HFSS半波偶極子天線設(shè)計(jì)

HFSS半波偶極子天線設(shè)計(jì)演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)

半波偶極子天線1.電流分布對(duì)于從中心饋電的偶極子，其兩端開(kāi)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(shè)天線沿z軸放置，其中心坐標(biāo)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖所示，則長(zhǎng)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(duì)半波偶極子而言l=λ/4.則半波偶極子的電流分布可以寫(xiě)成：I(z)=Imsin（π/2-kz）=Imcos（kz）目前二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)2.輻射場(chǎng)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(lái)計(jì)算半波偶極子天線的輻射場(chǎng)。上次課已經(jīng)求解得：目前三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)3.方向性系數(shù)根據(jù)公式可計(jì)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(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)4.輻射電阻天線的評(píng)價(jià)功率密度可以用平均坡印亭矢量來(lái)表示：

目前五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)5.輸入阻抗根據(jù)基本的傳輸線理論，輸入阻抗一般同時(shí)包含實(shí)部和虛部?jī)刹糠?，即為?/p>

Zin=Rin+jXin

實(shí)部電阻包含輻射電阻和導(dǎo)體損耗所產(chǎn)生的導(dǎo)體電阻，對(duì)于良導(dǎo)體而言，導(dǎo)體電阻可以忽略，此時(shí)實(shí)部?jī)H包含輻射電阻Rin=Rr。虛部電抗為零。對(duì)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?jiàn)，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(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)3.2半波偶極子天線設(shè)計(jì)這里要求設(shè)計(jì)一個(gè)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(biāo)原點(diǎn)，天線材質(zhì)使用理想導(dǎo)體，總長(zhǎng)度為0.48λ，半徑為λ/200.天線的饋電采用集總端口激勵(lì)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(zhǎng)lambda100天線總長(zhǎng)度length0.48*lambda端口距離gap0.24單個(gè)極子長(zhǎng)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(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)3.3HFSS天線設(shè)計(jì)流程設(shè)置求解類型：模式驅(qū)動(dòng)（drivenmodel）、終端驅(qū)動(dòng)（drivenTerminal）創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型：根據(jù)天線的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在HFSS窗口中創(chuàng)建出天線的HFSS參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。設(shè)置邊界條件：在HFSS中，與背景接觸的表面都被默認(rèn)設(shè)置為理想導(dǎo)體邊界（PerfectE）；為了模擬無(wú)限大的自由空間，必須把與背景相接觸的表面設(shè)置為輻射邊界條件或者理想匹配層（PML），這樣才能計(jì)算出遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)。目前八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)設(shè)置激勵(lì)方式。天線必須通過(guò)傳輸線或波導(dǎo)傳輸信號(hào)，天線與傳輸線或者波導(dǎo)連接處即為饋電面或激勵(lì)端口。有兩種激勵(lì)方式：波端口激勵(lì)（waveport）和集總端口激勵(lì)（Lumpedport）。通常在與背景相接觸的饋電面的激勵(lì)方式使用波端口激勵(lì)，在模型內(nèi)部的饋電面的激勵(lì)方式使用集總端口激勵(lì)。設(shè)置參數(shù)求解，包括設(shè)定求解頻率和掃頻次數(shù)，求解頻率通常設(shè)定為天線的工作頻率。運(yùn)行求解分析。查看求解結(jié)果。Optimertrics優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)3.4天線的HFSS仿真設(shè)計(jì)1.新建設(shè)計(jì)工程（1）運(yùn)行HFSS并新建工程啟動(dòng)HFSS軟件，新建一個(gè)工程文件，把工程文件另存為dipole.hfss。（2）設(shè)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(shè)置。目前十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)（3）設(shè)置模型長(zhǎng)度單位在主菜單欄中選擇Modeler----units，選擇mm。2.添加和定義設(shè)計(jì)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(kāi)設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框，單擊ADD按鈕，打開(kāi)addproperty對(duì)話框，在addproperty對(duì)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(diǎn)確定按鈕。目前十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)2.添加和定義設(shè)計(jì)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(kāi)設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框，單擊ADD按鈕，打開(kāi)addproperty對(duì)話框，在addproperty對(duì)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(diǎn)確定按鈕。目前十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)3.設(shè)計(jì)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(jìn)入創(chuàng)建圓柱體的狀態(tài)。新建的圓柱體會(huì)添加到操作歷史樹(shù)的solids節(jié)點(diǎn)下，默認(rèn)名cylinder。雙擊操作歷史樹(shù)中的solids下的cylinder節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)如下對(duì)話框。把圓柱體名稱設(shè)置為Dipole，其材質(zhì)為pec。如圖所示。目前十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)雙擊操作歷史樹(shù)中的Dipole下的createcylinder節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)新建圓柱體屬性對(duì)話框的command選項(xiàng)卡，在該選項(xiàng)卡中設(shè)置圓柱體的底面圓心坐標(biāo)、半徑和長(zhǎng)度。在centerPosition文本框中輸入底面圓心坐標(biāo)（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(zhǎng)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(dǎo)體細(xì)圓柱體模型，按快捷鍵ctrl+D全屏顯示。目前十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前十七頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)接下來(lái)生成偶極子天線的另一個(gè)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(biāo)軸的復(fù)制。會(huì)打開(kāi)一個(gè)對(duì)話框。在所打開(kāi)的對(duì)話框中將Axis設(shè)置為x軸，將Angle選項(xiàng)設(shè)置為180deg，并在totalnumber數(shù)值框中輸入2，單擊ok按鈕。目前十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)（2）設(shè)置端口激勵(lì)

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(gè)平行于yz面矩形面作為激勵(lì)端口平面，并設(shè)置端口平面的激勵(lì)方式為集總端口激勵(lì)。該矩形面需要把偶極子天線的兩個(gè)臂連接起來(lái)。因此其頂點(diǎn)坐標(biāo)為（0，-dip_radius，-gap/2），長(zhǎng)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(xiàng)，把當(dāng)前工作面設(shè)置為yz平面；然后從主菜單欄中選擇draw----rectangle。新建的矩形面會(huì)添加到操作歷史樹(shù)的sheets節(jié)點(diǎn)下，其默認(rèn)的名稱是rectangle1.雙擊操作歷史樹(shù)中的sheets下的rectangle1節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)新建矩形面屬性對(duì)話框，把矩形面的名稱設(shè)置為Port。目前十九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前二十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)雙擊操作歷史樹(shù)中port下的creatrectangle節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)新建矩形面屬性對(duì)話框的command選項(xiàng)卡，在該選項(xiàng)卡中設(shè)置矩形面的頂點(diǎn)坐標(biāo)和大小。在position文本框中輸入頂點(diǎn)坐標(biāo)（0，-dip_radius，-gap/2），在Ysize和Zsize文本框中分別輸入矩形面的長(zhǎng)和寬為2*dip_radius和gap，如下圖所示。最后按ok按鈕。接下來(lái)要設(shè)置該矩形面的激勵(lì)方式為集總端口激勵(lì)，具體操作方法如下：目前二十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前二十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)在操作歷史樹(shù)中的sheets節(jié)點(diǎn)下選中該矩形面。然后在其上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇assignexcitation----lumpedport，在打開(kāi)的集總參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中，將resistance設(shè)為73.2歐姆，將reactance設(shè)為0ohm，然后單擊下一步；目前二十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)打開(kāi)modes對(duì)話框，在對(duì)話框中單擊IntegrationLine列下的none，從下拉菜單中選擇newline選項(xiàng)，此時(shí)會(huì)進(jìn)入三維模型窗口進(jìn)行端口積分線的設(shè)置。目前二十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前二十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)（3）設(shè)置輻射邊界條件要在HFSS中計(jì)算分析天線的輻射場(chǎng)，則必須設(shè)置輻射邊界條件或PML邊界條件。當(dāng)前設(shè)計(jì)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(gè)工作波長(zhǎng)。這里，我們要先創(chuàng)建一個(gè)沿著z軸放置的圓柱體模型，其材質(zhì)為空氣（air），底面圓心坐標(biāo)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(shè)置為輻射邊界條件。目前二十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)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(xiàng)，把當(dāng)前工作平面設(shè)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(shù)的solids節(jié)點(diǎn)下，默認(rèn)為cylinder1；雙擊操作歷史樹(shù)下cylinder1，打開(kāi)屬性對(duì)話框，把圓柱體名稱改為Rad_air，設(shè)置材質(zhì)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(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前二十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)雙擊操作歷史樹(shù)中的rad_air下的createcylinder節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)屬性對(duì)話框，在該選項(xiàng)卡中設(shè)置圓柱體的底面圓心坐標(biāo)、半徑和長(zhǎng)度。Centerposition設(shè)為（0，0，-rad_height）Radius輸入半徑值rad_radius；Height文本框中輸入長(zhǎng)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(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前三十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)B。設(shè)置輻射邊界條件在操作歷史樹(shù)下單擊rad_air節(jié)點(diǎn)，選中該圓柱體模型。然后在其上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇assignboundary----radiation，打開(kāi)輻射邊界條件設(shè)置對(duì)話框，如下圖所示。在改對(duì)話框中保留默認(rèn)設(shè)置，直接單擊ok按鈕，把圓柱體模型rad_air的表面設(shè)置為輻射邊界條件。目前三十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前三十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)4.求解設(shè)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(shè)置為3GHz。同時(shí)添加2.5GHz~3.5GHz的掃頻設(shè)置，掃頻類型選擇快速掃頻（Fast），分析天線在2.5~3.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗和電壓駐波比。（1）求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置設(shè)置求解頻率3GHz；自適應(yīng)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(shù)下的analysis，在彈出的對(duì)話框中選中addsolutionSetup，完成設(shè)置。目前三十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前三十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)（2）掃頻設(shè)置掃頻類型選擇快速掃頻，掃頻范圍為2.5GHz~3.5GHz，頻率步進(jìn)為0.001GHz。展開(kāi)工程樹(shù)下的analysis

節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊前面添加的求解設(shè)置項(xiàng)Setup1；在彈出的對(duì)話框中選擇Addfrequencysweep；打開(kāi)editsweep對(duì)話框完成設(shè)置。目前三十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前三十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)5.設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真運(yùn)算前面已經(jīng)完成了偶極子天線模型的創(chuàng)建和求解設(shè)置；接下來(lái)就運(yùn)行仿真計(jì)算并查看分析結(jié)果。但在計(jì)算前要進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查。從主菜單HFSS----Validationcheck，得到如下對(duì)話框。目前三十七頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)6.HFSS天線問(wèn)題的數(shù)據(jù)后處理HFSS擁有強(qiáng)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(xiàng)性能參數(shù)的仿真分析結(jié)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(shù)下的results節(jié)點(diǎn)，在彈出的菜單中選擇createmodelsolutiondatareport----rectangleplot命令，打開(kāi)報(bào)告設(shè)置對(duì)話框，如下圖所示。然后單擊newreport按鈕，再單擊close按鈕關(guān)閉對(duì)話框，此時(shí)可以生成在2.5~3.5GHz頻段內(nèi)的回波損耗S11分析結(jié)果。目前三十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前三十九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前四十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)（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(shù)下的results節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇createmodalsolutiondatareport----rectangleplot；再按照如下圖表進(jìn)行設(shè)置，最后單擊newreport，單擊close，得到天線的駐波比分析結(jié)果。目前四十一頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前四十二頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)（3）Smith圓圖在天線的設(shè)計(jì)中，smith圓圖是一個(gè)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(shù)下的results節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇createmodalsolutiondatareport----Smithchart，打開(kāi)如下對(duì)話框，進(jìn)行設(shè)置。目前四十三頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前四十四頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)(4)輸入阻抗輸入阻抗是天線的一個(gè)重要性能參數(shù)。右鍵單擊工程樹(shù)下的results節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇createmodalsolutiondatareport----rectangleplot，打開(kāi)報(bào)告對(duì)話框，進(jìn)行如下圖設(shè)置。目前四十五頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)點(diǎn)擊newreport按鈕，再單擊close按鈕關(guān)閉對(duì)話框，此時(shí)得到天線的輸入阻抗結(jié)果報(bào)告。目前四十六頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)（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(biāo)變化的關(guān)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(yuǎn)區(qū)場(chǎng)確定的，要查看天線的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射結(jié)果。首先要設(shè)立輻射表面。接下來(lái)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(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)A。定義輻射表面輻射表面是基于球坐標(biāo)系定義的。Xz平面即球坐標(biāo)系下φ=0°的平面，xy平面即球坐標(biāo)系下θ=90°的平面，而三維立體球面在球坐標(biāo)下則表示為0≦θ≦180°，0≦φ≦360°。定義xz平面右鍵單擊工程樹(shù)下的radiation節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇insertfarfieldsetup----infinitesphere，打開(kāi)farradiationspheresetup完成如下設(shè)置。然后單擊確定按鈕，完成設(shè)置。此時(shí)定義的輻射表面的名稱E__Plane會(huì)添加到工程樹(shù)的Radiation節(jié)點(diǎn)下。目前四十八頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)目前四十九頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)定義xy平面右鍵單擊工程樹(shù)下的radiation節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇insertfarfieldsetup----infinitesphere，打開(kāi)farradiationspheresetup完成如下設(shè)置。然后單擊確定按鈕，完成設(shè)置。此時(shí)定義的輻射表面的名稱H__Plane會(huì)添加到工程樹(shù)的Radiation節(jié)點(diǎn)下。目前五十頁(yè)\總數(shù)五十八頁(yè)\編于十三點(diǎn)定義三維立體球面右鍵單擊工程樹(shù)下的radiation節(jié)點(diǎn)，在彈出的快捷菜單中選擇insertfarfieldsetup----infinitesphere，打開(kāi)farfieldradiationspheresetup完成如下設(shè)置。然后