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1、青岛大学本科生毕业论文(设计)本科毕业论文(设计)题 目： 平面单极天线的仿真研究 学 院： 自动化工程学院 专 业： 通信工程 姓 名： 指导教师： 2010年 6月 10 日Simulation Analysis of Planar Monopole Antenna 摘 要多模手机一般只采用一个能支持多种无线制式的多频带天线，单极天线和平面倒F天线是常用的多频手机天线。相比其他形式的天线，这两类天线都具有剖面低、体积小、设计方便等特点。本文采用HFSS12对单极天线进行仿真研究，通过仿真的回波损耗图来研究天线的谐振频率。当改变单极天线的面板尺寸时，观察天线的辐射方向图和回波损耗，研究天线在
2、不同参数下的工作带宽。关键词 单极天线 回波损耗 谐振频率AbstractMost multi-mode mobile phone uses a multi-band antenna which can support a variety of wireless standards in general. The multi-band antenna of mobile phone meanly uses the planar inverted F antenna or the monopole antenna. In comparison with other antennas, both
3、of the two antennas have the advantage of low profile, small volume, easy to design. In this paper, we use the software of HFSS 12 to do the simulation of monopole antenna. On the return loss from the simulation of the monopole antenna which is simulated by HFSS 12, we study the resonant frequency o
4、f monopole antenna. By changing the size of the plates and figuring out the radiation pattern and the return loss, we research the bandwith.Keywords Monopole antenna Return loss Resonant frequency目 录前 言1第1章 绪论21.1 研究背景及意义21.2 本文内容及安排3第2章 单极天线的理论分析42.1 单极天线的型式分类42.2 单极天线的分析方法72.3 单极天线的辐射机理92.4 天线的辐射参
5、数11第3章 平面单极天线的仿真133.1 创建工程133.1.1 创建天线金属面143.1.2 创建接地层163.1.3 创建激励173.1.4 创建空气盒子183.2 设置工程变量183.3 设置边界条件和激励模式213.4 设置频率并分析计算结果22结束语28谢 辞29参考文献30前 言随着无线通信中语音业务、窄带和宽带数据业务的发展，具有3G功能的手机将逐步成为市场的主流。同时，手机的设计也日新月异，对天线的宽频带特性、多频工作及小型化要求更为苛刻。目前，多模手机一般只采用一个能支持多种无线制式的多频带天线。多频带手机天线主要采用平面倒F天线和单极天线. 相比其他形式的天线，这两类天线
6、都具有剖面低、体积小、设计方便等特点，因此广泛用于手机等移动通信终端上。基本的平面倒F天线是将倒F天线的水平振子改变成平面形式，从而引出了平面倒F天线。随着对平面倒F天线的深入研究，又出现了很多性能良好的新型平面倒F天天线。面对多模手机对多频带天线的要求，单极天线大带宽和高增益更适合多模手机几百兆带宽的需求，而且内置平面单极天线的结构灵活，易于与当今多变的手机结构相配合，目前市场流行的超薄超小手机普遍采用这类天线。在中国，手机产业从无到有，手机设计从购买成熟方案到自主设计方案。在短短的3-4 年的时间，中国手机行业已经发展到空前的兴盛。伴随着众多手机生产制造商的兴起，手机产业相关配套厂家在手机
7、制造在产业集中地区聚集。近年发展比较快的手机天线供应厂家以蜂窝式的发展扩延，一方面极大的缩短了手机天线的设计生产周期，方便快速的为各手机设计生产企业快速的实行试做与量产；另一方面加速了手机天线行业的不良竞争，淡化了手机天线的设计技术含量，大大降低了产品的品质与天线的未来发展。在移动手机里，天线直接影响了手机的可通讯能力，直接决定了手机的射接收性能，甚至天线设计的好坏决定了该手机在市场的生存空间。在国外，品牌手机设计生产厂家普遍比较重视天线的前期研发与设计，他们多与参股与控股的形式培养天线设计与生产研究所或专业小天线设计公司，诺基亚在国内控制了飞创，摩托罗拉在国内参股了加利，在这种环境下，专业的
8、天线设计公司为大品牌的手机提供了足够的天线设计保障。所以像诺基亚、摩托罗拉、 三星等知名品牌总能在特定的环境下设计出性能优良的天线，把手机性能与一流功能完整的结合。在国产手机中，目前只有为数不多的大公司比较重视天线的设计与制造，多数中小企业只是把天线视为普通的硬件，在空间上压缩再压缩，在性能上低劣又低劣，最终的结果是手机的客户或终端消费者无法接受手机的“可通话”性能，导致项目的流产或重新设计，造成资源及人力的浪费及商机的流失，大大的降低了企业的综合竞争力。天线设计是手机设计成功链中的一个不可或缺的环节,天线性能的好坏直接会导致诸多的问题,如果手机设计公司多参考天线设计公司的意见,把国产手机的辐
9、射性能做到更好,有利于民族企业的发展,更有利于百姓的使用。第1章 绪论 1.1 研究背景及意义在无线电通信、广播电视以及雷达、导航等工程系统中，均需利用无线电波来传播信息以完成整个系统的工作。天线是这些系统中用以辐射或接收电波的部件。天线的基本功能是将由发射机送来的高频电流能量变为无线电波并传送到空间，在接收端，则将空间传来的电波能量转化为向接收机传送的高频电流能量。因此，天线是导波和无线电波的能量转化装置，是一个能量转换器件。为了适应各种不同用途的需要，人们研制和设计出各种类型的天线，对于这些天线，可以从不同角度来分类，例如说可依照工作频段、用途、极化形式等等来分类，若按工作性质可分为接收天
10、线和发射天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线即可用作接收天线，也可用作发射天线。由于使用场合不同，对天线的要求形式也有所不同，例如，发射天线需要考虑功率容量问题，而接收天线则需要考虑噪声问题，因此，在设计中各有所侧重。从便于分析和讨论天线性能出发，一般可按天线的结构形式分为两大类，一类是导体棒或金属盒构成的天线，称为线状天线或线天线，另一类则类似声学或光学设备由金属面或介质面构成的天线，称为面状天线或面天线。目前，人类社会进入了一个以信息急剧膨胀为主要特征的新阶段。在信息技术、计算机技术、空间技术等方面都取得了迅猛的发展，这也促进了天线技术的发展。例如，大容量电子计算机的研制成功，在天线理
11、论和设计上成功得到应用，解决了过去无法解决或难以解决的大量天线问题；人造卫星和洲际导弹的研究成功，对天线提出了一系列的新课题促进了多种新型天线的诞生。天线批量的不同的实现形式，对天线的性能并没有太大的影响，主要的不足是在快速量产的周期内，难度大的工艺制造工艺无法满足需求的时间。天线设计的前沿：1.低剖面天线的广泛应用该种天线的设计形式是在普通的平面倒F天线的基础上改进而成，在更低的剖面完成的设计，该种设计思路借鉴平面倒F天线与单极天线的优缺点，广泛应用于超薄机型以及空间比较紧的机型。该类型的天线已经被三星等大公司采用，并有良好的辐射接收效果。高辐射效率,抗干扰能力强的手机天线将会是近期设计的重
12、点,但是，在一定的环境中,我们如何提高天线的抗干扰能力呢?2.未来手机将发展成为具有便携式特性，在很小的空间内支持多支天线共存的局面同时UWB 超宽带天线将会有更大的空间。一般形式的UWB 天线可以实现0.4GHz-3.5GHz 的工作范围,但是该天线有一个缺点是设计结构相当的复杂,可实现性不强,需要外围制造公司有更高的技术能力。相信在未来1-2 年内可以广泛应用在移动终端中.当然UWB 天线的实行市场化还需要良好的阻抗匹配及匹配网络的设计。手机在近期将会把GPS、DVB-Digital Video Broadcasting、WIMAX、WIFI 等新技术纳入其中，增加手机的卖点。这些功能将对
13、天线的性能有更高的要求。GPS 天线要求有一定的圆极化，DVB 数字电视天线将要求有更高的工作频宽及接收性能。而且这些天线存在一定的相互干扰因素，在后期实现过程中会出现一些问题。3.主动天线能够自动切换频段目前手机天线基本上是用被动天线形式设计，微带天线有它的不足，现阶段愈是高阶的手机，支持的频段愈多，4频或5频手机就很风行；然而在使用上，其实不管在哪里，都只有使用到单频而已，其它3 频就是浪费，尤其对于手机愈做愈小的需求上，更可以思考是否有改善空间？事实上，若强化天线技术，这种浪费是可以改变的，有人因而投入开发主动天线技术，能够随需求切换不同的频段，届时手机天线仅需提供单频，就不需要内建4频
14、天线模块。单极天线由于其具有结构简单、重量轻、宽频带、多频带、馈电结构简单等优点，被广泛地应用于现代通信中，尤其是UWB(超宽带)技术出现后，其应用就更加广泛了。UWB技术最初是在1960年作为军用雷达技术开发的，早先主要用于雷达技术领域；2002年2月，FCC(美国联邦通讯委员会)批准了UWB技术用于民用。超宽带技术无论是在民用还是在国防领域都具有广泛的应用前景和重要的理论研究价值，并且为学术界和工业界所看好，是一个很值得研究的课题。然而，超宽带天线的设计需要天线有良好的阻抗带宽，稳定的相位中心，这是重点也是难点。单极天线正好满足这一设计要求。总之，单极天线的研究既具有较高的理论价值，同时也
15、具有重要的现实意义。1.2 本文内容及安排本文采用HFSS软件分析一种手机内置天线-单极天线，通过仿真计算结果来研究天线的各项性能。第1章绪论，介绍了研究背景和意义及内容安排。第2章介绍了几种常用的单极天线，并给出单极天线的理论分析。第3章采用HFSS软件仿真分析了平面单极天线，通过仿真得出的回波损耗图与文献相比较，验证了仿真的正确性。结束语部分对论文所做工作进行总结，并指出论文的不足。第2章 单极天线的理论分析竖直的具有四分之一波长的天线称为单极天线。该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的接地导体
16、与平台相连接。在自由空间中，四分之一波长的单极天线在垂直平面上的辐射方向图与半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射。在水平面上，垂直天线是全向性的。四分之一波长单极天线根部的输入阻抗为偶极天线阻抗的一半。辐射功率也为偶极天线的一半。在某些移动和便携设备上，四分之一的波长还是太大了，这种情况下可以用增加天线的电感来增加天线的电气长度，这种做法在天线的根部和中部都可以进行，或者也可以将整个天线做成线圈状。2.1 单极天线的型式分类单极天线可以按照形状和性能进行分类。不同的天线板具有不同的特性，其中包括辐射和方向特性，以及功率，损耗等等。下面是一些单极天线的大概参数和性能分类：1.
17、短单极子天线简单细单极子天线（如图2.1）有低的辐射电阻， ,电抗为容性。在输入端加调谐电路使其匹配时，由于匹配电路的功率损耗所致，一般效率较低。在h/0.05的典型情况下，匹配后在10-1%的带宽内，能达到30-70%的效率。偶单极子有两倍的rr值，需要一个平衡馈电装置。图2.1 短单极子天线2.倒L天线顶加载短单极子天线（如图2.2），电流分布沿长度变得愈来愈均匀，结果增大了辐射电阻。倒L天线是顶加载天线最简单一种形式，在HF及以下频段使用H/0.05时大约有5输入阻抗，调整l,使h+l/4,可以使天线输入阻抗谐振。本文所研究单极天线的接地板也是倒L型的。图2.2 倒L天线3.有源倒L天线
18、iroi和Fujimoto（1970）及Fujimoto（1970）论述了晶体管加载倒L天线（如图2.3），该天线在天线方向图最大辐射方向位移中是很有用的，波束位移是靠改变晶体管电路的偏压实现的。图2.3 有源倒L天线4.两元或四元顶加载单极子天线Simpson(1971)计算了几种多单元顶加载单极子天线（如图2.4）的输入阻抗。这些天线的辐射电阻与倒L天线近似相等。但是通常在谐振以下的频段工作。因此需要调谐和匹配电路。图2.4 两元和四元顶加载单极子天线5.多单元顶加载单极子天线图2.5所示天线也是基于盘加载单极子天线，但由于各单元之间的互耦使带宽有些增加，把顶盘再分成四部分，每一部分由一个
19、单极子激励。用这种方法使辐射电阻增加到50。图2.5 多单元顶加载单极子天线6.伞顶加载单极子天线如图2.6所示的天线主要作为VLF天线或Lf天线使用，因为在这些频段低成本和低电阻是很重要的。把天线作为顶负载，在h0.1的情况下，是辐射电阻增加到10。天线通常低于谐振频率工作，但是调整拉线的长度能很容易达到谐振。辐射效率与T型和L型类似，但是只需要一个支撑塔架设。图2.6 伞顶加载单极子天线7.电感加载单极子天线Walter在1954年第一次测量了电感加载单极子天线（如图2.7），后来Harrington，Hanson和Fujimoto 进行了分析，把电感加在单极子长度的二分之一。性能似乎比把
20、电感加载天线底部调谐电路中更好一些。适当的选择线圈的Q值，对h0.01的天线，能得到50-70%的效率，贷款增加到大约2%，辐射电阻为4-23。图2.7 电感加载单极子天线8.电感加载单极子天线的折合型式Walter提出了电感加载单极子天线的折合型式（如图2.8），通过改变两臂的直径之比，给出了较宽的带宽和较大的阻抗。图2.8 电感加载单极子天线的折合型式9.噪声匹配单极子天线通常具有极低信噪比的短单极子天线，可以通过在它的馈电系统加晶体管电路的办法使其在较宽的频带内更好的工作（如图2.9）。Lindcnmeier研究了在接受系统中，天线尺寸的减小、带宽和信噪比之间的折衷问题。图2.9 噪声匹
21、配单极子天线以上几种天线都是单极天线的类型，他们形状和尺寸不同，因而性能也不同。2.2 单极天线的分析方法传统的单极天线，辐射分枝的长度约为1/4波长。单极天线的辐射电阻和辐射场，可以利用镜像原理来计算。简单单极天线有较低的辐射电阻，电抗为大的容性。对于无穷大地其辐射图等同于偶极子，如果将地逐步缩小，将无法形成理想镜像，地面的电流分布将发生变化。在现代天线设计中，利用电磁场仿真软件对天线进行仿真成为天线设计的主要方式。本文使用的电磁场仿真软件采用时域有限差分法，在时域进行计算。由于激励信号可以是具有很宽频谱分量的窄脉冲，与傅里叶变换相结合，可以通过一次计算得到计算对象所需频带宽度内的特性，因此
22、特别适合宽带问题的研究。瞬变问题或时域问题: 线天线的瞬变问题或线天线的时域问题有三种求解方法。经典法或傅里叶变换法：先求出线天线的频域解，然后再利用傅里叶变换将频域解化为时域解；直接时域解法：先建立以线天线的时空分布为待求函数的时域积分方程，然后用数值法求解，从而得到输入特性和辐射特性。在这里，线天线本身和时间都必须分割成小段。但线天线的时域严格解，只有当线天线为无限长时才能求得；奇异性展开法：主要是用复频率平面上的奇异性展开来表示线天线的时域响应。根据实验发现，用脉冲源激励的天线或散射体的瞬变响应主要由一些衰减的正弦型响应组成，而每个响应的特征是用拉普拉斯变换复频率平面上的一个极点或一对极
23、点来表示。天线或散射体在这些极点附近的频率有很大的电磁响应。这就引出了奇异性展开法。宽频带的脉冲激发了这些极点，后者则是天线或散射体自由振荡的解。自然模的波形与源脉冲波形无关，但其复振幅系数（称为耦合系数或谐振强度）却与源函数有关。1.时域有限积分法时域有限积分法是根据麦克斯韦方程和边界条件建立的电磁时空积分方程。将所分析的目标和待求响应在时间、空间上离散化，按照时序可以得到目标响应的离散解。此方法可以很好的解决线性结构目标的瞬态散射与辐射问题，但是用于分析面、体目标时，选择合适的基函数比较困难，难以建立合适的空间离散模型，计算误差较大，并可能由于误差积累而导致发散。关于算法的稳定性和处理是该
24、算法的研究重点。2.有限时域差分法利用时域有限差分法分析电磁场时，首先将计算空间划分成有限网格，每一电场分量由四个磁场分量环绕，每一磁场分量亦由四个电场分量环绕，这种划分方法满足麦克斯韦旋度方程的结构形式，适合旋度方程在空间进行差分运算，而且可以恰当地描述电磁波在空间的传播过程。将麦克斯韦旋度方程在上述空间网格和时间上进行离散，用下面的符号来表示任意场分量F在点(x，y，z，t)的值：F(x，y，z，t)F(ix，jy，kz，nt)Fn(i，j，k)式中：x，y，z分别是x，y，z方向上的空间网格步长；t是时间步长；i，j，k为整数，因此可用具有二阶精度的差分运算来替代微分运算。为了便于计算编
25、程，空间和时间的编号为整数值，可得到无源区麦克斯韦旋度方程式(2.1),其各分量的迭代公式见式(2.2)式(2.7)： （2.1） （2.2） （2.3） （2.4） （2.5） （2.6） （2.7）式中：为介质中的波阻抗；=vt为一个时间步长波在空间走过的距离；为介质中波的相速，其中为媒质的介电常数，为媒质的磁导率。采用数值计算空间总是有限的。为了在有限空间中计算电磁场量，需要对有限空间的周围边界做特殊处理。3.矩量法线天线理论对一根细线天线来说是有效的，但对耦合线天线或线天线阵来说，只有线天线的积分方程理论适用。60年代矩量法应用于电磁场方面之后，线天线的理论计算得到很大发展。借助电子计
26、算机，矩量法应用于线天线的积分方程理论计算，解决了和正在解决许多过去无法解决的线天线问题。纯数值法是将线天线或线天线阵的导线分割成许多小段，每段上的待求电流假设是均匀的，然后将积分方程或积分方程组中的积分化为有限求和，从而得到与小段数目相等的代数方程组，然后用电子计算机求解，得出每一小段的电流，从而得到电流分布。2.3 单极天线的辐射机理从理论上可以将半径为r的圆片单极结构近似等效为高l半径a的短圆柱振子。等效模型如图2-10所示。其下限频率的确定方法是，将圆面积等效为短圆柱振子的表面积，将圆片直径2r等效为圆柱振子的高度l，即，短圆柱振子的高度l与波长的对应关系为：，其中：。图2.10 短单
27、极子等效模型则圆片单极天线的最低谐振频率为：f=3.2/r。天线存在于一个由波束范围、立体弧度、平方(角)度和立体角所构成的三维世界中。天线与整个空间耦合，并且具有一个用开尔文度量的温度。无线电天线可以被定义为一种附有导行波与自由空间波互相转换区域的结构。天线将电子转变为光子(发射天线)，或将光子转变为电子(接收天线)。不论具体形式如何，天线都基于有加或减速电荷产生辐射的共同机理。基本辐射方程为： （2.8）式（2.8）中 I=时变电流，A/s L=电流元的长度，m Q=电荷，C V=速度的时间变化率，即电荷的加速度，m/s因而，时变电流辐射即加速电荷辐射。对于稳态简谐振荡，我们通常关注其电流
28、；对于瞬态简谐振荡或脉冲，则关注电荷。辐射的主要方向垂直于加速度，辐射功率正比于（或）的平方。天线的作用是将发射机送来的高频电流(或导波)变换为无线电波并传送到空间；将空间传来的无线电波转变为接收机能够传送的高频电流。因此，天线是一个导波和辐射波的变换装置，即能量转换器件。由于时变电流能辐射电磁波，因而天线也被称为辐射源。但要产生有效的辐射或接收，它的结构应当是一个开放系统。为了有效地将能量从发射机馈送到天线，或将空间电磁波转换成高频电流(或导波)送至接收机，需要解决如下三个问题：第一，有效地进行能量转换，提高辐射功率或提高天线系统的信噪比。天线作为传输线的终端负载，要求天线与传输线匹配；第二
29、，天线作为一直辐射或接收器件，应具有向所需方向辐射无线电波的能力；第三，天线作为极化器件分为线极化、圆极化和椭圆极化三种。同一系统中收、发天线应具有相同的极化形式，若不一致，则产生极化失配。2.4 天线的辐射参数天线的特性参数包括输入阻抗、辐射方向图、增益、驻波比、和频率带宽、方向性系数和极化等等。其中，阻抗特性和方向图特性是对单极天线比较重要的参数。下面简单介绍一下这几个参数。1. 输入阻抗天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减小从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须是天线的电抗分量尽量为零，是
30、天线的输入阻抗为纯电阻。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻并且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻尽可能地接近馈线的特性阻抗。匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数、行波系数、回波损耗和驻波比。四个参数之间有一定的数值关系，使用哪一个纯出于习惯。2. 驻波比天线的驻波比是表示天线与馈线(收发信机)匹配程度的一个指标。驻波比的定义为： （2.9）式2.9中是馈线上的波腹电压，是馈线上的波节电压。驻波是由于传输线到天线输入端的入射波能量未被全部吸收(辐射)，产生反射波
31、，入射波与反射波叠加而形成的。驻波比(VSWR)越大，反射越大，匹配越差。3. 增益增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。根据选择的不同比较标准，其增益不同。天线有两种增益，即绝对增益与相对增益。本文中由仿真软件HFSS仿真输出的是IEEE定义的增益，即只考虑实际被天线吸收的信号功率，没有反映天线输入端口与馈线的匹配情况。绝对增益只决定于天线的结构，Friss方程中采用的增益便是绝对增益。通过观察天线的辐射方向图，可以判断天线的增益，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。4. 辐射方向图天线在空间不同方向辐射功率的强度是不
32、同的，为了描述这种特性引入方向图。天线的辐射方向图(简称方向图)是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示。所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化。在通常情况下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数(简称方向图函数)，实际上，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况下，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布，有时指场强的空间分布。实际上常用功率通量密度或场强的归一化值表示方向图，称为归一化方向图。天线的归一化辐射方向图，常常简称为方向图或波瓣图，它是一个三维立体图，立体方向图形象、直观，但画起来复杂。实际工作中只是关心某些平面的方向图，通常是用两个相
33、互垂直的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。5. 天线的工作频率范围(带宽)无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的。通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率也最大，偏离中心频率时她所输送的功率也将减小，据此可以定义天线的频率带宽。有两种不同的定义：一种是指天线增益下降3分贝时的频带宽度。一种是指规定的驻波比下天线的工作频带宽度。本文采用的是第二种定义。另外，文献16对UWB相对带宽的定义也很有意义： （2.10）式（2.10）中，和分别是信号频谱的上下3分贝频点。当信号的带宽大于25时，定义信号是超宽带信号；如果信号的相对带宽小于1，则为窄带信号；如果相对带宽介于1和2
34、5之间，则信号是宽带信号。第3章 平面单极天线的仿真本章采用HFSS对如图3.1所示的单极天线进行仿真，在天线模型建立完成，需要在其外面加一个空气盒来计算天线的辐射场，空气盒每个面距天线系统，边界设置为辐射边界。在仿真中扫频计算的最低频率为0.5GHz，则=600mm，/4=150mm。图3.1 单极天线的实际图3.1 创建工程双击HFSS图标打开主界面，点击菜单栏的FILE新建一个工程。并重命名为antanna 保存（如图3.2）。图3.2 新建工程 然后设置驱动模式HFSSsolution type 选择Driven Terminal 模式(如图3.3)，图3.3 驱动模式然后为模型选择合
35、适单位，Modeler-Units 在弹出的窗口中选择mm(如图3.4)。图3.4 模型的单位3.1.1 创建天线金属面（1）创建天线的金属板1。选择Draw/Rectangle，选择yz平面，输入起始点（x,y,z）=(0，-17.5，-15）（如图3.5）回车后在坐标系里出现起始点。然后输入终点向量（x,y,z）=（0，35，15）回车后在三维坐标系里出现画好的矩形（如图3.6），重命名为A1。图3.5 创建矩形图3.6 创建天线板1（2）创建天线的金属板2。选择Draw/Rectangle，选择yz平面，输入起始点（x,y,z）=(-8，-17.5，-15）（如图3.7）回车后在坐标系里
36、出现起始点。然后输入终点向量（x,y,z）=（0，35，15）回车后在三维坐标系里出现画好的矩形（如图3.8），重命名为A3。图3.7 创建矩形图3.8 创建天线板2（3）创建天线的金属板3。选择Draw/Rectangle，选择xy平面，输入起始点（x,y,z）=(-8，-17.5，-15）（如图3.9）回车后在坐标系里出现起始点。然后输入终点向量（x,y,z）=（0，35，15）回车后在三维坐标系里出现画好的矩形（如图3.10）。重命名为A2。图3.9 创建矩形图3.10 创建天线板3完成后合并：全部选择天线的三个部分，然后选择Modeler/boolean/Unite完成合并。3.1.2
37、 创建接地层（1）创建接地层的水平部分。选择Draw/Rectangle，选择xy平面，输入起始点（x,y,z）=(-3，-17.5，-19）（如图3.11）回车后在坐标系里出现起始点。然后输入终点向量（x,y,z）=（6，35，0）回车后在三维坐标系里出现画好的矩形(如图3.12)，并重命名为ground1：图3.11 创建矩形图3.12 创建接地部分（2）创建接地层的竖直部分。选择Draw/Rectangle，选择yz平面，输入起始点（x,y,z）=(-3,-17.5,-119)(如图3.13) 回车后在坐标系里出现起始点。然后输入终点向量（x,y,z）=（0，35，100）回车后在三维坐
38、标系里出现画好的矩形(如图3.14) 并重命名为ground2：图3.13 创建地面的水平部分.图3.14 创建接地面的竖直部分创建完成后，合并：全选接地层的两部分，然后选择Modeler/boolean/unite完成合并。3.1.3 创建激励创建天线的激励。该单极天线的激励位于接地层和天线之间，用一个小矩形来表示。选择Draw/Rectangle，选择yz平面，输入起始点（x,y,z）=(0，-0.5，-19)(如图3.15) 回车后在坐标系里出现起始点。然后输入终点向量（x,y,z）=（0，1，4）回车后在三维坐标系里出现画好的矩形(图3.16) 并重命名为feed：图3.15 开始创建
39、天线激励图3.16 创建天线激励3.1.4 创建空气盒子因为计算机软件仿真是采用近似处理得出的结果，因此在计算其辐射特性时，往往需要设置一个辐射边界，来进行有限远的辐射计算。本文在这里设置一个立方体，立方体的每个面距离天线的每个部分有不小于波长的四分之一。这里天线的最低频率区0.5Ghz，因此波长为=600mm，因此立方体的距离天线每个面不小于150mm。是因为数值计算后由小数位，因此我们在后面的工程变量中再设置数值，这里先画一个大概的立方体。选择Draw/Box，随便在一个地方点击一下再在另一个地方点击即可,重命名为airbox。如图3.17所示。 图3.17 创建空气盒子 3.2 设置工程
40、变量因为本文在用计算机仿真时，要用到的参数有很多值，需要分别设置，因此为了修改方便而采用变量的方法。工程变量需要在Project菜单中设置，选择Project/Project Variables，点击Add按钮，设置变量（如图3.18）：图3.18 工程变量$lbd=400mm;$h2=15mm;$h1=15mm;$dp=8mm$w=35mm;$xa1=0mm$Ya1=-$w/2;$dYa1=$w$dZa1=$h1;$Xa3=-$dp$Ya3=-$w/2;$dZa3=$h2$dYa3=$w;$Za2=0mm$dXa2=$dp;$dYa2=$w$dg=6mm;$Lg=100mm$Wg=35mm;
41、$S=4mm$G=$h2+$S-$h1; $Zground1=-$dZa1-$G$dXground1=$Dg;$dYground1=$Wg$dZground2=$Lg;$Zground2=$Zground1-$dZground2$dYground2=$Wg;$Za1=-$dZa1$Za3=-$dZa3;$Xa2=-$dXa2$Ya2=-$dYa2/2;$Xground1=-$dXground1/2$Yground1=-$dYground1/2; $Xground2=$Xground1$Yground2=$Yground1;$Xfeed=0mm$dZfeed=$G;$dYfeed=1mm$Zfe
42、ed=$Za1-$dZfeed;$Yfeed=-$dYfeed/2然后再把找到刚才创建的模型的步骤，打开属性对话框，把每一个数值设置成变量的形式：如图3.19图3.19 模型的尺寸属性首先设置上一步中提到的空气盒子：双击create box (图3.2.3)打开属性对话框（图3.20）图3.20 空气盒子的步骤在position中设置为-$lbd/3+$Xa3 ,-$lbd/3+$Yground2 ,-$lbd/4+$Zground2；然后Xsize ：$lbd/3+$dXa2+$dXground1+$lbd/3；Ysize：$lbd/3+$dYground2+$lbd/3；Zsize：$lb
43、d/4+$dZa1+$G+$dZground2+$lbd/3其他模型部分跟上述一样做法，下面是要设置的变量：激励：position：$Xfeed ,$Yfeed ,$Zfeed；Axis：x；Ysize：$dYfeed；Zsize：$dZfeed天线板1（A1）：position：$Xa1 ,$Ya1 ,$Za1；Axis：x；Ysize：$dYa1；Zsize：$dZa1天线板2（A3）：position：$Xa3 ,$Ya3 ,$Za3；Axis：x；Ysize：$dYa3；Zsize：$dZa3；天线板3（A2）：position：$Xa2 ,$Ya2 ,$Za2；Axis：z；Xsiz
44、e：$dXa2；Ysize：$dYa2；接地层水平部分：position：$Xground1 ,$Yground1 ,$Zground1；Axis：z；Xsize：$dXground1；Ysize：$dYground1；接地层竖直部分position：$Xground2 ,$Yground2 ,$Zground2；Axis：X；Ysize：$dYground2；Zsize：$dZground2；工程变量设置完成。3.3 设置边界条件和激励模式本文中，天线和接地层都是金属导体，都设置为Perfect E。在模型名字上点击右键选择Assign boundary / Perfect E（图3.21）
45、。激励因为所选模式为Driven Terminal因而设置为lumped Port选择FEED点击右键Assign excitation/Lumped Port（如图3.22 ）。 图3.21 设置边界条件 图3.22 设置激励模式 Aixbox的填充材料按照软件的默认“真空”即可。3.4 设置频率并分析计算结果设置中心频率和扫描频率。选择HFSS/Analysis setup/Add Solution setup（图3.23）；设置中心频率为1.75GHz,其它选项默认即可。选择HFSS/Analysis setup/Add Frequency Sweep(图3.24)；设置扫描频率，最低频率0.5GHz最高频率2GHz，频率间隔取0.01（如图3.25）保存退出。图3.23 设
