实验一 T 形波导的内场分析
实验目的1、 熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。
2、掌握 T 型波导功分器的设计方法、 优化设计方法和工作原理。
实验仪器
1、 装有 windows 系统的 PC 一台
2、 HFSS15.0 或更高版本软件
3、 截图软件
实验原理
本实验所要分析的器件是下图所示的一个带有隔片的 T 形波导。
其中，波导的端口 1 是信号输入端口， 端口 2 和端口 3 是信号输出端
口。正对着端口 1 一侧的波导壁凹进去一块， 相当于在此处放置一个
金属隔片。通过调节隔片的位置可以调节在端口 1 传输到端口 2，从
端口 1 传输到端口 3 的信号能量大小， 以及反射回端口 1 的信号能量
大小。
T 形波导
实验步骤
1、新建工程设置：
运行 HFSS 并新建工程：打开 HFSS 软件后，自动创建一个新
工程： Project1，由主菜单选 File\Save as ，保存在指定的文件夹内，
命名为 Ex1_Tee；由主菜单选 Project\ Insert HFSS Design，在工程树
中选择 HFSSModel1，点右键，选择 Rename 项，将设计命名为
TeeModel。
选 择求 解类 型为 模式驱动 （Driven Model ）：由主菜单选
HFSS\Solution Type ，在弹出对话窗选择 Driven Model 项。
设置长度单位为 in：由主菜单选 3D Modeler\Units ，在 Set Model
Units 对话框中选中 in 项。。
2、创建 T 形波导模型：
创建长方形模型：在 Draw 菜单中，点击 Box 选项，在
Command 页输入尺寸参数以及重命名；在 Attribute 页我们可以为长
方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数 Transparen（t 透明度）将
其设为 0.8。Material（材料）保持为 Vacuum。
设置波端口源励：选中长方体平行于 yz 面、x=2 的平面；单击
右键，选择 Assign Excitation\Wave port 项，弹出 Wave Port 界面，
输入名称 WavePort1；点击积分线 (Integration Line) 下的 New line ，
则提示绘制端口，在绘图区该面的下边缘中部即（ 2,0,0)处点左键，
确定端口起始点，再选上边缘中部即 (2,0,0.4)处，作为端口终点。
复制长方体： 展开绘图历史树的 Model\Vacuum\Tee节点，右键
点击 Tee项，选择 Edit\Duplicate\Around Axis ，在弹出对话窗的 Axis
项选择 Z，在 Angel 项输入 90deg，在 Total Number 项输入 2，点
OK，则复制、添加一个长方体，默认名为 TEE_1。重复以上步骤，
在 Angel 项输入-90，则添加第 3 个长方体，默认名 Tee_2.
合并长方体：鼠标右键切换到物体选择状态。
选中第 1 个长方体，
按下 Ctrl 键的同时选中第 2、3 个长方体，由主菜单选 3D
Modeler\Boolean\Unite，则将三个长方体组合在一起，形成了一个 T
型接头。
创建隔片：绘制长方体： Draw/box 命令任意创建一个长方体，
确定位置参数：绘图工程树双击 CreateBox1 在属性对话窗口的Command 页，在 Position 项输入-0.45in , offset-0.05in , 0in ，调整长
方体尺寸；由 T 型接头中减去间隔： 在历史树中选择 Tee 项，按下
Ctrl 键 的 同 时 再 选 中 Septum 项 。
由 主 菜 单 选 3D
Modeler\Boolean\Subtract ，在弹出对话窗口中， 确定 Tee在Blank Parts
列，Septum在 Tool Parts列（即将间隔从型接头中去掉） ，点 OK 完
成。
3、分析求解设置：
在工程树中， 找到 TeeModel\Analysis 节点，点右键 ，选择 Add
Solution Setup ，弹出对话窗。在 General 标签页的 Solution 项输入
10，默认单位为 GHz，在 Adaptive Solutions 的 Maximum Number of
Passes项设为 3，其它不变，点击确定。
添加扫频设置：在工程树中的 Setup1 项上点右键，选择 Add
Frenquency Sweep，在弹出对话窗中选择 General项，其它具体设置
默认不变； 在 Type栏选择 Linear Step，定义频率范围为： 8～10GHz，
阶长 0.05GHz，点 OK 完成。
设计检查：主菜单选 HFSS\Validation Check，则弹出确认检查窗
口，对设计进行确认。全部完成且没有错误时，点 Close结束。
4、运行仿真分析：
由主菜单选 HFSS\Analyze all，对设计的模型进行三维场分析求
解。求解全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。
5、查看仿真分析计算结果：
创建一个 S 参数的矩形曲线图； 创建一个电场视图； 创建动态演
示场覆盖图
内场分析结果
1、 图形化显示 S参数计算结果
XY Plot 1
TeeModal
0.75
Curve Info
mag(S(P ort1,P ort1))Setup1 : Sw eep1
mag(S(P ort1,P ort2))Setup1 : Sw eep1
0.63
mag(S(P ort1,P ort3))
Setup1 : Sw eep1
0.50
1
Y
0.38
0.25
0.13
8.00 8.25 8.50 8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00 Freq [GHz]
图形化显示 S 参数幅度随频率变化的曲线
2、 查看表面电场分布
表面场分布图
3、动态演示场分布图
实验总结：
实验二 T 形波导的优化设计
实验目的1、 熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步骤及工作流程。
2、掌握 T 型波导功分器的设计方法、 优化设计方法和工作原理。
实验仪器
1、 装有 windows 系统的 PC 一台
2、 HFSS15.0 或更高版本软件
3、 截图软件
实验原理
利用参数扫描分析功能。分析在工作频率为 10GHz 时，T 形波导
3 个端口的信号能量大小随着隔片位置变量 Offset 的变化关系。利用
HFSS的优化设计功能， 找出隔片的准确位置， 使得在 10GHz 工作频
点，T 形波导商品 3 的输出功率是端口 2 输出功率的两倍。
实验步骤
1、新建一个优化设计工程；
由主菜单选 File\Open，打开第二部分所创建的 Ex1_Tee.hfss文件。
由 主 菜 单 选 File\Save as， 保 存 在 自 建 文 件 夹 内， 命 名 为
OptimTee.hfss，删除频率扫描。
2、参数扫描分析设置和仿真分析：
在工程树中选 Optimetrics 项上点右键，选择 Add\Parametrie项添
加参数扫描分析项。
定 义输出变量 ：添加变量扫 描定义 ：在对 话窗的 Sweep
Definitions 标签页， 点击 Add，在新弹出窗口中已经默认调节变量为
offset 选择 Linear step项，变量范围设为 0～1，阶长为 0.1，单位均
为 in，点击 Add，则在窗口右侧加入调节变量及其设置。点 OK。
定义输出变量：在 Calculations 标签页（注：设置页面可以在工
程树下 Opimetrics/ParametricSetup1 打开），点击左下角 Setup
Calculation，则弹出 Add/Edit Calculations 对话窗。点击左下角 Output
Variables，弹出 Output Variables对话框，定义 Power11、Power21、
Power31变量.
运行参数扫描分析：在工程树中的 ParametricSetup1项上点击右
键，选择 Analyze，对参数设置中变量扫描定义的每一个变量进行 3D
场分析求解。全部完成后，在信息管理区会出现确定信息。
创建 S 参数与 Offset 变量的关系曲线图：在工程树的 Results项
点右键，选择 Create Modal data Report项选择 Rectangular Plot，点
OK 完成，则弹出对话窗默认选择 Trace选项。
3、优化设计：
添加优化变量： 由主菜单选 HFSS\Design Properties，在弹出对
话窗选择 Optimization 项，在 offset 栏勾选 Include 项，点击确定完成。
添加目标函数： 这里的优化目标是端口 3 的输出功率是端口 2 的2 倍，目标函数为： Power31-2*Power21=0。优化设置的对话框下在
Goals 标签页，点击左下角 Setup Calculation选项，弹出 Add/Edit
Calculation 对话框， 点击左下角 Output vadiables，创建新的一个目标
变量，Name栏中为：Cost，通过 Insert into Expression选项在 Expression
栏中写入表达式： Power31-2*Power21。然后点击 Add，最后点击右
下方 Done。返回到 Add/Edit Calculation 对话框，点击下方 Add
Calculation，添加目标变量到 Setup Optimization 对话框 Cost 中。
设置优化变量的取值范围：选择 Variables 标签页，在 Variable
列只有 offset 变量，勾选 Override 项，在 starting Value 列输入 0.1。
Min 中：0，Max 中：0.3,offset 变化范围在 0 到 0.3in 之间。
运行优化分析：在工程树的 OptimizationSetup1 项上点右键，选择
Analyze，进行优化分析。此过程需要几分钟，可进行下面的实验步
骤。在工程树的 OptimizationSetup1 项上点右键，选择 View Analysis
Result，察看优化结果。
实验结果
1、 创建功率分配随变量 Offset 变化的关系图
power range with offset XY Plot 4 HFSSDesign1 1.00
0.80
Curve Info
0.60
r
e
w
o
p
pow er11
Setup1 : LastAdaptive
Freq='10GHz'
pow er21
Setup1 : LastAdaptive
Freq='10GHz'
0.40
pow er31
Setup1 : LastAdaptive
Freq='10GHz'
0.20
0.00
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
Offset [in]
输出变量随变量 Offset 变化的关系图
分析：从上图所示的图可以看出，当变量 Offset 值逐渐变大时，
即隔片位置向端口 2 移动时， 端口 2 的输出功率逐渐减小， 端口 3 的输出功率逐渐变大；当隔片位置变量 Offset 超过 0.3 英寸时，端口 1
的反射明显增大，端口 3 的输出功率开始减小。因此，在后面的优化
设计中，可以设置变量 Offset 优化范围的最大值为 0.3 英寸。同时，
在 Offset=0.1 英寸时，端口 3 的输出功率约为 0.65，端口 2 的输出功
率略大于 0.3，此处端口 3 的输出功率约为端口 2 输出功率的两倍。
因此，在优化设计时， 可以设置变量 Offset 的优化初始值为 0.1 英寸。
另外，变量 Offset 优化范围的最小值可以取 0 英寸。
2、表面电场随变量 Offset 变化
Offset=0in Offset=0.3in
Offset=0.6in Offset=0.9in
优化设计结果
1、优化结果
0.63
0.50
t
s
o
C
0.37
0.25
0.13
0.00
0 2 4 6 8 10 12 14
Evaluation
在 offset=0.093in 时，目标函数（ Cost function）：
Power31-2*Power21=0.000003达到预期优化效果。
2、 优化后电场分布
实验总结：
实验三 半波偶极子天线仿真实验报告
实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉日 HFSS 软件的使用方法
2、了解利用 HFSS 仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法
3、通过天线的仿真， 了解天线的主要性能参数， 如驻波比特性、smith
圆图特性、方向图特性等
4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法
实验仪器
1、装有 windows 系统的 PC 一台
2、HFSS 15.0
3、截图软件
实验原理
本次实验设计一个中心频率为 3GHz 的半波偶极子天线。天线沿
着 Z 轴放置， 中心位于坐标原点， 天线材质使用理想导体， 总长度为
0.48 λ，半径为 λ/20。0 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。
首先明白一点 :半波偶极子天线就是对称阵子天线。
2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。
一臂的导线半径为 λ/20。0 长度为 l= 0.48 λ。两臂之间的间隙很小，理
论上可以忽略不计，所以振子的总长度 L=21。对称振子的长度与波
长相比拟，本身己可以构成实用天线。
3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认
为是按正弦律分布。取图 1 的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布
可以表示为 :
式中，Im 为天线上波腹点的电流 ;k 为相移常数、根据正弦分布
的特点，对称振子的末端为电流的波节点 ;电流分布关于振子的中心
店对称;超过半波长就会出现反相电流。
4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数
个电流 I(z),长度为 dz 的电流元件串联而成。利用线性媒介中电磁场
的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。
图 2 对称振子辐射场的计算
如图 2 所示，电流元 I(z)所产生的辐射场为
5、方向函数
实验步骤
1、设计变量 (以表格的形式列出来 )
设置求解类型为 Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。
提
前定义对称阵子天线的基本参数并初始化、 创建偶极子天线模型， 即
圆柱形的天线模型。
(模型截图贴在下面 )
其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。
设置端口
激励(附以截图)
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。
4、设置辐射边界条件 (截图)
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。
这里创建一个沿 Z 轴
放置的圆柱模型，材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界
条件。
外加激励求解设置分析的半波偶极子天线的中心频率在 3GHz，同时
添加 2.5 GHz:^3.5 GHz:频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。
5、设计检查和运行仿真计算
6、HFSS 天线问题的数据后处理 (截图，并做相应的说明 )
具体在实验结果中阐释。
实验结果
1、回波损耗 S11
回波损耗回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射， 是
一对线自身的反射，是天线设计需要关注的参数之一。
图中所示是在 2.5 GHz ^3.5 GHz 频段内的回波损耗，设计的偶极
子天线中心频率约为 3GHz, S11<-10dBd的相对带宽 BW= (3.25-2.775)
/3*1000/=15.83%
2、电压驻波比
驻波比，一般指的就是电压驻波比，是指驻波的电压峰值与电
压谷值之比。
由图可以看到在 3G 赫兹附近时， 电压驻波比等于 1，说明此处接
近行波，传输特性比较理想。
3、smith 圆图史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简
便图解方法。采用双线性变换， 将 z 复平面上。实部 r=常数和虚部
x=常数两族正交直线变化为正交圆并与 :反射系数|G|=常数和虚部 X=
常数套印而成。
从 smith 圆图可以看到，在中心频率 3G 赫兹时的归一化阻抗约
为 1，说明端口的阻抗特性匹配良好。
4、输入阻抗传输线、电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质
上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配。
图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率 3G 赫
兹时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配。
5、方向图
方向图是方向性函数的图形表示，他可以形象描绘天线辐射
特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相
位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射 (或接
收)的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方
向图和场方向图。
天线方向图是在远场区确定的， 所以又叫远场方向
图。
电场方向图 :
由图可以看到，电场方向以 Z 轴为对称轴，在 XOY 平面上电场
最强，且沿四周均匀辐射。但沿着 Z 轴方向电场强度很弱。
磁场方向图 :
磁场方向图在 XOY 平面上接近一个圆，虽然看上去有些误差。
说明磁场在 XOY 平面上辐射较为均匀。
三维增益方向图 :
这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着 Z 轴对称辐射的情
况。
6、其他参数
利用 HFSS 软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射
强度、方向性系数、最
大强度及其所在方向等参数。
图 39 扫描变量$l 得到的方向图
实验总结
通过本次 HFSS 天线仿真实验，使我更加真实、贴切的了解天线
的原理和用途。
生活中我们可以见到各种奇形怪状的天线， 却不知其
意义何在。在这次实验过程中，我不停的操作、翻阅资料、上网查阅
文献，对天线仿真设计的各个环节有了一个较为清楚的认识， 对天线
的各种参数也有了具体的理解， 这些东西对以后的相关学习和研究打
下了基础。
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