半波偶极子天线地HFSS仿真设计

1、实用标准文案半波偶极子天线的HF S S仿真设计一、实验目的:1 .以一个简单的半波偶极子天线设计为例，加深对对称阵子天线的了解;2 .熟悉HFSSa件分析和设计天线的基本方法及具体操作；3 .利用HFSSa件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理；4 .通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。、实验步骤：本次实验设计一个中心频率为 3GHz的半波偶极子天线。天线沿着 Z轴放置，中心位于 坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48入，半径为入/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为 0.24mm,辐射边界和天线的距离为入 /4。1、添加和定义设计变量参考指导书

2、，在 Add Property 对话框中定义和添加如下变量：Properties! diipole - HFSSDesignLl&jrbdiL100mm100mmD«si o1 er考t上0.48*1 airb dw4811rBDezi gn耳安 ,24nm0. 24Desi gn22 8电百Dtsignd iue15b晶线。口D*=ii gnad_r-E-dinslip_ra.d.i,us+l an L d.4/ 4.2S. SrrmDesi, er ad_hei giit*li>_leng l"手削 /£ + 1 anbdi/10D-ignrrr

3、rrrr r Lr rr r取消L_JAdi Arr17 Sho* HiddenVaJutUnitEtCLui巾twd ValueDescript ion.Be ad-onlyLocal VariableE |,律 VaLiie" Optiiii zation" rtmiiig SeiLEi tiTi tyL Stati sti ce2、 设计建模1 )、创建偶极子天线模型首先创建一个沿Z轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为(0, 0, gap/2 ),半径为dip_radius ,长度为dip_length ,材质为理想导体， 模型命名为 Di

4、pole ,如下：Properties: dipole - NFSSDesigrl - ModelerAttriljiAiie |NameValutVnit EvQiaatecl YslueK 耳 ip ti qn 注 id- wOyNunvDifpdtMitui'pee：""卫由 e"rSlw Tnsi ler(JritrtitiQa61"b 虱rM>d»lR"rD i splay V i r e fr imerCaloirIili. trTrarvspfcren.t0rn Shw Yi雁 副涓 ,Praperti&#

5、171;! dipcle - HFGGDewignl - MadlerConnand.Han>cVJueUnit Ev4lu«ttdDesC 5dCr* tttCylin l«rCt ardinite Sys tenGlobalCenter f osi ti onOmn, ffaji/2Omm , Own 干 0.12immi片运7R.di=ndip_cdi二0. SnrinHeightdip_l±ugLli23. OOitnNumber of Segnefits 00Shov Hl ddnt轴在1中消然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。此时

6、就创建出了偶极子的模婴如下：_ _ _ . _ .2)、设置端口激励半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面， 并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，因此顶点坐标为(0, -dip_radius ，-gap/2 ),长度和宽度分别为 2*dip_radius 和gap。如下：Properties： dipole - HFSSDe5jgnl - Modeler确定1 _ _取澧Nam eV alueUni tEvalnat ed ValueDescr ipti onB.ead-only耳断百Fcrt

7、r 1Ori entationGlobalMod式Fr Di splay WirefrairierrColorEdit |rTr aiispar ent_5_r*III卜'Shot Hidden然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励。由之前的理论分析可得，半波偶极子天线的输入阻抗为 73.2?，为了达到良好的阻抗匹配， 将负载阻抗也设置为 73.2 ?。 随后进行端口积分线的设置。此处积分线为矩形下边缘中点到矩形上边缘中点。 3)、设置辐射边界条件要在仿真软件中计算分析天线的辐射场，必须先设置辐射边界条件。本次设计中采用辐射边界和天线的距离为1/4个工作波长。这里，我们先创建一个沿着

8、 Z轴放置的圆柱体模型，其材质为空气，底面圆心坐标为 (0,0 , -rad_height )，半径为rad_radius高度为2*rad_height 。具体参数如下：-11Properties： dipole - H-SSDesignl - Modeler,X-AttributaMameValueUni tEva3.ijLted VallieD escripti onRe 包（J- oi口 FHaimRid_4.irrM a.t er i alftf ai rrtf J iff airrSolvs InsideRrOTientationGlobalrMod«lFrDisplay

9、lirefr：imerrColorEdit |rTh airspar ent0 3_r*mShow Hiddcn聪Properties! dipole - ModelerC >mrF-aTiJl精彩文档F艇ihZtlueVnilEYal'iattd ¥«lutI'escripti&riComnar.dCr e it eCyl i n lerCOTdinate SvstnGlebsiC«nl!；jar Pteiti口!wn Omi t -r ad_hti ghtQzmDmn / 7111nlmixlEZLadiLusradr adi u

10、s25. 5m2*rid_h«itht68mnKumiar aS W©加#+鹭n0璐走I 班举Show Hidden然后将圆柱体表面设置为辐射边界条件:3、求解设置分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz左右，所以把求解频率设置为3GHz同时添加2.53.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频，分析天线在2.53.5GHz频段内的回波损耗和电压驻波比。 1）、求解频率和网络剖分设置设置求解频率为3GHz自适应网格剖分的最大迭代次数为20,收敛误差为0.02。如下：r .Solution SetupGark&r al Opti Ans AJvsftceiCieka

11、Dtri-Va+ivas D5faultsSeLup Run怛.z Enabled 厂 SoLve faxIs OnlGlk 二Sslutian F广电|3Ajdwp 11 ve S olat i onsManimnn Hunber of2口f* inun Del S0. 02P-' Un Matrix匚.X 涯-H x.d Fl. j.2）、扫频设置扫频类型选择快速扫频，扫频范围为2.53.5GHz ,扫频步进为0.001GHz。如下:Ed it £weep4、设计检查和运行仿真计算通过前面的操作， 我已经基本完成了偶极子天线模型的创建求解设置等H F S S设 计的前期工

12、作，现在开始运行仿真计算并查看分析结果。检查设计的完整性和正确性：随后开始分析。5、HF S S天线问题的数据后处理在完成了模型的创建和检查后，现在开始对天线的各项性能参数进行仿真分析，主要有回波损耗、驻波比、Smit h圆图、输入阻抗和方向图等。1）、回波损耗根据软件仿真结果，可以得到如下的在2.53.5GHz频段内的回波损耗 Si的分析结果:二叫二即.电H*qnx|X¥ PIM 1<DJW3GHz左右，Sii <-10dB的相对带宽为Qbtie rwbOQWi，从结果可以看出，设计的偶极子天线中心频率为BW=（ 3.24-2.789 ） /3=15.3%.2）、电压驻

13、波比 VSWR如图所示：XY Plot 2vsa3）、Smith 圆图在天线的相关问题的分析中Smith圆图是一个非常有用的工具，借助它可以方便的进行阻抗匹配，给出驻波比，归一化输入阻抗等各种信息。在HFSS中得到的Smith圆图如下:从Smith圆图中可以看出，在中心频率为3GHz的归一化阻抗约为 1,说明天线的端口阻抗匹配良好。VSWR< 2即反射系数的模小于三分之一）的频率范围约为 2.78GHz3.27GHzo4)、输入阻抗输入阻抗是天线的一个重要性能参数，我们可以通过HFSS直接查看天线的输入阻抗值。从结果报告中可以看出，设计的半波偶极子天线在中心频率3GHz上，输入阻抗为(7

14、2.8-j0.4 ) ?,与理论分析比较接近。5)、方向图天线方向图是方向性函数的图形表示，它可以形象的描述天线的辐射特性随着空间方向坐标的变化。首先定义辐射表面如下：E面方向图参数设置：H面方向图参数设置:3D方向图参数设置:随后可以查看xz, xy和三围增益方向图。RMiugn Patlam 2增益方向图 2, -1.3708e+aEe 5"5&*oec 句,G曰*3名心6'-1, LSSLe'h®1 f qs£，i0L 1 -l.SHJ5e+01 -2,LLLe*O3L-LSCLIlXL F 乙VEvml-a.zeiZe+t I -3

15、,6L3Se*O0LI-S,96We+O0L-¥.§L我显心L 飞.曲后修白烟工 -5皿鼾睛印I -5.3B 0 UT0L3D增益方向6）、其他参数除了上述参数外，HFSS还可以给出天线在辐射面上的最大辐射强度、方向性系数、最 大场强及其所在方向等参数。如下：Inputs-Setup Name:3D_SphereSolution;La5lAdaptjveArray Setup;"nieIntrinsic VariatnoriLFreq>'3GH2'Design Viriatian:dip_l engih»H23.96mm'diR_iaAntenna PaiameterKExportExport FieldsQu己nt的ValueUnit 名M-sxU0.13944W，srPeak Directivity1 7555Peak. Sain1.7523Fsak ftealied Gain1.7323Radiated Power0.9901 GW八u*pWd PcifibraS99SSW1 ncidenl P©向a1WRadiation EfficiencyD. 99817Fronl to Back RateN/A-Decay Fdctof0M白疝Mn Field Data： FieldValueUn