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半波偶极子天线的HFSS仿真设计


天线与电波传播实验报告

成都电子科技大学

电子工程学院

半波偶极子天线的HFSS仿真设计
一、实验目的:
1. 2. 3. 4. 以一个简单的半波偶极子天线设计为例,加深对对称阵子天线的了解; 熟悉 HFSS 软件分析和设计天线的基本方法及具体操作; 利用 HFSS 软件仿真设计以了解半波振子天

线的结构和工作原理; 通过仿真设计掌握天线的基本参数:频率、方向图、增益等。

二、实验步骤:
本次实验设计一个中心频率为 3GHz 的半波偶极子天线。天线沿着 Z 轴放置,中心位于 坐标原点,天线材质使用理想导体,总长度为 0.48λ,半径为 λ/200。天线馈电采用集总端口 激励方式,端口距离为 0.24mm,辐射边界和天线的距离为 λ/4。 1、添加和定义设计变量 参考指导书,在 Add Property 对话框中定义和添加如下变量:

2、 设计建模 1) 、创建偶极子天线模型 首先创建一个沿 Z 轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂, 其底面圆 心坐标为(0,0,gap/2) ,半径为 dip_radius,长度为 dip_length,材质为理想导体,模 型命名为 Dipole,如下:

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然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。 此时就创建出了偶极子 的模型如下:

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2) 、设置端口激励 半波偶极子天线由中心位置馈电,在偶极子天线中心位置创建一个平行于 YZ 面的 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,因此顶点坐标为(0,-dip_radius,-gap/2) ,长度和 宽度分别为 2*dip_radius 和 gap。如下:

然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励。 由之前的理论分析可得, 半波偶极 子天线的输入阻抗为 73.2?,为了达到良好的阻抗匹配,将负载阻抗也设置为 73.2 ?。 随后进行端口积分线的设置。此处积分线为矩形下边缘中点到矩形上边缘中点。 3) 、设置辐射边界条件 要在仿真软件中计算分析天线的辐射场, 必须先设置辐射边界条件。 本次设计中采 用辐射边界和天线的距离为 1/4 个工作波长。这里,我们先创建一个沿着 Z 轴放置的圆
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柱体模型,其材质为空气,底面圆心坐标为(0,0,-rad_height),半径为 rad_radius,高 度为 2*rad_height。具体参数如下:

然后将圆柱体表面设置为辐射边界条件:

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3、求解设置 分析的半波偶极子天线的中心频率在 3GHz 左右,所以把求解频率设置为 3GHz。同 时添加 2.5~3.5GHz 的扫频设置,扫频类型选择快速扫频,分析天线在 2.5~3.5GHz 频段 内的回波损耗和电压驻波比。 1) 、求解频率和网络剖分设置 设置求解频率为 3GHz,自适应网格剖分的最大迭代次数为 20,收敛误差为 0.02。如下:

2) 、扫频设置 扫频类型选择快速扫频,扫频范围为 2.5~3.5GHz,扫频步进为 0.001GHz。如下:

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4、设计检查和运行仿真计算 通过前面的操作,我已经基本完成了偶极子天线模型的创建求解设置等HFSS设 计的前期工作,现在开始运行仿真计算并查看分析结果。检查设计的完整性和正确性:

随后开始分析。 5、HFSS天线问题的数据后处理 在完成了模型的创建和检查后,现在开始对天线的各项性能参数进行仿真分析,主 要有回波损耗、驻波比、Smith圆图、输入阻抗和方向图等。 1) 、回波损耗 根据软件仿真结果,可以得到如下的在 2.5~3.5GHz 频段内的回波损耗 S11 的分析结果:

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从结果可以看出,设计的偶极子天线中心频率为 3GHz 左右,S11 <-10dB 的相对带宽为 BW=(3.24-2.789)/3=15.3%. 2) 、电压驻波比 VSWR 如图所示:

3) 、Smith 圆图 在天线的相关问题的分析中 Smith 圆图是一个非常有用的工具, 借助它可以方便的进行 阻抗匹配,给出驻波比,归一化输入阻抗等各种信息。在 HFSS 中得到的 Smith 圆图如下:

从 Smith 圆图中可以看出,在中心频率为 3GHz 的归一化阻抗约为 1,说明天线的端口 阻抗匹配良好。 VSWR<2 (即反射系数的模小于三分之一) 的频率范围约为 2.78GHz~3.27GHz。
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4) 、输入阻抗 输入阻抗是天线的一个重要性能参数, 我们可以通过 HFSS 直接查看天线的输入阻抗值。

从结果报告中可以看出,设计的半波偶极子天线在中心频率 3GHz 上,输入阻抗为 (72.8-j0.4)?,与理论分析比较接近。 5) 、方向图 天线方向图是方向性函数的图形表示, 它可以形象的描述天线的辐射特性随着空间方向 坐标的变化。首先定义辐射表面如下: E 面方向图参数设置:

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H 面方向图参数设置:

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3D 方向图参数设置:

随后可以查看 xz,xy 和三围增益方向图。

xz 增益方向图

xy 增益方向图

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3D 增益方向 6) 、其他参数 除了上述参数外,HFSS 还可以给出天线在辐射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。如下:

三、实验总结: (略)
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