HFSS微波仿真實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)報(bào)告六合一x

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯HFSS微波仿真實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)報(bào)告六合一x 肇慶學(xué)院 2 12 通信 2 2 班 楊桐爍 202124124202 試驗(yàn)一 T T 形波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) 試驗(yàn)?zāi)康?1、 熟識(shí)并把握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。 2、 把握 T 型波導(dǎo)功分器的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工作原理。 試驗(yàn)儀器 1、 裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、 HFSS13.0 或更高版本軟件 3、 截圖軟件 T T 形波導(dǎo)的內(nèi)場(chǎng)分析 試驗(yàn)原理 本試驗(yàn)所要分析的器件是下圖所示的一個(gè)帶有隔片的 T 形波導(dǎo)。其中,波導(dǎo)的端口 1 是信號(hào)輸入端口,端口 2 和端口 3

2、是信號(hào)輸出端口。正對(duì)著端口 1 一側(cè)的波導(dǎo)壁凹進(jìn)去一塊,相當(dāng)于在此處放置一個(gè)金屬隔片。通過(guò)調(diào)整隔片的位置可以調(diào)整在端口 1 傳輸?shù)蕉丝?2,從端口 1 傳輸?shù)蕉丝?3的信號(hào)能量大小,以及反射回端口 1 的信號(hào)能量大小。 試驗(yàn)步驟 1、新建工程設(shè)置：運(yùn)行 HFSS 并新建工程、選擇求解類型、設(shè)置長(zhǎng)度單位 2、創(chuàng)建 T 形波導(dǎo)模型：創(chuàng)建長(zhǎng)方形模型、設(shè)置波端口源勵(lì)、復(fù)制長(zhǎng)方體、合并長(zhǎng)方體、創(chuàng)建隔片 3、分析求解設(shè)置：添加求解設(shè)置、添加掃頻設(shè)置、設(shè)計(jì)檢查 4、運(yùn)行仿真分析 5、查看仿真分析計(jì)算結(jié)果 內(nèi)場(chǎng)分析 結(jié)果 1、圖形化顯示 S 參數(shù)計(jì)算結(jié)果 圖形化顯示 S 參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線 2、查看表面

3、電場(chǎng)分布 8.00 8.25 8.50 8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00Freq GHz0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(Port1,Port1)Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2)Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port3)Setup1 : Sweep1 表面場(chǎng)分布圖 3、動(dòng)態(tài)演示場(chǎng)分布圖 T T 形波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 試驗(yàn)原理 利用參數(shù)掃描分析效用。分析在工作頻率為 10GHz 時(shí),T 形波導(dǎo) 3 個(gè)端口的信號(hào)能量大小隨

4、著隔片位置變量 Offset 的變化關(guān)系。利用 HFSS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)效用,找出隔片的精確位置,使得在 10GHz 工作頻點(diǎn),T 形波導(dǎo)商品 3 的輸出功率是端口 2 輸出功率的兩倍。 試驗(yàn)步驟 1、新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計(jì)：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。 試驗(yàn)結(jié)果 1、創(chuàng)建功率安排隨變量 Offset 變化的關(guān)系圖 輸出變量隨變量 Offset 變化的關(guān)系圖 分析：從上圖所示的圖可以看出,當(dāng)變量 Offset 值漸漸變大時(shí),即隔片位置向端口 2 移動(dòng)時(shí),端口 2 的

5、輸出功率漸漸減小,端口 3 的輸出功率漸漸變大；當(dāng)隔片位置變量 Offset 超過(guò) 0.3 英寸時(shí),端口 1 的反射明顯增大,端口 3 的輸出功率開(kāi)頭減小。因此,在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,可以設(shè)置變量Offset 優(yōu)化范圍的最大值為 0.3 英寸。同時(shí),在 Offset=0.1 英寸時(shí),端口 3 的輸出功率約為 0.65,端口 2 的輸出功率略大于 0.3,此處端口 3 的輸出功率約為端口 2 輸出功率的兩倍。因此,在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),可以設(shè)置變量 Offset 的優(yōu)化初始值為 0.1 英寸。另外,變量 Offset 優(yōu)化范圍的最小值可以取 0 英寸。 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 0.00 0.20 0.40 0.60

6、 0.80 1.00Offset in0.000.200.400.600.801.00powerpower range with offset HFSSDesign1 XY Plot 4Curve Infopower11Setup1 : LastAdaptiveFreq="10GHz"power21Setup1 : LastAdaptiveFreq="10GHz"power31Setup1 : LastAdaptiveFreq="10GHz" 試驗(yàn)總結(jié) 通過(guò)本次 HFSS 天線仿真試驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中

7、我們可以見(jiàn)到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次試驗(yàn)過(guò)程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對(duì)天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清晰的熟悉,對(duì)天線的各種參數(shù)也有了詳細(xì)的理解,這些東西對(duì)以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和討論打下了基礎(chǔ)。 試驗(yàn)二 S HFSS 仿真對(duì)稱振子天線 試驗(yàn)?zāi)康?1、 熟識(shí)并把握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。 2、 把握對(duì)稱振子天線的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工作原理。 試驗(yàn)儀器 1、 裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、 HFSS13.0 或更高版本軟件 3、 截圖軟件 試驗(yàn)步驟 1、新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分

8、析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計(jì)：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 表 1 對(duì)稱振子天線三維體模型 名稱 外形 頂點(diǎn)(x,y,z) (mm) 尺寸(mm) 材料 arm1 圓柱體 (0,0,0.5) radius=$r,height=$l Pec arm2 圓柱體 (0,0,-0.5) radius =$r,height=-$l Pec airbox 長(zhǎng)方體 (-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l) xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd

9、/3+2*$l vacuum 表 2 對(duì)稱振子天線二維面模型 名稱 所在面 外形 頂點(diǎn)(mm) 尺寸(mm) 邊界/源 feed xz 矩形 (-$r,0,-0.5) dx=2*$r, dz=1 Lumped port 表 3 變量表 變量名 變量初始值（mm） 變量值（mm） $lbd 100 $l 25 25 (50, 75, 100) $r 1 1 (2, 3, 4) 試驗(yàn)步驟 0 2 4 6 8 10 12 14Evaluation0.000.130.250.370.500.63Cost 1、新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參

10、數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計(jì)：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。 試驗(yàn)步驟 1.打開(kāi) HFSS,新建工程,將工程保存為 dipole。 2 設(shè)置求解類型。 3 設(shè)置單位。 4 畫對(duì)稱振子的一支臂,外形為圓柱體,命名為 arm1,材料設(shè)置為抱負(fù)導(dǎo)體,半徑設(shè)置為變量$r,臂長(zhǎng)設(shè)置為變量$l。 5 畫饋電模型,外形為 zx 面上的矩形,命名為 feed,設(shè)置為 lumped port 激勵(lì)方式。 6 畫輻射箱,命名為 airbox,外形為長(zhǎng)方體,材料為真空,邊界條件為 radiation。 7 設(shè)置求解頻率 3GHz,掃頻 1-5GHz。 8 檢查及運(yùn)行計(jì)算 9 畫電流分

11、布 10 畫 S 參數(shù)曲線 11 畫阻抗曲線 12 畫方向圖 13 掃描變量$l 試驗(yàn)結(jié)果 圖 airbox 及天線 圖 振子上電流幅度分布 圖 |S 11 |曲線 圖 24 阻抗曲線 。 圖 29 二分之一波長(zhǎng)對(duì)稱振子三維增益圖 圖 二分之一波長(zhǎng)對(duì)稱振子 E 面方向圖 圖 S 參數(shù)隨$r 變化曲線 圖 36 $r=2mm,S 參數(shù)隨$l 變化曲線 圖 39 掃描變量$l 得到的方向圖 試驗(yàn)三 HFSS 微帶天線仿真設(shè)計(jì) 試驗(yàn)?zāi)康?1、 熟識(shí)并把握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。 2、 把握微帶天線仿真設(shè)計(jì)原理和方法。 試驗(yàn)儀器 1、 裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、

12、 HFSS13.0 或更高版本軟件 3、 截圖軟件 試驗(yàn)原理 微帶天線的輻射機(jī)理實(shí)際上是高頻的電磁泄漏。一個(gè)微波電路假如不是被導(dǎo)體完全封閉,電路中的不連續(xù)處就會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。例如微帶電路的開(kāi)路端,結(jié)構(gòu)尺寸的突變、折彎等不連續(xù)處也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射（泄漏）。當(dāng)頻率較低時(shí),這些部分的電尺寸很小,因此電磁泄漏?。坏S著頻率的增高,電尺寸增大,泄漏就大。再經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì),即放大尺寸做成貼片狀,并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增加,輻射效率就大大提高,而成為有效的天線。 試驗(yàn)步驟 1、創(chuàng)建微帶天線模型：設(shè)置默認(rèn)的長(zhǎng)度單位、建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置、添加和定義設(shè)計(jì)變量、創(chuàng)建介質(zhì)基片、創(chuàng)建輻射貼片、創(chuàng)建參考地、創(chuàng)建同軸饋

13、線的內(nèi)芯、創(chuàng)建信號(hào)傳輸端口面 2、設(shè)置邊界條件和激勵(lì)：設(shè)置邊界條件、設(shè)置輻射邊界條件、設(shè)置端口激勵(lì) 3、求解設(shè)置：求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置、掃頻設(shè)置 4、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真分析：設(shè)計(jì)檢查、運(yùn)行仿真分析 5、參數(shù)掃描分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、運(yùn)行參數(shù)掃描分析、查看分析結(jié)果 6、查看仿真分析結(jié)果 試驗(yàn)結(jié)果 1、查看天線回波損耗 分析：從圖中可以看出設(shè)計(jì)的微帶天線諧振頻率在 2.45GHz 四周,且在 2.45GHz 頻點(diǎn)上的回波損耗值為 20.7dB 左右。 2、分析諧振頻率隨輻射貼片長(zhǎng)度 L0 的變化關(guān)系 分析：從圖中可以看出,隨著長(zhǎng)度L0值的增加,天線的諧振頻率漸漸降低。當(dāng)L0=27.5mm時(shí),

14、諧振頻率為2.44GHz；當(dāng)L0=28mm時(shí),諧振頻率為2.48GHz；所以 2.45GHz 諧振頻率對(duì)應(yīng)的 L0 長(zhǎng)度介于 27.5mm28.mm。 3、分析諧振頻率隨輻射貼片長(zhǎng)度 W0 的變化關(guān)系 分析：從上圖所示分析結(jié)果可以看出,輻射貼片寬度 W0 由 30 mm 變化到 40 mm 時(shí),天線的諧振頻率變化很小,即天線的諧振頻率不隨輻射貼片寬度變化而變化。 試驗(yàn)總結(jié) 通過(guò)本次 HFSS 天線仿真試驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見(jiàn)到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次試驗(yàn)過(guò)程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對(duì)天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為

15、清晰的熟悉,對(duì)天線的各種參數(shù)也有了詳細(xì)的理解,這些東西對(duì)以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和討論打下了基礎(chǔ)。 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq GHz-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1)HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTCurve InfodB(S(1,1)Setup1 : Sweep1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq GHz-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(

16、1,1)HFSSDesign1XY Plot 2ANSOFTCurve InfodB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="26mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="26.5mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="27mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="27.5mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28.5mm"1.

17、50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq GHz-40.00-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1)HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTCurve InfodB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="30mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="32mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0=&quo

18、t;28mm" W0="34mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="36mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="37.26mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="38mm"dB(S(1,1)Setup1 : SweepL0="28mm" W0="40mm" 試驗(yàn)四 半波偶極子天線仿真試驗(yàn)報(bào)

19、告 試驗(yàn)?zāi)康?1、學(xué)會(huì)簡(jiǎn)潔搭建天線仿真環(huán)境的方法,主要是熟識(shí)日 HFSS 軟件的使用方法 2、了解利用 HFSS 仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線的原理、過(guò)程和方法 3、通過(guò)天線的仿真,了解天線的主要性能參數(shù),如駐波比特性、smith 圓圖特性、方向圖特性等 4、通過(guò)對(duì)半波偶極子天線的仿真,學(xué)會(huì)對(duì)其他類型天線仿真的方法 試驗(yàn)儀器 1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、HFSS 15.0 3、截圖軟件 試驗(yàn)原理 首先明白一點(diǎn):半波偶極子天線就是對(duì)稱陣子天線。 2, 對(duì)稱振子是中間饋電,其兩臂由兩段等長(zhǎng)導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為。, 長(zhǎng)度為 I。兩臂之間的間隙很小,理論上可以忽視不計(jì),

20、所以振子的總長(zhǎng)度 L=21。對(duì)稱振 子的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比擬,本身己可以構(gòu)成有用天線。 3, 在計(jì)算天線的輻射場(chǎng)時(shí),經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明天線上的電流可以近似認(rèn)為是按正弦 律分布。取圖 1 的坐標(biāo),并忽視振子損耗,則其電流分布可以表示為: 式中,Im 為天線上波腹點(diǎn)的電流;IC=WC 為相移常數(shù)、依據(jù)正弦分布的特點(diǎn), 對(duì)稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn);電流分布關(guān)于振子的中心店對(duì)稱;超過(guò)半波長(zhǎng) 就會(huì)消失反相電流。 4, 在分析計(jì)算對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)時(shí),可以把對(duì)稱振子看成是由很多個(gè)電流 I(z), 長(zhǎng)度為 dz 的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場(chǎng)的疊加原理,對(duì)稱振子 的輻射場(chǎng)是這些電流元輻射場(chǎng)之矢量和。 圖 2

21、 對(duì)稱振子輻射場(chǎng)的計(jì)算 如圖 2 所示,電流元 I(z)所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為 5、方向函數(shù) 試驗(yàn)步驟 1、設(shè)計(jì)變量(以表格的形式列出來(lái)) 設(shè)置求解類型為 Driven Model 類型,并設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米。提前定義對(duì)稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化、創(chuàng)建偶極子天線模型,即圓柱形的天線模型。(模型截圖貼在下面) 其中偶極子天線的另外一個(gè)臂是通過(guò)坐標(biāo)軸復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置端口激勵(lì)(附以截圖) 半波偶極子天線由中心位置饋電,在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個(gè)平行于 YZ 面的矩形面作為激勵(lì)端口平面。 4、設(shè)置輻射邊界條件(截圖) 要在 HfSS 中計(jì)算分析天線的輻射場(chǎng),則必需設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個(gè)沿 Z

22、軸 放置的圓柱模型,材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。 外加激勵(lì)求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在 3G 日 z,同時(shí)添加 2.5 G 日:3.5 G 日:頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置,掃頻類型為快速掃頻。 6、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算 7、HFSS 天線問(wèn)題的數(shù)據(jù)后處理(截圖,并做相應(yīng)的說(shuō)明) 詳細(xì)在試驗(yàn)結(jié)果中闡釋。 試驗(yàn)結(jié)果 1、回波損耗 S11 回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射,是一對(duì)線自身的反射,是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。 圖中所示是在 2.5 G 日 z 3.5 G 日 z 頻段內(nèi)的回波損耗,設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為 3GHz, S11-10dBd 的

23、相對(duì)帶寬 BW= (3.25-2.775) /3*1000/=15.83% 2、電壓駐波比 駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。 由圖可以看到在 3G 赫茲四周時(shí),電壓駐波比等于 1,說(shuō)明此處接近行波,傳輸特性比較抱負(fù)。 3, smith 圓圖史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡(jiǎn)便圖解方法。采納雙線性變換, 將 z 復(fù)平面上。實(shí)部 r=常數(shù)和虛部 x=常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與:反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部 X=常數(shù)套印而成。 從 smith 圓圖可以看到,在中心頻率 3G 赫茲時(shí)的歸一化阻抗約為 1,說(shuō)明端口的阻抗特性匹配良好。 4,輸入阻抗傳輸線、

24、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗,才能進(jìn)行阻抗匹配。 圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部,在中心頻率 3G 赫茲時(shí),輸入阻抗比較的抱負(fù),簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)匹配。 5、方向圖 方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示,他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化。通常爭(zhēng)論在遠(yuǎn)場(chǎng)半徑為常數(shù)的大球面上,天線輻射(或接收)的功率或者場(chǎng)強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律,并分別稱為功率方向圖和場(chǎng)方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的,所以又叫遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。 電場(chǎng)方向圖: 由圖可以看到,電場(chǎng)方向以 Z 軸為對(duì)稱軸,在 XOY 平面上電場(chǎng)最強(qiáng),且沿四周勻稱輻

25、射。但沿著 Z 軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度很弱。 磁場(chǎng)方向圖: 磁場(chǎng)方向圖在 XOY 平面上接近一個(gè)圓,雖然看上去有些誤差。說(shuō)明磁場(chǎng)在 XOY 平面上輻射較為勻稱。 三維增益方向圖: 這張圖可以很詳細(xì)的看出半波偶極子天線沿著 Z 軸對(duì)稱輻射的狀況。 6、其他參數(shù) 利用 HFSS 軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最 大強(qiáng)度及其所在方向等參數(shù)。 試驗(yàn)分析 設(shè)計(jì)一個(gè)天線,無(wú)論是作為放射天線還是接收天線,我們都很關(guān)懷其方向參數(shù)、輸入阻抗參 數(shù)、增益參數(shù)、頻帶寬度等參數(shù)。這里也主要就上訴幾個(gè)參數(shù)來(lái)爭(zhēng)論半波偶極子天線的優(yōu)缺 點(diǎn)。 1、半波偶極子天線在軸向無(wú)輻射 2、半波偶極子天線的輻射

26、與其電長(zhǎng)度親密相關(guān)。當(dāng)電長(zhǎng)度小于 0.5 時(shí),波瓣寬度最窄,在 垂直與軸向的平面內(nèi)輻射最強(qiáng),隨著電長(zhǎng)度的增加,開(kāi)頭消失副瓣,主瓣寬度變寬,最 大輻射方向發(fā)生偏移。 3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很猛烈,說(shuō)明寬頻帶時(shí)其較難實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配,所以相對(duì)應(yīng)的頻帶寬度也較窄。 4、在諧振頻率四周時(shí),我們從圖中可以看到,天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗,實(shí)現(xiàn)匹配較易,而且在中心頻率四周,電波的傳輸特性也最好,從而可以實(shí)現(xiàn)較大效率的功率傳輸。 5、通過(guò)對(duì)試驗(yàn)得到結(jié)果的分析,不難發(fā)覺(jué),半波偶極子天線的諸多特性與電長(zhǎng)度關(guān)系很大,所以可以通過(guò)調(diào)成天線的電長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同效用和要求的半波偶極子天線應(yīng)用。 6、最

27、終還要補(bǔ)充一點(diǎn):半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細(xì)有關(guān)。 試驗(yàn)總結(jié) 通過(guò)本次日SS 天線仿真試驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見(jiàn)到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次試驗(yàn)過(guò)程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對(duì)天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清晰的熟悉,對(duì)天線的各種參數(shù)也有了詳細(xì)的理解,這些東西對(duì)以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和討論打下了基礎(chǔ)。 另外,這次試驗(yàn)中我感覺(jué)較難的部分在與如何通過(guò)確定一種詳細(xì)天線的參量模型來(lái)模擬設(shè)計(jì)天線模型,來(lái)仿真驗(yàn)證天線特性。 試驗(yàn)五 微帶犬線 試驗(yàn)?zāi)康?1、 熟識(shí)并把握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。 2、 把握微帶犬線仿

28、真設(shè)計(jì)原理和方法。 試驗(yàn)儀器 1、 裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、 HFSS13.0 或更高版本軟件 3、 截圖軟件 試驗(yàn)原理 微帶犬線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來(lái)的,它是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的介質(zhì)基片的一面敷以金屬輻射片,一面全部敷以金屬薄層作接地板而成。輻射片可以依據(jù)不同的要求設(shè)計(jì)成各種外形。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、休積小、易于制造等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人無(wú)線通信中。 1 1 微帶天線結(jié)構(gòu) 是一個(gè)簡(jiǎn)潔的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖,由輻射元、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長(zhǎng)度 L,輻射元的寬度W,、介質(zhì)層的厚度 h、介

29、質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)拭和損耗正切階次介質(zhì)層的長(zhǎng)度 LG 和寬度 WG 假如介質(zhì)基片中的場(chǎng)同時(shí)沿寬度和長(zhǎng)度方向變化,這時(shí)微帶天線應(yīng)當(dāng)用輻射貼片周用的 4 個(gè)縫隙的輻射來(lái)等效。 2 2 微帶天線的饋電 微帶天線有多種饋電方式,如微帶線饋電、同軸線饋電、藕合饋電 C Coupled Feed )和縫 G!饋電(Slot Feed )等,其中最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式。本章將要設(shè)計(jì)的矩形微帶貼片天線采納的是同軸線饋電。 同軸線鎖電又稱為背饋,已是將同軸插座安裝在接地板上,同軸線內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)基片接在輻射貼 l.f:.,如圖 10.3 所示,尋取正確的饋電點(diǎn)的位置就可以獲得良好的匹配。 3

30、 3 矩形微帶天線的特性參數(shù) 1.微帶輻射貼片尺寸估算 設(shè)計(jì)微帶大線的第步是選擇合適的介質(zhì)基片,然后再估算出輻射貼片的尺寸。假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為Er,對(duì)一于工作頻率f的矩形微帶大線,可以用 F 式?jīng)]計(jì)出高效率輻射貼片的寬度*,即: 式中,c 是光速。 輻射貼片的長(zhǎng)度一般取為兒 12,這里,凡是介質(zhì)內(nèi)的濘波波長(zhǎng),即: 考慮到邊緣縮短效應(yīng)后,實(shí)際_卜的輻射單元長(zhǎng)度 L 應(yīng)為: 式中,se 是有效介電常數(shù),魷?zhǔn)堑刃л椛淇p隙長(zhǎng)度,可以分別用下式計(jì)算: 2.同軸饋點(diǎn)位置的估算 對(duì)于同軸線饋電的微帶貼片天線,在確定了貼片長(zhǎng)度 L 和寬度 w 之后,還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置,饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗

31、。在主模 TM 10 工作模式下,在寬度 w 方向上電場(chǎng)強(qiáng)度不變,因此饋電點(diǎn)在寬度、方向的位移對(duì)輸入阻抗的影響很小,但在寬度方向卜偏離中心位置時(shí),會(huì)激發(fā)TM 10- 模式,增加天線的交叉極化輻射,因此寬度方向r.饋電點(diǎn)的位置一般取在中心點(diǎn)(y=07饋電點(diǎn)在矩形輻射貼片長(zhǎng)度L方向邊緣處(x= L12)的輸入阻抗最高,約為 t Oa 到 400 歐姆之間,而在輻射貼片的幾何中心點(diǎn)(x!0 y=0)處的輸入阻抗則為零,因此在長(zhǎng)度 L 方向上,從輻射貼片的幾何中心到兩側(cè)輸入阻抗由零漸漸增大:對(duì)于如圖 10.3 所示的同軸線饋電的微帶貼片天線,由下式可以近似 v一算出輸入阻抗為 50 歐姆時(shí)的饋電點(diǎn)的位

32、置: 3.輻射場(chǎng) 如前所述,矩形微帶天線可以視作一段長(zhǎng) L 為 iJ2 的低阻抗微帶傳輸線,它的輻射場(chǎng)被認(rèn)為是由傳輸線兩端開(kāi)路處的縫隙所形成的。因此,矩形微帶天線可以等效為長(zhǎng) w.寬方、間距為 L 的二元縫隙天線陣。 單個(gè)縫隙天線的方向性函數(shù)為: 因此,矩形微帶天線的輻射場(chǎng)只需在單縫隙大線的表達(dá)式中乘以二元陣的陣因子就可以了。這樣,矩形微帶天線的方向性函數(shù)可以表示為: 工程設(shè)計(jì)中關(guān)懷的多是 F 面（ =90)和 H 面（=90）方向圖,于是由式(10.1.10)可得 E 面的力向性函數(shù)為: 考慮到 kh1 ,則式(4-1-9)可以近似寫為: H 面的方向性函數(shù)為: 4.方向性系數(shù) 依據(jù)方向性系

33、數(shù)的定義,可以給出微帶大線的方向性系數(shù)為: 本章設(shè)計(jì)的矩形微帶人線工作于 ISM 頌段,其中心頻率為 2.45GHz;無(wú)線局域網(wǎng)( WLAN ),藍(lán)牙、ZigBee 等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均 1.作在該頻段上。介質(zhì)摧片采納厚度為 1.6mm 的 FIt4 環(huán)氧樹(shù)脂(FR4 Epoxy)板,其相對(duì)介質(zhì)常數(shù)=4.4,天線使用 50 歐姆同軸線饋電。 下面依據(jù) 10.1 節(jié)給出的推導(dǎo)公式來(lái)計(jì)算微帶天線的幾何尺寸,包括貼片的長(zhǎng)度 L,寬度 W 和同軸線憤點(diǎn)的位置 1. 矩形貼片的寬度 W 把 c=3.Ox108m/s,f0=2.45CrHz, =4.4 代入式(10-1-1)可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的寬度, 2

34、.有效介電常數(shù) 把 h=1.6mm, W= 37.26mm, =4.4 代入式(10-1-4 ),可以計(jì)算出有效介電常數(shù),即 3.輻射縫隙的長(zhǎng)度L 把 h=1.6mm, W=37.26mm, =4.08 代入式( 10-1-5),可以計(jì)算出微帶天線輻射縫隙的一長(zhǎng)度, 4.矩形貼片的長(zhǎng)度L 把 c=3.0x108m/s.f0=2.45GHz,=4.8, L=1.12mm 代入式10-1-3),可以計(jì)算出微帶天線 矩形貼片的長(zhǎng)度,即 5.同軸線饋點(diǎn)的位置 把=4.4 ,W=37.26mm, L=28.C37mm 代入式(10-1-7)和式10-1-6)計(jì)算出 50 歐姆匹配點(diǎn)的 近似位置,即 試驗(yàn)步驟 1. 新建工程 2. 添加自定義變量 3. 設(shè)計(jì)建模 4. 設(shè)置邊界條件 5. 設(shè)置端口激勵(lì) 6. 求解設(shè)置 7. 設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算 試驗(yàn)結(jié)果及其截圖: : 1.原試驗(yàn)結(jié)果 (1)建模完成： （2）.確認(rèn)設(shè)計(jì),通過(guò) Validation Check： （3）