究装置的宽度和技术水平的差距是比较大的，但是通过国家的大力投入，我们已经有一批优秀的团队，在世界上发表了很多具有世界影响力的论文。在过去的20年中，科学家们一直致力于使复合材料具有传感功能。到目前为止，在智能复合材料的一些领域的工作主要集中在各种传感器和设备的可行性整合。这些研究包括评价传感器在复合材料耐久性的有机组成部分，以及定量集成器件在强度和疲劳寿命。但需要解决很多的问题，例如，在复合材料中嵌入的传感器网络应用系统的研究很少，没有集成传感器芯片在智能复合材料领域被引入到发展领域。[10-11]
1.3 超材料应用于天线的目的和意义
超材料主要包括电磁带隙（EBG）结构，缺陷（DGS），左手材料（LHM），频率选择表面（FSS），软/硬表面等。这些材料是合成材料，不显示在电磁领域的一些自然现象，如带隙，负折射率等。当把他们应用于微波或者毫米波工程领域中，可以显著改善一些设备及器件的性能，如提高天线增益、减少阵元间耦合、制造高Q谐振腔、实现完美透镜等。可以说，这些人工材料的出现，为克服现在在天线、通信等领域遇到的一些技术限制提供了可能性的方案。
超材料技术在天线中的应用，目前主要是以EBG的应用为代表，像LHM技术目前仍处于它的奇异特性的理论研究、结构实现以及实验观察上，具体应用远没有EBG技术开展的广泛和容易实现。因此，本文主要综述了EBG结构在天线中的应用研究现状。
EBG结构最显著的两个特性，是同相反射特性和表面波抑制特性。在天线设计中应用这两个特性，可以显著改善天线的结构和性能。在天线应用中，介质中激起的表面波会增加天线阵元间的互耦合，降低天线辐射效率和退化方向图。EBG材料在平面阵列微带天线中的应用研究，电磁带隙抑制性能，可以有效地提高天线的增益和效率。[12]
2. 仿真软件HFSS论述
2.1 HFSS简介
HFSS是世界上第一款三维仿真电磁软件，刚开放使用的时候已经受到广大行业人士的一致欢迎。经过几年的发展，HFSS由于数字处理信息强大，用户界面简洁，计算精准和出色的稳定性，成为了世界电磁场仿真软件的行业标准。HFSS为工程师们设计天线结构做出了很大的贡献，例如，射频，研究目标和系统/组件的EMC / EMI特性，从而降低设计成本，缩短设计周期，提高竞争力。
2.2 HFSS天线设计流程论述
图2.1所示为使用HFSS进行天线设计的简要流程，设计流程中各个步骤的功能分述如下。
图 2.1 天线设计流程图
1) 设置求解类型，在用HFSS软件设计中可以选择两种模式求解类型，根据需要选择求解类型。用HFSS软件对天线的设计，也必须准确设置辐射边界条件或完全匹配层（PML）正确地磁体的旁边，从而可以计算远场天线。
2) 创建天线的结构模型。在HFSS仿真软件中，根据所需的天线的大小和构造来创建天线模型。另外，HFSS也可以直接导入由AutoCAD、Pro/E等第三方软件创建的结构模型。
摘 要
本论文对超材料技术的定义进行了概括，对国内外的研究发展和研究趋势做了些分析，并且简述了超材料在天线上的应用对天线性能产生的影响；综述了电磁仿真软件—HFSS的使用环境和功能，并详细分析HFSS的设计流程并且会针对天线做详细的操作，对仿真后的天线的各项参数进行测试以及分析,以确定天线是否满足预设的要求。
本论文会对不同的超材料天线进行仿真，并逐个简要的分析超材料天线与传统天线的性能差别；最后基于T型超材料款多频段天线，对天线的形状、尺寸大小、结构进行优化设计，通过参数的调整，将天线频段特性和增益特性大幅提高，显示出良好的工程应用前景。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:超材料超材料天线HFSST型天线
目 录
1. 引言 1
1.1超材料的定义 1
1.2 超材料的研究进展和发展趋势 1
1.3 超材料应用于天线的目的和意义 3
2. 仿真软件HFSS论述 4
2.1 HFSS简介 4
2.2 HFSS天线设计流程论述 4
2.3 HFSS天线设计详细操作 5
3. 超材料天线的特性模拟 9
3.1 超材料天线的多频段特性 9
3.2 超材料天线的高增益特性 11
3.3 超材料天线的小型化 13
4. T型超材料天线的优化设计 15
4.1 外形的优化设计 15
4.2 尺寸的优化设计 17
4.3 结构的优化设计 18
结束语 20
参考文献 21
致谢 22
1. 引言
1.1超材料的定义
超材料是人造复合材料的周期或非周期人工微结构分布。其主要思想是，通过复杂的人工设计和加工的微观结构，实现了人工电磁领域，或声纳，一个理论的核心是“原子”变换光学和传播路径的波描述材料特性。超材料科学是一种很前沿的技术，涉及到的技术领域包括通信，微波，电磁，半导体，太赫兹，先进的系统工程等。[1-3]
1.2 超材料的研究进展和发展趋势
最初称超材料为左手材料（ LHM ），是苏联物理学专家韦谢拉戈于1968年首先提出的。他从麦克斯韦方程出发来分析电磁波如何在具有负介电常数和负磁导率的物质中传
播，以及论述了电磁波在这种物质中传播时所应该产生的电磁性质。电磁波在这件物质上传输，群速度和电磁波的相速度方向相反，H，K，E这三个向量表现出的是左手螺旋定则，与电磁波在普通物体中传播时，所呈现的右手螺旋定则恰好相反。[4]
这种材料称为左手材料（ LHM ）。在那时，现实生活中还不能证明该种材料是存在的，所以 Veslago所证明的这种理论只是一种假设。随后，越来越多的人参与研究这种材料，
图1.1 开口谐振环
这种材料在研究中取得了一些进展。 1999年，约翰彭德里教授设计了一种由铜环相套而构成的周期性结构与磁性反应，就是现在的开口环谐振器（ SRR ）结构（如图1.1）。[5]
在2001年，加州大学的谢尔比，将铜线微结构和开口环微结构组合，以确保在同一频带中的介电常数和负磁导率的大小结构。人工实现这种左手材料，很大的拓宽了光学工程，电路原理，光学工程，材料科学等学科，其中展出的新型电磁响应，立即成为世界电磁学科和物理学科的焦点。[6]
自二维左手材料出现以后，根据使用各向同性平面细胞结构如图1.2（a）中的设计结构，
图1.2 shelby等人制备的左手材料
Balmaz成功的设计了单负超材料，该结构可以在两个方向上都能实现负磁导率。 科希尼所做如图1.2（b）中所示的微结构，做成了可以实现各项同性的左手材料。
2003年，C.Parazzoli和两个小组的加拿大多伦多大学研究员在做实验的过程中，观察到负折射现象; 2009年，东南大学崔铁军教授与刘若鹏团队合作成功做出二维隐身衣，使隐身衣的研究更上一层楼。崔铁军教授和法国研究组合作，与2011年成功研制出了三维化隐形衣; 2011年7月哥伦比亚大学副教授王琪薇开发建造了零折射率“超材料”，这是一种全新的光纳米结构。近年来，由于超材料的研究不断的到突破，使得超材料学科受到越来越多的追捧，并且在《科学》杂志等各项杂志中屡次获奖。[7-8]
近几年，由于超材料的不断发展，引起了国际上各个国家的高度重视，尤其是以美国为首的发达国家政府和研究机构的关注。随着超材料技术创新，超材料可以设计复杂度是指数增长。这也大大拓宽了超材料的种类，为超材料在实际中的应用打下了坚实的基础。目前，世界上一些具有前瞻性的国际跨国公司也组建了超材料实验室，推动超材料产业化，加快占有超材料的市场。[9]
在近些年，科学家成功的研制出了许多具有特殊电磁特性的材料，如左手材料（LHM），隐形斗篷等。我国的科研机构也在努力的对超材料技术进行研发，政府部门也拿出一部分资金来鼓励研究所对超材料的研发。除了研究所外，我国的一些具有影响力的大学，如清华大学，北京大学，浙江大学等大学也都投入超材料的研发。虽然从总体上看，在实验研究中，材料的制备与研究装置的宽度和技术水平的差距是比较大的，但是通过国家的大力投入，我们已经有一批优秀的团队，在世界上发表了很多具有世界影响力的论文。在过去的20年中，科学家们一直致力于使复合材料具有传感功能。到目前为止，在智能复合材料的一些领域的工作主要集中在各种传感器和设备的可行性整合。这些研究包括评价传感器在复合材料耐久性的有机组成部分，以及定量集成器件在强度和疲劳寿命。但需要解决很多的问题，例如，在复合材料中嵌入的传感器网络应用系统的研究很少，没有集成传感器芯片在智能复合材料领域被引入到发展领域。[10-11]
1.3 超材料应用于天线的目的和意义
超材料主要包括电磁带隙（EBG）结构，缺陷（DGS），左手材料（LHM），频率选择表面（FSS），软/硬表面等。这些材料是合成材料，不显示在电磁领域的一些自然现象，如带隙，负折射率等。当把他们应用于微波或者毫米波工程领域中，可以显著改善一些设备及器件的性能，如提高天线增益、减少阵元间耦合、制造高Q谐振腔、实现完美透镜等。可以说，这些人工材料的出现，为克服现在在天线、通信等领域遇到的一些技术限制提供了可能性的方案。
超材料技术在天线中的应用，目前主要是以EBG的应用为代表，像LHM技术目前仍处于它的奇异特性的理论研究、结构实现以及实验观察上，具体应用远没有EBG技术开展的广泛和容易实现。因此，本文主要综述了EBG结构在天线中的应用研究现状。
EBG结构最显著的两个特性，是同相反射特性和表面波抑制特性。在天线设计中应用这两个特性，可以显著改善天线的结构和性能。在天线应用中，介质中激起的表面波会增加天线阵元间的互耦合，降低天线辐射效率和退化方向图。EBG材料在平面阵列微带天线中的应用研究，电磁带隙抑制性能，可以有效地提高天线的增益和效率。[12]
2. 仿真软件HFSS论述
2.1 HFSS简介
HFSS是世界上第一款三维仿真电磁软件，刚开放使用的时候已经受到广大行业人士的一致欢迎。经过几年的发展，HFSS由于数字处理信息强大，用户界面简洁，计算精准和出色的稳定性，成为了世界电磁场仿真软件的行业标准。HFSS为工程师们设计天线结构做出了很大的贡献，例如，射频，研究目标和系统/组件的EMC / EMI特性，从而降低设计成本，缩短设计周期，提高竞争力。
2.2 HFSS天线设计流程论述
图2.1所示为使用HFSS进行天线设计的简要流程，设计流程中各个步骤的功能分述如下。
图 2.1 天线设计流程图
1) 设置求解类型，在用HFSS软件设计中可以选择两种模式求解类型，根据需要选择求解类型。用HFSS软件对天线的设计，也必须准确设置辐射边界条件或完全匹配层（PML）正确地磁体的旁边，从而可以计算远场天线。
2) 创建天线的结构模型。在HFSS仿真软件中，根据所需的天线的大小和构造来创建天线模型。另外，HFSS也可以直接导入由AutoCAD、Pro/E等第三方软件创建的结构模型。
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