HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告半波偶極子天線設(shè)計(jì)Huazhcng UriivBrsify ot Science and Technology通信0905楊巨U2009138922012-3-7半波偶極子天線設(shè)計(jì)半波偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單搭建天線仿真環(huán)境的方法，主要是熟悉HFSS軟件的使用方法2、了解利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線的原理、過程和方法3、 通過天線的仿真，了解天線的主要性能參數(shù)，如駐波比特性、smith圓圖特性、方向圖 特性等4、通過對(duì)半波偶極子天線的仿真，學(xué)會(huì)對(duì)其他類型天線仿真的方法實(shí)驗(yàn)儀器1、裝有windows系統(tǒng)的PC一臺(tái)2、HFSS13.0軟件3、截圖軟

2、件三、實(shí)驗(yàn)原理1、首先明白一點(diǎn)：半波偶極子天線就是對(duì)稱陣子天線。1 / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)# / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)2、對(duì)稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長(zhǎng)導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為a,長(zhǎng)度為I。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計(jì)，所以振子的總長(zhǎng)度L=2I。對(duì)稱振子的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比擬，本身已可以構(gòu)成實(shí)用天線。3、7msinZc(/-z)sin*(Z + z)在計(jì)算天線的輻射場(chǎng)時(shí)，經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)天線上的電流可以近似認(rèn)為是按正弦 律分布。取圖1的坐標(biāo)，并忽略振子損耗，則其電流分布可以表示為：Z(z) = Im sin A/ - z| )=式中，lm為天線上波腹點(diǎn)的電流；k=w/c為

3、相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點(diǎn)， 對(duì)稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn)；電流分布關(guān)于振子的中心店對(duì)稱；超過半波長(zhǎng) 就會(huì)出現(xiàn)反相電流。4、在分析計(jì)算對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)時(shí)，可以把對(duì)稱振子看成是由無數(shù)個(gè)電流I(z)、長(zhǎng)度為dz的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場(chǎng)的疊加原理，對(duì)稱振子 的輻射場(chǎng)是這些電流元輻射場(chǎng)之矢量和。2 / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)電流元l(z)dz所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為圖2對(duì)稱振子輻射場(chǎng)的計(jì)算如圖2所示，電流元l(z)所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為5、方向函數(shù)f0)=四、實(shí)驗(yàn)步驟恥)cos(Wcos) cos(W)sin 31、設(shè)計(jì)變量設(shè)置求解類型為 Driven Model類型，并設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米。 提前定

4、義對(duì)稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化2、創(chuàng)建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。其中偶極子天線的另外一個(gè)臂是通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實(shí)現(xiàn)的。3、設(shè)置端口激勵(lì)半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個(gè)平行于YZ面的矩形面作為激勵(lì)端口平面。4、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。這里創(chuàng)建一個(gè)沿Z軸放置的圓柱模型，材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。5、外加激勵(lì)求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在3G Hz，同時(shí)添加2.5 G Hz 3.5 G Hz頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置，掃頻類型為快速掃頻。3 / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)6、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算7

5、、HFSS天線問題的數(shù)據(jù)后處理 具體在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中闡釋。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、回波損耗S11回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一對(duì)線自身的反射，是 天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。圖中所示是在2.5 G Hz 3.5 G Hz頻段內(nèi)的回波損耗，設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為3 GHz, S11<-10dBd 的相對(duì)帶寬 BW=( 3.25-2.775)/3*100%=15.83% 2、電壓駐波比由圖可以看到在 3G赫茲附近時(shí)，電壓駐波比等于1,說明此處接近行波，傳輸特性比較理想。3、smith 圓圖史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡(jiǎn)便圖解方法。采用雙線性變換，將z復(fù)平面

6、上。實(shí)部r=常數(shù)和虛部x=常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與：反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部乂=常數(shù)套印而成。K翌史列上Ctah* ffil»I 54> if54M 1 G罪Smitti Ctwt 1型心軌0從smith圓圖可以看到，在中心頻率3G赫茲時(shí)的歸一化阻抗約為1，說明端口的阻抗特性匹配良好。4、輸入阻抗傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部，在中心頻率3G赫茲時(shí)，輸入阻抗比較的理想,容易實(shí)現(xiàn)匹配。5、方向圖方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射

7、強(qiáng)度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場(chǎng)半徑為常數(shù)的大球 面上，天線輻射（或接收）的功率或者場(chǎng)強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，并分別稱為功 率方向圖和場(chǎng)方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)確定的，所以又叫遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。電場(chǎng)方向圖：hf翱M * I丄£Uhi* rkv da &awiT=uri| «*><' I i-HMipi-rt f tpaHr RibWij：由圖可以看到，電場(chǎng)方向以Z軸為對(duì)稱軸，在XOY平面上電場(chǎng)最強(qiáng)，且沿四周均勻輻射。 但沿著Z軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度很弱。磁場(chǎng)方向圖：R«diat»ri Pitern 2Hfsaowiyi .&#

8、177;-CW>B VWl磁場(chǎng)方向圖在 XOY平面上接近一個(gè)圓,說明磁場(chǎng)在XOY平面上輻HBlUunrCfi LMIWIrar tTwfci E “序6 / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)# / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)射較為均勻。三維增益方向圖:這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著Z軸對(duì)稱輻射的情況。til*tia7 JZE-2-.e4拎L加09D-9 ET西料妙-I. 2-EBMk ->K1 !11上刪-1.93E?田! M4訃！MJhBQS-fig# / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)# / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)6、其他參數(shù)# / 8半波偶極子天線設(shè)計(jì)利用HFSS軟件仿真還可以得到天線在該輻射表

9、面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最 大強(qiáng)度及其所在方向等參數(shù)?？诨貙鵌nputsSetup Name;3D_sphereSdudon;L0油由“咗Airy SetupcNone1 ntrinsic VariatoncFreflGHz'D 目 $ign Variation:| dip_lenb-'23.8&mm' draAntenna Para»etersExportExport FieldsAntenna Parmelefi:QuantiiValueUnilsMocU0.13911W/srPeak DitMiwb1.752SPeak Sain1.740

10、1Peak Realized Gan1.7461Fidi 弓 ted Pawe<0.396S8WAccepted IPover0,999991 ncidenl Pom 曰1Radiation Effcimcy0,99G9JFiont bo Back RatioJDecay Factor0MflxinumField Data:£ FieldValueUnitsAt PhiAtThelTotal11241V313degSOdegJ4.5596V360deg131 degJX4 555V270deg121 degJs10.241V313degSOdegn<1ml | 看著這一張

11、密密麻麻的圖表，很多參數(shù)還不是很明白，還需研究。六、實(shí)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)一個(gè)天線，無論是作為發(fā)射天線還是接收天線，我們都很關(guān)心其方向參數(shù)、 輸入阻抗參數(shù)、增益參數(shù)、頻帶寬度等參數(shù)。這里也主要就上訴幾個(gè)參數(shù)來討論半波偶極子天線的優(yōu)缺 點(diǎn)。1、半波偶極子天線在軸向無輻射2、 半波偶極子天線的輻射與其電長(zhǎng)度密切相關(guān)。當(dāng)電長(zhǎng)度小于0.5時(shí)，波瓣寬度最窄，在 垂直與軸向的平面內(nèi)輻射最強(qiáng)，隨著電長(zhǎng)度的增加，開始出現(xiàn)副瓣，主瓣寬度變寬，最大輻射方向發(fā)生偏移。3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈，說明寬頻帶時(shí)其較難實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，所 以相對(duì)應(yīng)的頻帶寬度也較窄。4、在諧振頻率附近時(shí)，我們從圖中可以看到，天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗，實(shí) 現(xiàn)匹配較易，而且在中心頻率附近，電波的傳輸特性也最好，從而可以實(shí)現(xiàn)較大效率的 功率傳輸。5、通過對(duì)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果的分析， 不難發(fā)現(xiàn)，半波偶極子天線的諸多特性與電長(zhǎng)度關(guān)系很大， 所以可以通過調(diào)整天線的電長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)不同功能和要求的半波偶極子天線應(yīng)用。6、最后還要補(bǔ)充一點(diǎn)：半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細(xì)有關(guān)。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過本次HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)，使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和