微波技術(shù)與天線試驗6利用HFSS仿真對稱振子天線教材

1、增加對稱振子饋電的理論描述表 1 對稱振子天線三維體模型名稱形狀頂點 (x,y,z) (mm)尺寸 (mm)材料arm1圓柱體(0,0,0.5)radius=$r ，height=$lPecarm2圓柱體(0,0,-0.5)radius =$r ， height= -$lPecairbox長方體(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$rysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+2*$lvacuum表 2 對稱振子天線二維面模型名稱所在面形狀頂點 (mm)尺寸 (mm)邊界/源feedxz矩形(-$r,

2、0,-0.5)dx=2*$r, dz=1Lumped port表 3 變量表變量名變量初始值（ mm ）變量值（ mm ）$lbd100$l2525 (50, 75, 100)$r11 (2, 3, 4)1 新建工程并命名。打開 HFSS，新建工程，點擊工具，將工程保存為 dipole 。2 設(shè)置求解類型。點擊 HFSSSolution Type ，選擇 Driven Terminal 。3 設(shè)置單位。點擊 ModelerUnits ，選擇 mm 。4 畫對稱振子的一支臂，形狀為圓柱體，命名為arm1 ，材料設(shè)置為理想導(dǎo)體，半徑設(shè)置為變量 $r，臂長設(shè)置為變量 $l。將鼠標(biāo)指向工具 ，出現(xiàn)文字

3、“ Draw cylinder ”，點擊 ，在畫圖窗口中拖動鼠標(biāo)畫 出一個圓柱。在圖形左側(cè)的窗口出現(xiàn)此工程的所有模型列表（如圖1），“ Solids”代表三維圖 形 ，“ vacuum ”代 表 圖 形 內(nèi) 部 填 充 材 料 為 真 空 ，“ Cylinder1 ” 為 圖 形 的 缺 省 名 字 ， “ CreateCylinder ”代表圖形是圓柱體。圖 1 模型列表雙擊 Cylinder1 ，出現(xiàn)圖形屬性窗口“ Properties:dipole ”，將 name 項改為 arm1。點擊 material 右邊一欄中的 Edit 如圖 2（ a），出現(xiàn)材料庫如圖 2（b），按字母順序找

4、到 pec，點擊 確定將振子臂材料改為 pec（如圖 2（ c）。(a)(b)（c） 圖 2 arm1 屬性 雙擊模型列表中的 arm1 下的 CreateCylinder ，出現(xiàn) arm1 命令行窗口“ Command”。將 其中心位置 “ Center Position”設(shè)置為 （ 0,0,0.5）,半徑設(shè)為變量 $r，$r 值為 1mm（如圖 3（a）； 高度設(shè)為變量 $l，$l 值為 25mm（如圖 3（ b），編輯完的 command 窗口如圖 4，點擊確定 結(jié)束編輯。點擊工具 ，將全部圖形顯示在窗口中（如圖5）。(a)(b)圖 3 設(shè)置 arm1尺寸變量窗口圖 4 arm1 命令行

5、圖 5 arm14 建立對稱振子的另外一支臂。利用快捷鍵 ctrl+a 將 arm1 選中，利用 ctrl+c 與 ctrl+v 復(fù)制出 arm2。將其中心點設(shè)為 （ 0,0，-0.5），高度設(shè)為 -$l （如圖 6）。點擊工具，所有圖形顯示如圖 7。圖 6 arm2 命令行圖 7 對稱振子的兩支臂5 畫饋電模型，形狀為 zx 面上的矩形，命名為 feed，設(shè)置為 lumped port 激勵方式。 對稱振子一般通過同軸饋電，可以看做在振子的兩臂之間施加了集總電壓。在用 HFSS 仿真時，通過一個平面將振子兩臂連接，在此平面上設(shè)置激勵源 lumped port 實現(xiàn)。將這個激勵源面畫在 xz

6、平面，形狀為矩形。選擇 ，點擊 ，利用鼠標(biāo)畫出 一個任意的矩形，將其名字改為feed，頂點坐標(biāo)改為（ -$r,0,-0.5）， xsize=2*$r ，zsize=1（如圖 8）。圖 8 feed 命令行通過 放大圖形局部，觀察 feed 圖形（如圖 9）。圖 9 feed 圖形選中 feed，點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 Assign ExcitationLumped Port ，出現(xiàn)如圖 10 界面，將 arm2 設(shè)置為參考導(dǎo)體。如果設(shè)置界面與圖 10 不同，在 HFSSSolution Type 中選擇 Driven Terminal 。注意：激勵源的設(shè)置應(yīng)在所有導(dǎo)體邊界設(shè)置完畢之后進行。圖 10

7、 lumped port 的參考導(dǎo)體設(shè)置界面6 畫輻射箱，命名為 airbox，形狀為長方體，材料為真空，邊界條件為radiation 。在 HFSS 天線仿真中，通過畫一個輻射箱，并在輻射箱的表面設(shè)置吸收邊界條件來模 擬無界空間， 箱體的外部為遠(yuǎn)場區(qū)域。 輻射箱的材料一般為空氣， 其邊界距離天線整體結(jié)構(gòu) 為四分之一波長至二分之一波長。在本例中我們采用三分之一波長。點擊 ，畫出一任意尺寸的長方體，在模型列表中出現(xiàn)box1 ，雙擊打開 attributes 窗口中將其名字改為 airbox ，材料為缺省的 vaccum，透明度( transparent)設(shè)為 1(如圖 11)， airbox 的

8、尺寸如圖 12，其中變量 $lbd=100mm 。畫出的天線及 airbox 如圖 13。選中 airbox ，點擊鼠標(biāo)右鍵選擇 【 Assign Boundary 】Radiation ，出現(xiàn) radiation boundary 界面，采用缺省值，點擊 OK 。圖 11 airbox 屬性圖 12 airbox 命令行7 設(shè)置求解頻率 3GHz ，掃頻 1-5GHz 。在【HFSS】Analysis SetupAdd Solution Setup 中將頻率設(shè)置為 3GHz; ，Adaptive Solution 下的 Maximum Number of 設(shè)為 6， Maximum deta

9、 S 設(shè)為 0.01（如圖 14）。點擊確定。圖 14 設(shè)置單頻點擊【 HFSS】 Analysis SetupAdd Frequency Sweep ，設(shè)置如圖 15。圖 15 掃頻設(shè)置8 檢查及運行計算點擊 檢查無錯后（如圖16），點擊計算。圖 16 檢查無錯窗口9 畫電流分布為了觀察振子上的電流方便，先將airbox 從圖形窗口隱藏去。點擊工具visibility 下的一列 airbox 的除掉（如圖 17）。圖 17 隱藏 airbox在圖形窗口， 通過 ctrl 間同時選擇 arm1 與 arm2，點擊鼠標(biāo)右鍵 Plot FieldsJMag Jsurf 出現(xiàn) Create Fiel

10、d Plot 界面，采用缺省值，點擊 Done，出現(xiàn)振子上的電流分布圖。由于圖形 的顏色分布不明顯，通過以下操作實現(xiàn)畫電流幅度的對數(shù)值。在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Field OverlaysJsurf ，點擊鼠標(biāo) 右鍵，選擇 Modify Attributes ，出現(xiàn) Jsurf 選項界面，按照圖 18 選擇 log ，得到電流分布如圖 19。在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Field Overlays ，點擊鼠標(biāo)右 鍵AnimateOK ，可以觀察電流分布隨著時間變化規(guī)律。圖 18

11、Jsrurf 選項圖 19 振子上電流幅度分布10 畫 S 參數(shù)曲線在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Results ，點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot （如圖 20），出現(xiàn)“ Report ： dipole ”界 面，設(shè)置如圖 21。點擊 New Report ，得到的 |S11|曲線如圖 22，然后點擊 close 結(jié)束畫圖。圖 20 ResultsCreate Terminal Solution Data ReportRectangular Plo

12、t圖 21 畫 S 參數(shù)設(shè)置圖 22 |S11| 曲線11 畫阻抗曲線在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Results ，點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot ，出現(xiàn)報告設(shè)置界面“ Report ： dipole ” 如圖 23（a），點擊 New Report 畫出阻抗實部曲線；在 Report： dipole 界面繼續(xù)按圖 23（b） 設(shè)置，點擊 Add Trace ，在同一副圖中畫出阻抗虛部曲線； 點擊 close，顯示阻抗曲線如圖 24。(a) 阻抗

13、實部(b) 阻抗虛部圖 23 輸出阻抗報告設(shè)置界面圖 24 阻抗曲線觀察圖 22與圖 24 可見，端口阻抗值接近 50的頻率點，為反射系數(shù)的最低點，此頻 率稱為天線的諧振頻率。 一個天線有多個諧振頻率， 曲線中出現(xiàn)的諧振點的個數(shù)由掃頻范圍 決定。12 畫方向圖（1）設(shè)置立體角度在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Radiation ，點擊鼠標(biāo)右鍵，選 擇 Inser Farm Field SetupInfinite Sphere（如圖 25 ），出現(xiàn)遠(yuǎn)場輻射球設(shè)置界面“ Far Field Radiation Sphere ”，設(shè)置如圖 26，點

14、擊確定。圖 25 Inser Farm Field SetupInfinite Sphere圖 26 遠(yuǎn)場輻射球設(shè)置界面（2）畫立體方向圖在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Results ，點擊鼠標(biāo)右鍵選擇 Create Far Fields Report3D Polar Plot （如圖 27），出現(xiàn)畫三維遠(yuǎn)場方向圖設(shè)置界面，按圖28 設(shè)置，得到增益圖如圖 29。圖 27 Create Far Fields Report3D Polar Plot圖 28 畫增益圖設(shè)置圖 29 二分之一波長對稱振子三維增益圖在 Project Manager

15、窗口中，雙擊 dipoleHFSSDesign1Results 3D Polar Plot 1dB （GainTotal） ，點擊 Families，出現(xiàn)參數(shù)列表（如圖 30）。其中頻率 Freq 為 3GHz ，對應(yīng)的波 長為 100mm，振子單臂長為四分之一波長 25mm，此振子為二分之一波長對稱振子。圖 30 參數(shù)列表（ 3）畫 E 面方向圖對稱振子的 E面平行于振子軸，按照以下過程給出E 面方向圖。在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Results ，點擊鼠標(biāo)右鍵選擇 Create Far Fields ReportRadiation P

16、attern ，出現(xiàn)畫二維遠(yuǎn)場方向圖設(shè)置界面，按圖31（a）設(shè)置； 點擊Families ，將 Phai設(shè)為 0deg（如圖 31（ b），點擊 new report，得到 E 面方向圖如圖 32，與課本中給出的理論方向圖一致。(a)(b)圖 31 畫 E 面方向圖設(shè)置圖 32 二分之一波長對稱振子 E 面方向圖13 掃描變量 $r點擊 ProjectProject Variables 出現(xiàn)變量設(shè)置界面，更改 $r 的值為 2mm（如圖 33），點擊確定，點擊工具 運行計算；計算完畢，重復(fù)上述過程，將變量 $r 的值設(shè)為 3mm，運行 計算；計算完畢，將變量 $r 的值設(shè)為 4mm，運行計算。

17、圖 33 設(shè)置變量 $r 值計算完畢在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Results ，點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot ，采用缺省值，畫出 |S11|參數(shù) 曲線，雙擊曲線在屬性窗口中的 Linestyle 項修改線型后得到圖 34。由圖可見，隨著振子半 徑的減小，諧振頻率右移，諧振點的損耗降低，當(dāng)r=2mm 時 -10dB 帶寬最寬。圖 34 S 參數(shù)隨 $r 變化曲線13 掃描變量 $l（1）掃描變量點擊 ProjectProject Variabl

18、es 出現(xiàn)變量設(shè)置界面，先將變量 $r 的值設(shè)置為 2mm ，然后 將變量 $l 的值設(shè)置為 50mm ，點擊確定，運行計算；計算完畢，重復(fù)上述過程，將變量$l的值依次設(shè)為 75mm、 100mm，并運行計算。（2）輸出 S 參數(shù)曲線計算完畢在 Project Manager 窗口中，選擇 dipoleHFSSDesign1Results ，點擊鼠標(biāo)右 鍵，選擇 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot ，出現(xiàn) Report:dipole 界面，Trace 界面采用默認(rèn)值（如圖 35（ a），點擊 Report:dipole 界面中的 Families ，將 $r 值設(shè)置為 2mm （如圖 35（ b），點擊 New Report 得到曲線報告，雙擊曲線在屬性窗口中的 Linestyle 項修 改線型以后得到圖 36。從圖 36 可見，隨著振子長度增加諧振頻率降低， 當(dāng) $l=75,100mm 時， 第一個諧振頻率低于 1GHz 。(a)(b)圖 35 Report:dipole 界面圖 36 $r=