微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线.docx

1、增加对称振子馈电的理论描述表 1 对称振子天线三维体模型名称形状顶点(x,y,z) (mm)尺寸(mm)材料arm1圆柱体(0,0,0.5)radius=$r，height=$lPecarm2圆柱体(0,0,-0.5)radius =$r，height=-$lPecxsize=2*$lbd/3+2*$rairbox长方体(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l)ysize=2*$lbd/3+2*$rzsize=2*$lbd/3+2*$lvacuum表 2 对称振子天线二维面模型名称所在面形状顶点(mm)尺寸(mm)边界/源feedxz矩形(-$r,0,-0.5)dx

2、=2*$r, dz=1Lumped port表 3 变量表变量名变量初始值（mm）变量值（mm）$lbd100$l2525 (50, 75, 100)$r11 (2, 3, 4)1 新建工程并命名。打开 HFSS，新建工程，点击工具，将工程保存为 dipole。2 设置求解类型。点击 HFSSSolution Type，选择 Driven Terminal。3 设置单位。点击 ModelerUnits，选择 mm。4 画对称振子的一支臂，形状为圆柱体，命名为arm1，材料设置为理想导体，半径设置为变量$r，臂长设置为变量$l。将鼠标指向工具 ，出现文字“Draw cylinder”，点击 ，在

3、画图窗口中拖动鼠标画出一个圆柱。在图形左侧的窗口出现此工程的所有模型列表（如图1），“Solids”代表三维图形，“ vacuum” 代表图形内部填充材料为真空，“ Cylinder1” 为图形的缺省名字，“CreateCylinder”代表图形是圆柱体。图 1 模型列表双击 Cylinder1，出现图形属性窗口“Properties:dipole”，将 name 项改为 arm1。点击 material 右边一栏中的Edit 如图 2（a），出现材料库如图2（b），按字母顺序找到pec，点击确定将振子臂材料改为pec（如图 2（c）。(a)(b)(c)图 2 arm1 属性双击模型列表中的a

4、rm1 下的 CreateCylinder，出现 arm1 命令行窗口“Command”。将其中心位置“Center Position”设置为（0,0,0.5）,半径设为变量$r，$r 值为 1mm（如图 3（a）；高度设为变量$l，$l 值为 25mm（如图 3（b），编辑完的 command 窗口如图 4，点击确定结束编辑。点击工具，将全部图形显示在窗口中（如图5）。(a)(b)图 3 设置 arm1 尺寸变量窗口图 4 arm1 命令行图 5 arm14 建立对称振子的另外一支臂。利用快捷键ctrl+a 将 arm1 选中，利用 ctrl+c 与ctrl+v 复制出arm2。将其中心点设

5、为（0,0，-0.5），高度设为-$l（如图 6）。点击工具，所有图形显示如图7。图 6 arm2 命令行图 7 对称振子的两支臂5 画馈电模型，形状为zx 面上的矩形，命名为 feed，设置为 lumped port 激励方式。对称振子一般通过同轴馈电，可以看做在振子的两臂之间施加了集总电压。在用HFSS仿真时，通过一个平面将振子两臂连接，在此平面上设置激励源lumped port 实现。将这个激励源面画在 xz 平面，形状为矩形。选择 ，点击 ，利用鼠标画出一个任意的矩形，将其名字改为feed，顶点坐标改为（-$r,0,-0.5），xsize=2*$r，zsize=1（如图 8）。图 8

6、feed 命令行通过放大图形局部，观察feed 图形（如图 9）。图 9 feed 图形选中 feed，点击鼠标右键，选择Assign ExcitationLumped Port，出现如图10 界面，将arm2 设置为参考导体。如果设置界面与图10 不同，在 HFSSSolution Type 中选择 Driven Terminal。注意：激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后进行。图 10 lumped port 的参考导体设置界面6 画辐射箱，命名为 airbox，形状为长方体，材料为真空，边界条件为radiation。在 HFSS 天线仿真中，通过画一个辐射箱，并在辐射箱的表面设置吸收

7、边界条件来模拟无界空间，箱体的外部为远场区域。辐射箱的材料一般为空气，其边界距离天线整体结构为四分之一波长至二分之一波长。在本例中我们采用三分之一波长。点击，画出一任意尺寸的长方体，在模型列表中出现box1，双击打开 attributes 窗口中将其名字改为airbox，材料为缺省的vaccum，透明度（transparent）设为 1（如图 11）， airbox 的尺寸如图 12，其中变量$lbd=100mm。画出的天线及airbox 如图 13。选中 airbox，点击鼠标右键选择【Assign Boundary】Radiation，出现 radiation boundary界面，采用缺

8、省值，点击OK。图 11 airbox 属性图 12 airbox 命令行图 13 airbox 及天线7 设置求解频率 3GHz，扫频 1-5GHz。在【HFSS】Analysis SetupAdd Solution Setup中将频率设置为 3GHz;，Adaptive Solution下的 Maximum Number of 设为 6，Maximum deta S 设为 0.01（如图 14）。点击确定。图 14 设置单频点击【HFSS】Analysis SetupAdd Frequency Sweep，设置如图 15。图 15 扫频设置8 检查及运行计算点击检查无错后（如图16），点击

9、计算。图 16 检查无错窗口9 画电流分布为了观察振子上的电流方便，先将 airbox 从图形窗口隐藏去。点击工具，将visibility 下的一列 airbox 的除掉（如图17）。图 17 隐藏airbox在图形窗口，通过 ctrl 间同时选择arm1 与 arm2，点击鼠标右键Plot FieldsJMag Jsurf出现Create Field Plot 界面，采用缺省值，点击Done，出现振子上的电流分布图。由于图形的颜色分布不明显，通过以下操作实现画电流幅度的对数值。在 Project Manager 窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Field OverlaysJsu

10、rf，点击鼠标右键，选择Modify Attributes，出现Jsurf 选项界面，按照图18 选择log，得到电流分布如图19。在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Field Overlays，点击鼠标右键AnimateOK，可以观察电流分布随着时间变化规律。图 18 Jsrurf 选项图 19 振子上电流幅度分布10 画 S 参数曲线在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data ReportRectangula

11、r Plo（t 如图 20），出现“Report：dipole”界面，设置如图21。点击 New Report，得到的|S11 |曲线如图 22，然后点击close 结束画图。图 20 ResultsCreate Terminal Solution Data ReportRectangular Plot图 21 画S 参数设置图 22 |S11|曲线11 画阻抗曲线在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plo，t 出现报

12、告设置界面“Report：dipole”如图 23（a），点击 New Report 画出阻抗实部曲线；在Report：dipole 界面继续按图 23（b）设置，点击 Add Trace，在同一副图中画出阻抗虚部曲线；点击 close，显示阻抗曲线如图24。(a) 阻抗实部(b) 阻抗虚部图 23 输出阻抗报告设置界面图 24 阻抗曲线观察图 22 与图 24 可见，端口阻抗值接近50 的频率点，为反射系数的最低点，此频率称为天线的谐振频率。一个天线有多个谐振频率，曲线中出现的谐振点的个数由扫频范围决定。12 画方向图（1） 设置立体角度在 Project Manager 窗口中，选择 di

13、poleHFSSDesign1Radiation，点击鼠标右键，选择 Inser Farm Field SetupInfinite Sphere（如图 25），出现远场辐射球设置界面“Far Field Radiation Sphere”，设置如图 26，点击确定。图 25 Inser Farm Field SetupInfinite Sphere图 26 远场辐射球设置界面（2） 画立体方向图在Project Manager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键选择Create Far Fields Report3D Polar Plot（如图 27），出

14、现画三维远场方向图设置界面，按图28 设置，得到增益图如图29。图 27 Create Far Fields Report3D Polar Plot图 28 画增益图设置图 29 二分之一波长对称振子三维增益图在 Project Manager 窗口中，双击 dipoleHFSSDesign1Results 3D Polar Plot 1dB (GainTotal)，点击 Families，出现参数列表（如图 30）。其中频率 Freq 为 3GHz，对应的波长为 100mm，振子单臂长为四分之一波长25mm，此振子为二分之一波长对称振子。图 30 参数列表（3） 画 E 面方向图对称振子的E

15、 面平行于振子轴，按照以下过程给出E 面方向图。在Project Manager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键选择Create Far Fields ReportRadiation Pattern，出现画二维远场方向图设置界面，按图31(a)设置；点击Families，将 Phai 设为 0deg（如图 31（b），点击 new report，得到 E 面方向图如图 32，与课本中给出的理论方向图一致。(a)(b)图 31 画E 面方向图设置图 32 二分之一波长对称振子E 面方向图13 扫描变量$r点击 ProjectProject Variabl

16、es出现变量设置界面，更改$r 的值为 2mm（如图 33），点击确定，点击工具 运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量$r 的值设为 3mm，运行计算；计算完毕，将变量$r 的值设为 4mm，运行计算。图 33 设置变量$r 值计算完毕在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data ReportRectangular Plot，采用缺省值，画出|S11|参数曲线，双击曲线在属性窗口中的Linestyle 项修改线型后得到图 34。由图可见，随着振子半径的减小，谐

17、振频率右移，谐振点的损耗降低，当r=2mm 时-10dB 带宽最宽。图 34 S 参数随$r 变化曲线13 扫描变量$l（1） 扫描变量点击 ProjectProject Variables出现变量设置界面，先将变量$r 的值设置为2mm，然后将变量$l 的值设置为 50mm，点击确定，运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量$l 的值依次设为75mm、100mm，并运行计算。（2） 输出 S 参数曲线计算完毕在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择 Create Terminal Solution Data Rep

18、ortRectangular Plo，t 出现 Report:dipole 界面，Trace界面采用默认值（如图35（a），点击Report:dipole 界面中的 Families，将$r 值设置为 2mm（如图 35（b），点击 New Report 得到曲线报告，双击曲线在属性窗口中的Linestyle 项修改线型以后得到图36。从图 36 可见，随着振子长度增加谐振频率降低，当$l=75,100mm 时， 第一个谐振频率低于1GHz。(a)(b)图 35 Report:dipole 界面图 36 $r=2mm，S 参数随$l 变化曲线（3） 输出 E 面方向图在 Project Manager 窗口中，选择 dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择Create Far Field ReportRadiation Pattern，进入 Report：dipole 界面设置如图37（a），点击 Report：dipole 界面中的 Families 进行设置如图37（b）。点击New Report，得到随着振子染毒变化的E 面方向图，与理论方向图一致。(a)(b)图 37 设置变量输出方向图图 39 扫描变量$l 得到的方向图