微波技术与天线试验6利用HFSS仿真对称振子天线教材

1、增加对称振子馈电的理论描述表 1 对称振子天线三维体模型名称形状顶点 (x,y,z) (mm)尺寸 (mm)材料arm1圆柱体(0,0,0.5)radius=$r ，height=$lPecarm2圆柱体(0,0,-0.5)radius =$r ， height= -$lPecairbox长方体(-$lbd/3-$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 对称振子天线二维面模型名称所在面形状顶点 (mm)尺寸 (mm)边界/源feedxz矩形(-$r,

2、0,-0.5)dx=2*$r, dz=1Lumped port表 3 变量表变量名变量初始值（ mm ）变量值（ mm ）$lbd100$l2525 (50, 75, 100)$r11 (2, 3, 4)1 新建工程并命名。打开 HFSS，新建工程，点击工具，将工程保存为 dipole 。2 设置求解类型。点击 HFSSSolution Type ，选择 Driven Terminal 。3 设置单位。点击 ModelerUnits ，选择 mm 。4 画对称振子的一支臂，形状为圆柱体，命名为arm1 ，材料设置为理想导体，半径设置为变量 $r，臂长设置为变量 $l。将鼠标指向工具 ，出现文字

3、“ Draw cylinder ”，点击 ，在画图窗口中拖动鼠标画 出一个圆柱。在图形左侧的窗口出现此工程的所有模型列表（如图1），“ Solids”代表三维图 形 ，“ vacuum ”代 表 图 形 内 部 填 充 材 料 为 真 空 ，“ Cylinder1 ” 为 图 形 的 缺 省 名 字 ， “ CreateCylinder ”代表图形是圆柱体。图 1 模型列表双击 Cylinder1 ，出现图形属性窗口“ Properties:dipole ”，将 name 项改为 arm1。点击 material 右边一栏中的 Edit 如图 2（ a），出现材料库如图 2（b），按字母顺序找

4、到 pec，点击 确定将振子臂材料改为 pec（如图 2（ c）。(a)(b)（c） 图 2 arm1 属性 双击模型列表中的 arm1 下的 CreateCylinder ，出现 arm1 命令行窗口“ Command”。将 其中心位置 “ Center Position”设置为 （ 0,0,0.5）,半径设为变量 $r，$r 值为 1mm（如图 3（a）； 高度设为变量 $l，$l 值为 25mm（如图 3（ b），编辑完的 command 窗口如图 4，点击确定 结束编辑。点击工具 ，将全部图形显示在窗口中（如图5）。(a)(b)图 3 设置 arm1尺寸变量窗口图 4 arm1 命令行

5、图 5 arm14 建立对称振子的另外一支臂。利用快捷键 ctrl+a 将 arm1 选中，利用 ctrl+c 与 ctrl+v 复制出 arm2。将其中心点设为 （ 0,0，-0.5），高度设为 -$l （如图 6）。点击工具，所有图形显示如图 7。图 6 arm2 命令行图 7 对称振子的两支臂5 画馈电模型，形状为 zx 面上的矩形，命名为 feed，设置为 lumped port 激励方式。 对称振子一般通过同轴馈电，可以看做在振子的两臂之间施加了集总电压。在用 HFSS 仿真时，通过一个平面将振子两臂连接，在此平面上设置激励源 lumped port 实现。将这个激励源面画在 xz

6、平面，形状为矩形。选择 ，点击 ，利用鼠标画出 一个任意的矩形，将其名字改为feed，顶点坐标改为（ -$r,0,-0.5）， xsize=2*$r ，zsize=1（如图 8）。图 8 feed 命令行通过 放大图形局部，观察 feed 图形（如图 9）。图 9 feed 图形选中 feed，点击鼠标右键，选择 Assign ExcitationLumped Port ，出现如图 10 界面，将 arm2 设置为参考导体。如果设置界面与图 10 不同，在 HFSSSolution Type 中选择 Driven Terminal 。注意：激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后进行。图 10

7、 lumped port 的参考导体设置界面6 画辐射箱，命名为 airbox，形状为长方体，材料为真空，边界条件为radiation 。在 HFSS 天线仿真中，通过画一个辐射箱，并在辐射箱的表面设置吸收边界条件来模 拟无界空间， 箱体的外部为远场区域。 辐射箱的材料一般为空气， 其边界距离天线整体结构 为四分之一波长至二分之一波长。在本例中我们采用三分之一波长。点击 ，画出一任意尺寸的长方体，在模型列表中出现box1 ，双击打开 attributes 窗口中将其名字改为 airbox ，材料为缺省的 vaccum，透明度( transparent)设为 1(如图 11)， airbox 的

8、尺寸如图 12，其中变量 $lbd=100mm 。画出的天线及 airbox 如图 13。选中 airbox ，点击鼠标右键选择 【 Assign Boundary 】Radiation ，出现 radiation boundary 界面，采用缺省值，点击 OK 。图 11 airbox 属性图 12 airbox 命令行7 设置求解频率 3GHz ，扫频 1-5GHz 。在【HFSS】Analysis SetupAdd Solution Setup 中将频率设置为 3GHz; ，Adaptive Solution 下的 Maximum Number of 设为 6， Maximum deta

9、 S 设为 0.01（如图 14）。点击确定。图 14 设置单频点击【 HFSS】 Analysis SetupAdd Frequency Sweep ，设置如图 15。图 15 扫频设置8 检查及运行计算点击 检查无错后（如图16），点击计算。图 16 检查无错窗口9 画电流分布为了观察振子上的电流方便，先将airbox 从图形窗口隐藏去。点击工具visibility 下的一列 airbox 的除掉（如图 17）。图 17 隐藏 airbox在图形窗口， 通过 ctrl 间同时选择 arm1 与 arm2，点击鼠标右键 Plot FieldsJMag Jsurf 出现 Create Fiel

10、d Plot 界面，采用缺省值，点击 Done，出现振子上的电流分布图。由于图形 的颜色分布不明显，通过以下操作实现画电流幅度的对数值。在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Field OverlaysJsurf ，点击鼠标 右键，选择 Modify Attributes ，出现 Jsurf 选项界面，按照图 18 选择 log ，得到电流分布如图 19。在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Field Overlays ，点击鼠标右 键AnimateOK ，可以观察电流分布随着时间变化规律。图 18

11、Jsrurf 选项图 19 振子上电流幅度分布10 画 S 参数曲线在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results ，点击鼠标右键，选择 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot （如图 20），出现“ Report ： dipole ”界 面，设置如图 21。点击 New Report ，得到的 |S11|曲线如图 22，然后点击 close 结束画图。图 20 ResultsCreate Terminal Solution Data ReportRectangular Plo

12、t图 21 画 S 参数设置图 22 |S11| 曲线11 画阻抗曲线在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results ，点击鼠标右键，选择 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot ，出现报告设置界面“ Report ： dipole ” 如图 23（a），点击 New Report 画出阻抗实部曲线；在 Report： dipole 界面继续按图 23（b） 设置，点击 Add Trace ，在同一副图中画出阻抗虚部曲线； 点击 close，显示阻抗曲线如图 24。(a) 阻抗

13、实部(b) 阻抗虚部图 23 输出阻抗报告设置界面图 24 阻抗曲线观察图 22与图 24 可见，端口阻抗值接近 50的频率点，为反射系数的最低点，此频 率称为天线的谐振频率。 一个天线有多个谐振频率， 曲线中出现的谐振点的个数由扫频范围 决定。12 画方向图（1）设置立体角度在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Radiation ，点击鼠标右键，选 择 Inser Farm Field SetupInfinite Sphere（如图 25 ），出现远场辐射球设置界面“ Far Field Radiation Sphere ”，设置如图 26，点

14、击确定。图 25 Inser Farm Field SetupInfinite Sphere图 26 远场辐射球设置界面（2）画立体方向图在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results ，点击鼠标右键选择 Create Far Fields Report3D Polar Plot （如图 27），出现画三维远场方向图设置界面，按图28 设置，得到增益图如图 29。图 27 Create Far Fields Report3D Polar Plot图 28 画增益图设置图 29 二分之一波长对称振子三维增益图在 Project Manager

15、窗口中，双击 dipoleHFSSDesign1Results 3D Polar Plot 1dB （GainTotal） ，点击 Families，出现参数列表（如图 30）。其中频率 Freq 为 3GHz ，对应的波 长为 100mm，振子单臂长为四分之一波长 25mm，此振子为二分之一波长对称振子。图 30 参数列表（ 3）画 E 面方向图对称振子的 E面平行于振子轴，按照以下过程给出E 面方向图。在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results ，点击鼠标右键选择 Create Far Fields ReportRadiation P

16、attern ，出现画二维远场方向图设置界面，按图31（a）设置； 点击Families ，将 Phai设为 0deg（如图 31（ b），点击 new report，得到 E 面方向图如图 32，与课本中给出的理论方向图一致。(a)(b)图 31 画 E 面方向图设置图 32 二分之一波长对称振子 E 面方向图13 扫描变量 $r点击 ProjectProject Variables 出现变量设置界面，更改 $r 的值为 2mm（如图 33），点击确定，点击工具 运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量 $r 的值设为 3mm，运行 计算；计算完毕，将变量 $r 的值设为 4mm，运行计算。

17、图 33 设置变量 $r 值计算完毕在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results ，点击鼠标右键，选择 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot ，采用缺省值，画出 |S11|参数 曲线，双击曲线在属性窗口中的 Linestyle 项修改线型后得到图 34。由图可见，随着振子半 径的减小，谐振频率右移，谐振点的损耗降低，当r=2mm 时 -10dB 带宽最宽。图 34 S 参数随 $r 变化曲线13 扫描变量 $l（1）扫描变量点击 ProjectProject Variabl

18、es 出现变量设置界面，先将变量 $r 的值设置为 2mm ，然后 将变量 $l 的值设置为 50mm ，点击确定，运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量$l的值依次设为 75mm、 100mm，并运行计算。（2）输出 S 参数曲线计算完毕在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results ，点击鼠标右 键，选择 Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot ，出现 Report:dipole 界面，Trace 界面采用默认值（如图 35（ a），点击 Report:dipole 界面中的 Families ，将 $r 值设置为 2mm （如图 35（ b），点击 New Report 得到曲线报告，双击曲线在属性窗口中的 Linestyle 项修 改线型以后得到图 36。从图 36 可见，随着振子长度增加谐振频率降低， 当 $l=75,100mm 时， 第一个谐振频率低于 1GHz 。(a)(b)图 35 Report:dipole 界面图 36 $r=