2025年基于HFSS的超宽带天线仿真设计 .pdf

海纳百川，有容乃大；壁立千仞，无欲则刚。——林则徐

基于HFSS的超宽带天线仿真设计

超宽带技术（uhra-wideband/UWB）是一种新型无线通信技术，它通过对具

有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有Ghz量级的带宽。

不同于普通的载波调制，直接在时域中进行信号操作，所以UWB方式占用带宽

非常宽，且频谱功率密度极小，具有通常扩频通信的特点。在与其他系统共存时，

不仅难产生干扰，而且还有抗其他系统干扰的优点。摆脱了传统通信技术中在带

宽和通信质量之间取舍两难的境地，在频率资料日益紧张的今天这种优势显得尤

为突出。这种优势使得超宽带技术首先在雷达等军用领域得到较为广泛的应用。

近年来，超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视，在雷

达跟踪、无线通信、穿透障碍物成像、武器控制系统、测距、精确定位等领域大

展拳脚，它的应用也从军用领域逐渐过渡到民用领域。由于超宽带系统的特点，

对超宽带天线的特性又提出了不同于一般天线的要求。本着对知识的求真探索的

精神，设计出性能优良的超宽带天线，得要从实际实验出发，但现实条件有限：

一是天线测试场地要求较高，难以满足；二是天线测量设备昂贵，院校测量设备

有限；三是天线种类繁多，很多天线的制作要求较高，周期较长等，降低了实验

的可实施性。所以AnsoftHFSS、CSTMICROWAVESTUDIO等为代表的电磁仿

真软件应运而生，解决了实际实验中一系列问题。下面将利用HFSS软件进行超

宽带天线仿真实验并进行优化设计。

HFSS仿真软件的介绍

高频结构仿真器（HighFrequencyStructureSimu-lator）是美国Asoft公司开发

的一款电磁仿真软件。这是一款用于解决复杂电磁学问题的计算机辅助设计软

件。HFSS是一种基于有限元分析法的电磁仿真辅助软件。它的计算结果非常准

确，是业界公认的可靠的电磁仿真软件。采用图形用户界面，界面简洁直观，操

作简单。在仿真过程中，用户创建或者导入相关模型并设置边界条件和激励等，

软件就能自动进行仿真计算并得到用户需要的相关结果。在天线设计方面，HFSS

可为天线及其系统设计提供全面的仿真功能，精确仿真计算天线的各种性能，包

括二维、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、S参数等。以往工程实践表明，HFSS仿

真结果与相应真实天线的实测结果非常吻合。由于真实天线的制作、调试与实测

往往耗费很大的代价，因而借助HFSS电磁仿真技术，可大幅度减少天线设计成

本，提高设计精度和效率。

原型天线的回波损耗如图1所示，是一个普通的微带贴片窄带天线，显然该

原型天线时不能满足我们的设计要求。根据圆柱估算法可以得出天线的原型。这

里采用圆形的辐射贴片，贴片的直径与圆柱体沿一条边界上的高展开后矩形贴片

长L相等（R=10mm）；圆形辐射贴片被附着在一块3cm×5.1cm的FR-4介质基

板上，基板的厚度为1.6mm；馈线的宽度Wg=3mm，其阻抗值为50Ω；基板的

背面是一块宽W=3cm，高L1=15cm的接地板，接地板的材质设置为铜。有研究

指出，适当降低接地面的外侧边缘有利于高频电磁波的辐射，从而可以展宽天线

百学须先立志。——朱熹

的带宽，而且还可以改善天线的阻抗匹配，所以为了使金属贴片和接地面有更好

的耦合，展宽天线的工作频带，达到超宽带的要求，我们试着改变了天线接地板

的整体形状，发现将接