HFSS保姆级学习笔记实践篇（一）矩形贴片微带天线优化设计

理论依据：辐射边界表面距离辐射元要大于1/4个工作波长 2.45GHz的频率下，工作波长为 λ = c f = 122.4 m m \lambda=\frac{c}{f}=122.4mm λ=fc​=122.4mm, 1 4 λ = 30.6 m m \frac{1}{4}\lambda=30.6mm 41​λ=30.6mm,我们设置边界距离辐射元35mm。且两边都要距离为35mm，因此辐射边界的长宽为 90 + 2 ∗ 35 = 160 m m 90+2*35=160mm 90+2∗35=160mm，高度为 5 + 2 ∗ 35 = 75 m m 5+2*35=75mm 5+2∗35=75mm 首先创建长方体模型（前面已经讲过如何创建这里不多赘述，不懂得可以看上一篇，写的很详细） 重命名为Air； 材料设置为真空（vaccum）； 透明度设置为0.8（这个可随意，推荐为0.8）。 设置参数 起始点为（-80，-80，-35），长宽高分别为160mm，160mm，75mm 解释一下Z轴起始点为什么是-35，因为辐射边界距离下表面要35mm，而距离上表面也是35mm，上表面距离 X O Y XOY XOY平面还有五厘米的距离，所以起始点的位置为-35mm，而高为80mm。 点击Ctrl+D全局显示，如图：

选中刚创建好的辐射边界，右键选择Assign Boundary→Radiation设置辐射边界条件 打开对话框后保持默认设置并保存下来

辐射边界条件会添加到工程树的Boundaries中

右键点击工程树中的Analysis→Add Solution Setup 工作频率设置为2.45GHz； 将最大迭代次数设置为15次。 右键点击刚创建好的Setup→Add Frequency Sweep添加扫频设置 将扫频类型设置为快速扫频（Fast）； 范围设置为1.5GHz~3.5GHz，扫频的步长为0.02GHz。

做完这些之后进行设计检查，若成功通过则可以开始仿真。 点绿色的对勾来进行设计检查，都是绿色对勾表示涉及检查通过可以进行仿真了。 点击Close，并进行仿真分析； 点击绿色的感叹号进行仿真分析。 在进程窗口可以看到仿真进度，这个大概需要五分钟的时间，根据电脑性能会有所差异，大家要耐心等待。 下图为进程窗口： 仿真完成后信息管理窗口也会给出仿真完成信息：

右键点击工程树下的Results→Create Model Solution Data Report→Rectangular Plot 查看 S 1 1 S_11 S1​1参数： Category项选择S Parameter（S参数），Quantity选择S(P1,P1)，Function项选择dB。 点击Newreport 在工程树中点击dB（S(P1,P1)）观察图像：

点击工具栏中的Add Mark按钮，进行添加标记点再右键点击End Marker Mode     ESC退出标记模式，如图所示：

添加变量 在进行优化之前先进行参数扫描分析，目的是找到合适的优化变量并设置其取值范围。 点击HFSS→Design Properties添加三个设计变量，分别用来表示微带天线辐射元的长度宽度和同轴馈线的位置。 添加三个变量并赋初始值， 变参数值 点击 Patch中的参数窗口在属性栏中将长和宽的参数分别修改为Length和Width，就是将参数表从具体的数变为变量 再点击Feed的属性窗口，将同轴线的起始位置定为Xf，如图所示： 为了节省扫频时间，将扫频时间设置的短一点，将扫频范围设置为2.2~2.8GHz，将扫频的步长设置为0.05。 点击工程树中的Sweep：

添加天线长度参数 右键点击工程树中的Optimetrics→Add→Parametric 添加参数扫描分析项：

首先设置Length的范围为28mm~31mm，Step Size为0.5mm

点击Add再选择OK，在工程树中出现了一个分析项 右键点击ParametricSetup1→Analyze 耐心等待这两个进度条读完，可能需要是二十分钟的时间，不要做其他操作，耐心等待耐心等待！ 仿真完毕之后信息管理窗口： 重新绘制回波损耗曲线： 继续查看回波损耗图： 发现随着天线长度的增加，谐振点在逐渐的减小，当天线的长度为29.5mm时，谐振点在2.45GHz 添加天线宽度参数 大体的操作和上一步差不多 右键点击ParametricSetup2→Analyze 分析完毕： 右键点击Results→Create Model Solution Data Report→Rectangular Plot → New Report 可以发现Width的变化不影响谐振点，因此只需要优化长度就可以。

通过扫描分析可以知道应该选取变量Length作为优化变量 HFSS→Design Properties→Optimization在这里面能看到设计过程中所有的变量 在length上面打勾，将Min和Max值分别设置为29和30 右键点击工程树中的Optimetrics→Add→Optimization 再打开的优化设计对话框中可以去选择目标函数和优化算法等信息： 优化算法选择Sequential Nonlinear Programming，最大优化次数设为15次 点击Setup Caculations选择目标函数为回波损耗的最小值，也就是 S 11 S_{11} S11​函数的最小值： 设置solution为Setup1：LastAdaptive（lastadaptive 只能看所设置的solution frequency频点的结果，sweep可以看所设置的扫频范围内各频点的结果。） 选择Minimize选项：

设置Varibles中的Starting Value为29.5mm 点击Analyze进行仿真分析： 在优化等待的过程中，我们可以观察这个进程：

可以看见优化，第二列是每次优化设计的变量，右边的Cost是每次优化设计的目标函数值 优化15次后的结果： 可以看出长度为29.7853954786631mm时，Cost是最小的，点击Apply 点击工程树中的Patch，观察属性框中的参数将Length的值设置为27.79

双击Sweep进行扫频设置，细化扫频范围将步长设置为0.02GHz 右键点击Setup→Analyze运行仿真分析（分析） 右键点击信息管理窗口点击Clear messages for Patch(DrivenModal)可以清空这个信息栏； 右键点击Results→Create Model Solution Data Report→Rectangular Plot 在Trace界面保留默认设置，点击Families选项：

点击New Report生成新的回波损耗图

右键点击ResultsResults→Create Model Solution Data Report→Smith Chart 选择Families选项设置Length为27.79mm，Width为41.4mm 查看 f = 2.46 G H z f=2.46GHz f=2.46GHz时的阻抗为 R X = 0.7034 − 0.1864 i RX = 0.7034-0.1864i RX=0.7034−0.1864i

右键Results→Create Model Solution Data Report→Rectangular Plot 在打开的界面中选择Category为VSWR; 将Families中的长和宽分别设置为29.79mm和41.4mm，点击New Report 电压驻波比如图， f = 2.40 G H z f=2.40GHz f=2.40GHz时，电压驻波比为1.7284， f = 2.50 G H z f=2.50GHz f=2.50GHz时，电压驻波比为1.8943

右键点击工程树中的Radiation→Insert Far Field Setup→Infinite Sphere， 重命名为3d，其他设置设为默认，两个Step Size设置为5deg

右键点击工程树中的Results→Create Create Far Field Report→3D Polar Report 如图所示设置： 绘制出的方向图如下图所示