HFSS半波偶極子天線設計

HFSS半波偶極子天線設計演示文稿目前一頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點

半波偶極子天線1.電流分布對于從中心饋電的偶極子，其兩端開路，故電流為零。工程上通常將其電流分布近似為正弦分布。假設天線沿z軸放置，其中心坐標位于坐標原點，如圖所示，則長度為l的偶極子天線的電流分布為：

I(z)=Imsink(l-|z|)Im是波腹電流，k波數(shù)。對半波偶極子而言l=λ/4.則半波偶極子的電流分布可以寫成：I(z)=Imsin（π/2-kz）=Imcos（kz）目前二頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點2.輻射場和方向圖已知半波偶極子天線上的電流分布，可以利用疊加原理來計算半波偶極子天線的輻射場。上次課已經(jīng)求解得：目前三頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點3.方向性系數(shù)根據(jù)公式可計算出半波偶極子天線的方向性系數(shù)為：若以分貝表示為：目前四頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點4.輻射電阻天線的評價功率密度可以用平均坡印亭矢量來表示：

目前五頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點5.輸入阻抗根據(jù)基本的傳輸線理論，輸入阻抗一般同時包含實部和虛部兩部分，即為：

Zin=Rin+jXin

實部電阻包含輻射電阻和導體損耗所產生的導體電阻，對于良導體而言，導體電阻可以忽略，此時實部僅包含輻射電阻Rin=Rr。虛部電抗為零。對于半波偶極子天線而言，輸入阻抗近似看為輻射電阻73.2歐姆?？梢?，半波偶極子天線的輸入阻抗是純電阻，易于和饋線匹配，這也是它被較多采用的原因之一。目前六頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點3.2半波偶極子天線設計這里要求設計一個中心頻率為3GHz的半波偶極子天線，天線沿z軸放置，中心位于坐標原點，天線材質使用理想導體，總長度為0.48λ，半徑為λ/200.天線的饋電采用集總端口激勵方式，端口距離為0.24mm，輻射邊界和天線的距離為λ/4。變量定義變量名變量單位（mm）工作波長lambda100天線總長度length0.48*lambda端口距離gap0.24單個極子長度dip_lengthLength/2-gap/2天線半徑dip_radiusLambda/200輻射邊界圓柱體半徑rad_radiusDip_radius+lambda/4輻射邊界圓柱體高度rad_heightDip_length+gap/2+lambda/10目前七頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點3.3HFSS天線設計流程設置求解類型：模式驅動（drivenmodel）、終端驅動（drivenTerminal）創(chuàng)建天線的結構模型：根據(jù)天線的初始尺寸和結構，在HFSS窗口中創(chuàng)建出天線的HFSS參數(shù)化設計模型。設置邊界條件：在HFSS中，與背景接觸的表面都被默認設置為理想導體邊界（PerfectE）；為了模擬無限大的自由空間，必須把與背景相接觸的表面設置為輻射邊界條件或者理想匹配層（PML），這樣才能計算出遠區(qū)輻射場。目前八頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點設置激勵方式。天線必須通過傳輸線或波導傳輸信號，天線與傳輸線或者波導連接處即為饋電面或激勵端口。有兩種激勵方式：波端口激勵（waveport）和集總端口激勵（Lumpedport）。通常在與背景相接觸的饋電面的激勵方式使用波端口激勵，在模型內部的饋電面的激勵方式使用集總端口激勵。設置參數(shù)求解，包括設定求解頻率和掃頻次數(shù)，求解頻率通常設定為天線的工作頻率。運行求解分析。查看求解結果。Optimertrics優(yōu)化設計。目前九頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點3.4天線的HFSS仿真設計1.新建設計工程（1）運行HFSS并新建工程啟動HFSS軟件，新建一個工程文件，把工程文件另存為dipole.hfss。（2）設置求解類型在主菜單欄中選擇HFSS----SolutionType，選中DrivenModel單選按鈕，然后單擊ok按鈕，完成設置。目前十頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點（3）設置模型長度單位在主菜單欄中選擇Modeler----units，選擇mm。2.添加和定義設計變量在HFSS中定義和添加如圖1所示的變量。在HFSS主菜單欄中選擇HFSS----DesignProperties命令，打開設計屬性對話框，單擊ADD按鈕，打開addproperty對話框，在addproperty對話框中的name輸入lambda，初始值100mm，然后單擊ok。依次定義變量length，初始值0.48*lambda；定義變量gap，初始值0.24mm；定義變量dip_length，初始值length/2-gap/2；定義變量dip_radius，初始值lambda/200；定義變量rad_radius，初始值dip_radius+lambda/4；定義變量rad_height，初始值dip_length+gap/2+lambda/10。最后點確定按鈕。目前十一頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點2.添加和定義設計變量在HFSS中定義和添加如圖1所示的變量。在HFSS主菜單欄中選擇HFSS----DesignProperties命令，打開設計屬性對話框，單擊ADD按鈕，打開addproperty對話框，在addproperty對話框中的name輸入lambda，初始值100mm，然后單擊ok。依次定義變量length，初始值0.48*lambda；定義變量gap，初始值0.24mm；定義變量dip_length，初始值length/2-gap/2；定義變量dip_radius，初始值lambda/200；定義變量rad_radius，初始值dip_radius+lambda/4；定義變量rad_height，初始值dip_length+gap/2+lambda/10。最后點確定按鈕。目前十二頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前十三頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點3.設計建模（1）創(chuàng)建偶極子天線模型在主菜單欄中選擇draw----cylinder或單擊工具欄上的圓柱體按鈕，進入創(chuàng)建圓柱體的狀態(tài)。新建的圓柱體會添加到操作歷史樹的solids節(jié)點下，默認名cylinder。雙擊操作歷史樹中的solids下的cylinder節(jié)點，打開如下對話框。把圓柱體名稱設置為Dipole，其材質為pec。如圖所示。目前十四頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前十五頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點雙擊操作歷史樹中的Dipole下的createcylinder節(jié)點，打開新建圓柱體屬性對話框的command選項卡，在該選項卡中設置圓柱體的底面圓心坐標、半徑和長度。在centerPosition文本框中輸入底面圓心坐標（0，0，gap /2）,在Radius文本框中輸入半徑值dip_radius，在height文本框中輸入長度值dip_length，如下圖所示。然后單擊確定按鈕，完成圓柱體Dipole的創(chuàng)建。到此為止創(chuàng)建好了名稱為Dipole的理想導體細圓柱體模型，按快捷鍵ctrl+D全屏顯示。目前十六頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前十七頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點接下來生成偶極子天線的另一個臂。選中創(chuàng)建的圓柱體模型Dipole，然后從主菜單欄中選擇edit----duplicate----aroundaxis，執(zhí)行沿坐標軸的復制。會打開一個對話框。在所打開的對話框中將Axis設置為x軸，將Angle選項設置為180deg，并在totalnumber數(shù)值框中輸入2，單擊ok按鈕。目前十八頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點（2）設置端口激勵

半波偶極子天線由中心位置饋電。在偶極子中心位置創(chuàng)建一個平行于yz面矩形面作為激勵端口平面，并設置端口平面的激勵方式為集總端口激勵。該矩形面需要把偶極子天線的兩個臂連接起來。因此其頂點坐標為（0，-dip_radius，-gap/2），長度和寬度分別為2*dip_radius和gap。單擊工具欄上的xy下拉菜單列表框，選擇yz選項，把當前工作面設置為yz平面；然后從主菜單欄中選擇draw----rectangle。新建的矩形面會添加到操作歷史樹的sheets節(jié)點下，其默認的名稱是rectangle1.雙擊操作歷史樹中的sheets下的rectangle1節(jié)點，打開新建矩形面屬性對話框，把矩形面的名稱設置為Port。目前十九頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前二十頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點雙擊操作歷史樹中port下的creatrectangle節(jié)點，打開新建矩形面屬性對話框的command選項卡，在該選項卡中設置矩形面的頂點坐標和大小。在position文本框中輸入頂點坐標（0，-dip_radius，-gap/2），在Ysize和Zsize文本框中分別輸入矩形面的長和寬為2*dip_radius和gap，如下圖所示。最后按ok按鈕。接下來要設置該矩形面的激勵方式為集總端口激勵，具體操作方法如下：目前二十一頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前二十二頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點在操作歷史樹中的sheets節(jié)點下選中該矩形面。然后在其上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇assignexcitation----lumpedport，在打開的集總參數(shù)設置對話框中，將resistance設為73.2歐姆，將reactance設為0ohm，然后單擊下一步；目前二十三頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點打開modes對話框，在對話框中單擊IntegrationLine列下的none，從下拉菜單中選擇newline選項，此時會進入三維模型窗口進行端口積分線的設置。目前二十四頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前二十五頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點（3）設置輻射邊界條件要在HFSS中計算分析天線的輻射場，則必須設置輻射邊界條件或PML邊界條件。當前設計中我們使用輻射邊界條件，輻射邊界和天線之間的距離為1/4個工作波長。這里，我們要先創(chuàng)建一個沿著z軸放置的圓柱體模型，其材質為空氣（air），底面圓心坐標為（0，0，-rad_height），半徑為rad_radius，高度為2*rad_height，然后把該圓柱體的表面設置為輻射邊界條件。目前二十六頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點A。創(chuàng)建輻射邊界的圓柱體單擊工具欄上的YZ下拉列表框，從其下拉列表中選擇XY項，把當前工作平面設置為xy平面；Draw----cylinder創(chuàng)建圓柱體，新建的圓柱體添加在操作歷史樹的solids節(jié)點下，默認為cylinder1；雙擊操作歷史樹下cylinder1，打開屬性對話框，把圓柱體名稱改為Rad_air，設置材質為air，其透明度為0.8.如下圖所示。最后單擊確定按鈕。目前二十七頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前二十八頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點雙擊操作歷史樹中的rad_air下的createcylinder節(jié)點，打開屬性對話框，在該選項卡中設置圓柱體的底面圓心坐標、半徑和長度。Centerposition設為（0，0，-rad_height）Radius輸入半徑值rad_radius；Height文本框中輸入長度值2*rad_height。最后單擊確定按鈕。完成圓柱體rad_air的創(chuàng)建。如下如所示。目前二十九頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前三十頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點B。設置輻射邊界條件在操作歷史樹下單擊rad_air節(jié)點，選中該圓柱體模型。然后在其上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇assignboundary----radiation，打開輻射邊界條件設置對話框，如下圖所示。在改對話框中保留默認設置，直接單擊ok按鈕，把圓柱體模型rad_air的表面設置為輻射邊界條件。目前三十一頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前三十二頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點4.求解設置

分析的半波偶極子天線的中心頻率在3GHz附近，因此求解頻率設置為3GHz。同時添加2.5GHz~3.5GHz的掃頻設置，掃頻類型選擇快速掃頻（Fast），分析天線在2.5~3.5GHz頻段內的回波損耗和電壓駐波比。（1）求解頻率和網(wǎng)格剖分設置設置求解頻率3GHz；自適應網(wǎng)格剖分的最大迭代次數(shù)為20，收斂誤差為0.02.右鍵單擊工程樹下的analysis，在彈出的對話框中選中addsolutionSetup，完成設置。目前三十三頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前三十四頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點（2）掃頻設置掃頻類型選擇快速掃頻，掃頻范圍為2.5GHz~3.5GHz，頻率步進為0.001GHz。展開工程樹下的analysis

節(jié)點，右鍵單擊前面添加的求解設置項Setup1；在彈出的對話框中選擇Addfrequencysweep；打開editsweep對話框完成設置。目前三十五頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前三十六頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點5.設計檢查和運行仿真運算前面已經(jīng)完成了偶極子天線模型的創(chuàng)建和求解設置；接下來就運行仿真計算并查看分析結果。但在計算前要進行設計檢查。從主菜單HFSS----Validationcheck，得到如下對話框。目前三十七頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點6.HFSS天線問題的數(shù)據(jù)后處理HFSS擁有強大的數(shù)據(jù)后處理功能，仿真分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分能夠給出天線的各項性能參數(shù)的仿真分析結果。如回波損耗、駐波比、Smith圓圖、輸入阻抗和方向圖。（1）回波損耗右鍵單擊工程樹下的results節(jié)點，在彈出的菜單中選擇createmodelsolutiondatareport----rectangleplot命令，打開報告設置對話框，如下圖所示。然后單擊newreport按鈕，再單擊close按鈕關閉對話框，此時可以生成在2.5~3.5GHz頻段內的回波損耗S11分析結果。目前三十八頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前三十九頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前四十頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點（2）電壓駐波比查看天線駐波比的操作和查看回波損耗S11類似，同樣右鍵單擊工程樹下的results節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇createmodalsolutiondatareport----rectangleplot；再按照如下圖表進行設置，最后單擊newreport，單擊close，得到天線的駐波比分析結果。目前四十一頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前四十二頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點（3）Smith圓圖在天線的設計中，smith圓圖是一個很有用的工具，借助圓圖可以方便地分析阻抗匹配、駐波比、歸一化輸入阻抗。右鍵單擊工程樹下的results節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇createmodalsolutiondatareport----Smithchart，打開如下對話框，進行設置。目前四十三頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前四十四頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點(4)輸入阻抗輸入阻抗是天線的一個重要性能參數(shù)。右鍵單擊工程樹下的results節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇createmodalsolutiondatareport----rectangleplot，打開報告對話框，進行如下圖設置。目前四十五頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點點擊newreport按鈕，再單擊close按鈕關閉對話框，此時得到天線的輸入阻抗結果報告。目前四十六頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點（5）方向圖方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，它可以形象地描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標變化的關系，是衡量天線性能的重要圖形。在HFSS后處理部分可以方便繪制出天線的平面方向圖和立體方向圖。方向圖是在遠區(qū)場確定的，要查看天線的遠區(qū)場輻射結果。首先要設立輻射表面。接下來分析半波偶極子天線在xz平面和xy平面的增益方向圖，以及查看半波偶極子天線三維立體增益方向圖的具體操作。目前四十七頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點A。定義輻射表面輻射表面是基于球坐標系定義的。Xz平面即球坐標系下φ=0°的平面，xy平面即球坐標系下θ=90°的平面，而三維立體球面在球坐標下則表示為0≦θ≦180°，0≦φ≦360°。定義xz平面右鍵單擊工程樹下的radiation節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇insertfarfieldsetup----infinitesphere，打開farradiationspheresetup完成如下設置。然后單擊確定按鈕，完成設置。此時定義的輻射表面的名稱E__Plane會添加到工程樹的Radiation節(jié)點下。目前四十八頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點目前四十九頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點定義xy平面右鍵單擊工程樹下的radiation節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇insertfarfieldsetup----infinitesphere，打開farradiationspheresetup完成如下設置。然后單擊確定按鈕，完成設置。此時定義的輻射表面的名稱H__Plane會添加到工程樹的Radiation節(jié)點下。目前五十頁\總數(shù)五十八頁\編于十三點定義三維立體球面右鍵單擊工程樹下的radiation節(jié)點，在彈出的快捷菜單中選擇insertfarfieldsetup----infinitesphere，打開farfieldradiationspheresetup完成如下設置。然后