微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线

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*$lbd/3+2*$rzsize=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,0,-0.5)dx=2

2、*$r, dz=1Lumped port表3 变量表变量名变量初始值（mm）变量值（mm）$lbd 100$l2525 (50, 75, 100)$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HFSS>Solution Type，选择Driven Terminal。3 设置单位。点击Modeler>Units，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“Draw cylinder”，点击，在画

3、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CreateCylind

4、er，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

5、 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As

6、sign Excitation>Lumped 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HFSS>Solution 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 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

7、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命令行图13 airbox及天线7 设置求解频率3GHz，扫频1-5GHz。在【HFS

8、S】>Analysis Setup>Add Solution Setup中将频率设置为3GHz;，Adaptive Solution下的Maximum Number of设为6，Maximum deta S设为0.01（如图14）。点击确定。图14 设置单频点击【HFSS】>Analysis Setup>Add 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，将visibility下的一列airbox

9、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 Fields>J>Mag Jsurf出现Create Field 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dipole>HFSSDesign1>Field Overlays>Jsurf，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P

10、roject Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Field Overlays，点击鼠标右键>Animate>OK，可以观察电流分布随着时间变化规律。图18 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dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot（如图20），出现“Report：dipole”界面，设置如图21。点击New Repor

11、t，得到的|S11|曲线如图22，然后点击close结束画图。图20 Results>Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot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dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot，出现报告设置界面“Report：dipole”如图23（a），点击New Report画出阻抗实

12、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dipole>HFSSDesign1>Radiation，点击鼠标右键，选择Inser Farm Field Setup

13、>Infinite Sphere（如图25），出现远场辐射球设置界面“Far Field Radiation Sphere”，设置如图26，点击确定。图25 Inser Farm Field Setup>Infinite 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dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择Create Far Fields Report>3D 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 F

14、ar Fields Report>3D 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窗口中，双击dipole>HFSSDesign1>Results> 3D Polar Plot 1>dB (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

15、中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择Create Far Fields Report>Radiation Pattern，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$r点击Project>Project Variables出现变量设置界面，更改$r的值为2mm（如图33），点击确定，点击工具运行计

16、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。图33 设置变量$r值计算完毕在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot，采用缺省值，画出|S11|参数曲线，双击曲线在属性窗口中的Linestyle项修改线型后得到图34。由图可见，随着振子半径的减小，谐振频率右移，谐振点的损耗降低，当r=2mm时-10dB带宽最宽。图34 S参数随$r变

17、化曲线13 扫描变量$l（1）扫描变量点击Project>Project Variables出现变量设置界面，先将变量$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dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data Report>Rectangular 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3