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1、一 半波偶极子天线设计与仿真分析,半波偶极子天线,1.电流分布对于从中心馈电的偶极子，其两端开路，故电流为零。工程上通常将其电流分布近似为正弦分布。假设天线沿z轴放置，其中心坐标位于坐标原点，如图所示，则长度为l的偶极子天线的电流分布为：I(z)=Imsink(l-|z|)Im是波腹电流，k波数。对半波偶极子而言l=/4.则半波偶极子的电流分布可以写成：I(z)=Imsin（/2-kz）=Imcos（kz）,2.辐射场和方向图,已知半波偶极子天线上的电流分布，可以利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。上次课已经求解得：,3.方向性系数,根据公式可计算出半波偶极子天线的方向性系数为：若以分贝
2、表示为：,4.辐射电阻,天线的评价功率密度可以用平均坡印亭矢量来表示：,5.输入阻抗,根据基本的传输线理论，输入阻抗一般同时包含实部和虚部两部分，即为：Zin=Rin+jXin 实部电阻包含辐射电阻和导体损耗所产生的导体电阻，对于良导体而言，导体电阻可以忽略，此时实部仅包含辐射电阻Rin=Rr。虚部电抗为零。对于半波偶极子天线而言，输入阻抗近似看为辐射电阻73.2欧姆。可见，半波偶极子天线的输入阻抗是纯电阻，易于和馈线匹配，这也是它被较多采用的原因之一。,3.2 半波偶极子天线设计,这里要求设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线，天线沿z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长
3、度为0.48，半径为/200.天线的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/4。,3.3 HFSS天线设计流程,设置求解类型：模式驱动（driven model）、终端驱动（driven Terminal）创建天线的结构模型：根据天线的初始尺寸和结构，在HFSS窗口中创建出天线的HFSS参数化设计模型。设置边界条件：在HFSS 中，与背景接触的表面都被默认设置为理想导体边界（Perfect E）；为了模拟无限大的自由空间，必须把与背景相接触的表面设置为辐射边界条件或者理想匹配层（PML），这样才能计算出远区辐射场。,设置激励方式。天线必须通过传输线或波导传输信
4、号，天线与传输线或者波导连接处即为馈电面或激励端口。有两种激励方式：波端口激励（wave port）和集总端口激励（Lumped port）。通常在与背景相接触的馈电面的激励方式使用波端口激励，在模型内部的馈电面的激励方式使用集总端口激励。设置参数求解，包括设定求解频率和扫频次数，求解频率通常设定为天线的工作频率。运行求解分析。查看求解结果。Optimertrics优化设计。,3.4天线的HFSS仿真设计,1.新建设计工程（1）运行HFSS并新建工程启动HFSS软件，新建一个工程文件，把工程文件另存为dipole.hfss。（2）设置求解类型在主菜单栏中选择HFSS-Solution Type
5、，选中Driven Model单选按钮，然后单击ok按钮，完成设置。,（3）设置模型长度单位在主菜单栏中选择Modeler-units，选择mm。,2.添加和定义设计变量在HFSS中定义和添加如图1所示的变量。在HFSS主菜单栏中选择HFSS-Design Properties命令，打开设计属性对话框，单击ADD按钮，打开add property对话框，在add property对话框中的name输入lambda，初始值100mm，然后单击ok。依次定义变量length，初始值0.48*lambda；定义变量gap，初始值0.24mm；定义变量dip_length，初始值length/2-ga
6、p/2；定义变量dip_radius，初始值lambda/200；定义变量rad_radius，初始值dip_radius+lambda/4；定义变量rad_height，初始值dip_length+gap/2+lambda/10。最后点确定按钮。,2.添加和定义设计变量在HFSS中定义和添加如图1所示的变量。在HFSS主菜单栏中选择HFSS-Design Properties命令，打开设计属性对话框，单击ADD按钮，打开add property对话框，在add property对话框中的name输入lambda，初始值100mm，然后单击ok。依次定义变量length，初始值0.48*lam
7、bda；定义变量gap，初始值0.24mm；定义变量dip_length，初始值length/2-gap/2；定义变量dip_radius，初始值lambda/200；定义变量rad_radius，初始值dip_radius+lambda/4；定义变量rad_height，初始值dip_length+gap/2+lambda/10。最后点确定按钮。,3.设计建模,（1）创建偶极子天线模型在主菜单栏中选择draw-cylinder或单击工具栏上的圆柱体按钮，进入创建圆柱体的状态。新建的圆柱体会添加到操作历史树的solids节点下，默认名cylinder。双击操作历史树中的solids下的cyli
8、nder节点，打开如下对话框。把圆柱体名称设置为Dipole，其材质为pec。如图所示。,双击操作历史树中的Dipole下的createcylinder节点，打开新建圆柱体属性对话框的command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。在center Position文本框中输入底面圆心坐标（0，0，gap/2）,在Radius文本框中输入半径值dip_radius，在height文本框中输入长度值dip_length，如下图所示。然后单击确定按钮，完成圆柱体Dipole的创建。到此为止创建好了名称为Dipole的理想导体细圆柱体模型，按快捷键ctrl+D全屏显示。,接下来
9、生成偶极子天线的另一个臂。选中创建的圆柱体模型Dipole，然后从主菜单栏中选择edit-duplicate-around axis，执行沿坐标轴的复制。会打开一个对话框。在所打开的对话框中将Axis设置为x轴，将Angle选项设置为180deg，并在total number数值框中输入2，单击ok按钮。,（2）设置端口激励 半波偶极子天线由中心位置馈电。在偶极子中心位置创建一个平行于yz面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。因此其顶点坐标为（0，-dip_radius，-gap/2），长度和宽度分别为2*dip_radiu
10、s和gap。单击工具栏上的xy下拉菜单列表框，选择yz选项，把当前工作面设置为yz平面；然后从主菜单栏中选择draw-rectangle。新建的矩形面会添加到操作历史树的sheets节点下，其默认的名称是rectangle1.双击操作历史树中的sheets下的rectangle1节点，打开新建矩形面属性对话框，把矩形面的名称设置为Port。,双击操作历史树中port下的creatrectangle节点，打开新建矩形面属性对话框的command选项卡，在该选项卡中设置矩形面的顶点坐标和大小。在position文本框中输入顶点坐标（0，-dip_radius，-gap/2），在Ysize和Zsiz
11、e文本框中分别输入矩形面的长和宽为2*dip_radius和gap，如下图所示。最后按ok按钮。接下来要设置该矩形面的激励方式为集总端口激励，具体操作方法如下：,在操作历史树中的sheets节点下选中该矩形面。然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择assign excitation-lumped port，在打开的集总参数设置对话框中，将resistance设为73.2欧姆，将reactance设为0ohm，然后单击下一步；,打开modes对话框，在对话框中单击Integration Line列下的none，从下拉菜单中选择new line选项，此时会进入三维模型窗口进行端口积分线的设
12、置。,（3）设置辐射边界条件,要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件或PML边界条件。当前设计中我们使用辐射边界条件，辐射边界和天线之间的距离为1/4个工作波长。这里，我们要先创建一个沿着z轴放置的圆柱体模型，其材质为空气（air），底面圆心坐标为（0，0，-rad_height），半径为rad_radius，高度为2*rad_height，然后把该圆柱体的表面设置为辐射边界条件。,A。创建辐射边界的圆柱体单击工具栏上的YZ下拉列表框，从其下拉列表中选择XY项，把当前工作平面设置为xy平面；Draw-cylinder创建圆柱体，新建的圆柱体添加在操作历史树的solids节点
13、下，默认为cylinder1；双击操作历史树下cylinder1，打开属性对话框，把圆柱体名称改为Rad_air，设置材质为air，其透明度为0.8.如下图所示。最后单击确定按钮。,双击操作历史树中的rad_air下的createcylinder节点，打开属性对话框，在该选项卡中设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。Center position设为（0，0，-rad_height）Radius输入半径值rad_radius；Height文本框中输入长度值2*rad_height。最后单击确定按钮。完成圆柱体rad_air的创建。如下如所示。,B。设置辐射边界条件在操作历史树下单击rad_ai
14、r节点，选中该圆柱体模型。然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择assign boundary-radiation，打开辐射边界条件设置对话框，如下图所示。在改对话框中保留默认设置，直接单击ok按钮，把圆柱体模型rad_air的表面设置为辐射边界条件。,4.求解设置,分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz附近，因此求解频率设置为3GHz。同时添加2.5GHz3.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频（Fast），分析天线在2.53.5GHz频段内的回波损耗和电压驻波比。（1）求解频率和网格剖分设置设置求解频率3GHz；自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02.右键单击
15、工程树下的analysis，在弹出的对话框中选中add solutionSetup，完成设置。,（2）扫频设置 扫频类型选择快速扫频，扫频范围为2.5GHz3.5GHz，频率步进为0.001GHz。展开工程树下的analysis 节点，右键单击前面添加的 求解设置项Setup1；在弹出的对话框中选择Add frequency sweep；打开edit sweep对话框完成设置。,5.设计检查和运行仿真运算,前面已经完成了偶极子天线模型的创建和求解设置；接下来就运行仿真计算并查看分析结果。但在计算前要进行设计检查。从主菜单HFSS-Validation check，得到如下对话框。,6.HFSS
16、天线问题的数据后处理,HFSS拥有强大的数据后处理功能，仿真分析完成后，在数据后处理部分能够给出天线的各项性能参数的仿真分析结果。如回波损耗、驻波比、Smith圆图、输入阻抗和方向图。（1）回波损耗 右键单击工程树下的results节点，在弹出的菜单中选择create model solution data report-rectangle plot 命令，打开报告设置对话框，如下图所示。然后单击new report按钮，再单击close按钮关闭对话框，此时可以生成在2.53.5GHz频段内的回波损耗S11分析结果。,（2）电压驻波比查看天线驻波比的操作和查看回波损耗S11类似，同样右键单击工
17、程树下的results节点，在弹出的快捷菜单中选择create modal solution data report-rectangle plot；再按照如下图表进行设置，最后单击new report，单击close，得到天线的驻波比分析结果。,（3）Smith圆图在天线的设计中，smith圆图是一个很有用的工具，借助圆图可以方便地分析阻抗匹配、驻波比、归一化输入阻抗。右键单击工程树下的results节点，在弹出的快捷菜单中选择create modal solution data report-Smith chart，打开如下对话框，进行设置。,(4)输入阻抗输入阻抗是天线的一个重要性能参数。
18、右键单击工程树下的results节点，在弹出的快捷菜单中选择create modal solution data report-rectangle plot，打开报告对话框，进行如下图设置。,点击new report按钮，再单击close按钮关闭对话框，此时得到天线的输入阻抗结果报告。,（5）方向图方向图是方向性函数的图形表示，它可以形象地描绘天线辐射特性随着空间方向坐标变化的关系，是衡量天线性能的重要图形。在HFSS后处理部分可以方便绘制出天线的平面方向图和立体方向图。方向图是在远区场确定的，要查看天线的远区场辐射结果。首先要设立辐射表面。接下来分析半波偶极子天线在xz平面和xy平面的增益方
19、向图，以及查看半波偶极子天线三维立体增益方向图的具体操作。,A。定义辐射表面 辐射表面是基于球坐标系定义的。Xz平面即球坐标系下=0的平面，xy平面即球坐标系下=90的平面，而三维立体球面在球坐标下则表示为0 180，0 360。定义xz平面 右键单击工程树下的radiation节点，在弹出的快捷菜单中选择insert far field setup-infinite sphere，打开far radiation sphere setup完成如下设置。然后单击确定按钮，完成设置。此时定义的辐射表面的名称E_Plane会添加到工程树的Radiation节点下。,定义xy平面 右键单击工程树下的r
20、adiation节点，在弹出的快捷菜单中选择insert far field setup-infinite sphere，打开far radiation sphere setup完成如下设置。然后单击确定按钮，完成设置。此时定义的辐射表面的名称H_Plane会添加到工程树的Radiation节点下。,定义三维立体球面右键单击工程树下的radiation节点，在弹出的快捷菜单中选择insert far field setup-infinite sphere，打开far field radiation sphere setup完成如下设置。然后单击确定按钮，完成设置。此时定义的辐射表面的名称3D_
21、Sphere会添加到工程树的Radiation节点下。,B.查看xz面的增益方向图,右键单击工程树下的results节点，在弹出的快捷菜单中选择create far fields report-radiation pattern命令，打开报告设置对话框，如下图所示。,点击new report按钮，生成极坐标系下天线的xz面增益方向图。如下图所示。,C.查看xy面的增益方向图,右键单击工程树下的results节点，在弹出的快捷菜单中选择create far fields report-radiation pattern命令，打开报告设置对话框，如下图所示。,点击new report按钮，单击cl
22、ose，生成如下结果。,D。查看三维增益方向图,右键单击工程树下的results节点，在弹出的快捷菜单中选择create far fields report-3D Polar Plot命令，打开报告设置对话框，如下图所示。,点击new report按钮，单击close，生成如下结果。,(6)其他参数,展开工程树下的radiation节点，右键单击相应辐射表面的名称，这里右键单击3D_Sphere，在弹出的菜单中选择compute antenna parameters命令，打开antenna parameters对话框，然后单击对话框中的ok按钮，此时可以给出天线在该辐射表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。,
