微波技术与天线实验利用HFSS仿真对称振子天线

关于HFSS使用说明：1、按照实际器件的几何结构画图。画完后三维体在solidsl列表下，二维面在sheets列表下。2、对solids列表下的三维体进行设置：（1）设置内部材料（material），默认材料为vaccum，如果不是vaccum需要更改材料。（2）设置外表面三维体的外表面默认为boundary>perfectE，如果不是perfectE则需要设置为源（excitation）或者边界条件（boundary）。（比如波导的两个端口设置为waveport）。（3）多个三维体之间的交界面不需要设置，软件自行设置。3、sheets列表下的二维面要设置为excitation或者boundary，不能为Unassigned。（1）一个面只设置一次；（2）集总类型的源excitation>lumpedport或者集总边界Boundary>LumpedRLC需要先画一个面（这个面在实际器件中并不存在，而是为了设置集总源或者集总元件而需要画），然后在面上设置；（3）为设置集总源或者集总元件而画的面需要连接两个导体，否则在设置时会出错。。4、对于放置于无限大空间的天线，需要画airbox，软件只对airbox内部区域进行数值方法计算，外部区域不需计算。（1）airbox的外表面距离天线的边界为λ/4~λ/2（airbox尺寸越大计算区域越大需要内存越大）；（2）airbox的表面设置为boundary>radiation。如果天线为一个长方体，则airbox的顶点/尺寸如下表:namemodelpositionsizematerialBoundaryExcitationantenna长方体x0,y0,z0dx,dy,dz根据情况而定根据情况而定airbox长方体x0-lbd/4,y0-lbd/4,z0-lbd/4dx+lbd/2,dy+lbd/2,dz+lbd/2vaccumradiation5、对于excitation与boundary的设置顺序需遵循：（1）如果有peferctE类型的boundary，应在assignexcitation前设置；（2）radiation边界条件要在所有的excitation与boundary设置完毕之后进行。6、扫频计算如果要计算一个频段范围（f1-f2），需要设置frequencysweep，在frequencysweep设置之前需要先设置一个点频f0=(f1+f2)/2，然后通过fast或interpolating方式进行扫频计算。表1对称振子天线模型名称形状顶点/position(x,y,z)(mm)尺寸/size(mm)材料激励/边界arm1圆柱体0,0,s/2radius=r0，height=l0Pec不需设置arm2圆柱体0,0,-s/2radius=r0，height=-l0Pec不需设置feedxz面矩形-r0,0,-s/22*r0,/,s无Excitation>Lumpedportairbox长方体-lbd/3-r0,-lbd/3-r0,-lbd/3-l0-s/22*lbd/3+2*r0,2*lbd/3+2*r0,2*lbd/3+2*l0+svacuumBoundary>radiations=0.5mm,r0=1mm（还可设置为2mm,3mm等）,l0=25mm（还可以设置为50mm,75mm等）,lbd=c/f0*1e+3mm,c=3e+8（注意无单位）,f0=3e+9（注意无单位）。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>SolutionType，选择DrivenTerminal。3设置单位。点击Modeler>Units，选择mm。4建立天线模型、按照表1依次画出arm1、arm2、feed及airbox（如图1）。注将arm1及arm2的材料设置为pec，airbox的材料为vacuum。图1对称振子天线模型5设置边界条件、源及辐射边界条件。将feed设置为lumpedport。具体操作为：选中feed，点击鼠标右键，选择AssignExcitation>LumpedPort，出现如图2界面，将arm2设置为参考导体。(如果设置界面与图10不同，在HFSS>SolutionType中选择DrivenTerminal)。注意：激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后进行，否则图2中conductor下缺少arm1或者arm2。图2lumpedport的参考导体设置界面(2)将airbox的边界设置为radiation。具体操作：选中airbox，点击鼠标右键选择【AssignBoundary】>Radiation，出现radiationboundary界面，采用缺省值，点击OK。注意：radiation边界条件要在lumpedport源设置完毕之后进行。6设置求解频率3GHz，扫频1-5GHz。在【HFSS】>AnalysisSetup>AddSolutionSetup中将频率设置为3GHz;，AdaptiveSolution下的MaximumNumberof设为6，MaximumdetaS设为0.01。点击OK。点击【HFSS】>AnalysisSetup>AddFrequencySweep，设置如图3。图3扫频设置7检查无误运行计算8画S参数曲线在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot（如图4），出现“Report：dipole”界面，设置如图5。点击NewReport，得到的|S11|曲线如图6，然后点击close结束画图。图4Results>CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot图5画S参数设置图6|S11|曲线9画方向图（1）设置立体角度在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Radiation，点击鼠标右键，选择InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere（如图7），出现远场辐射球设置界面“FarFieldRadiationSphere”，设置如图8，点击确定。图7InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere图8远场辐射球设置界面（2）画立体方向图在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot（如图9），出现画三维远场方向图设置界面，按图10设置，得到增益方向图如图11。图9CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot图10画增益图设置图11二分之一波长对称振子三维增益图（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ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>RadiationPattern，出现画二维远场方向图设置界面，按图12(a)设置；点击Families，将Phai设为0deg（如图12（b）），点击newreport，得到E面方向图如图13，与课本中给出的理论方向图一致。(a)(b)图12画E面方向图设置图13二分之一波长对称振子E面方向图10扫描变量l0点击HFSS>DesignProperties出现局部变量设置界面，更改l0的值为50mm（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l0的值设为75mm，运行计算；计算完毕，将变量l0的值设为100mm，运行计算。图33更改局部变量值计算完毕在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，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l0的值勾选为“useallvalues”（如图35（b）），点击NewReport得到曲线报告，双击曲线在属性窗口中的color项修改颜色以后得到图36。从图36可见，随着振子长度增加谐振频率降低，当l0=75,100mm时，第一个谐振频率低于1GHz。(a)(b)图35Report:dipole界面图36S参数随l0变化曲线（3）输出E面方向图在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Cre