微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线.docx

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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=$r，height=$l

Pec

arm2

圆柱体

（0,0,-0.5）

radius=$r，height=-$l

Pec

xsize=2*$lbd/3+2*$r

airbox

长方体

（-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l）

ysize=2*$lbd/3+2*$r

zsize=2*$lbd/3+2*$l

vacuum

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

feed

xz

矩形

（-$r,0,-0.5）

dx=2*$r,dz=1

Lumpedport

表3变量表

变量名

变量初始值（mm）

变量值（mm）

$lbd

100

$l

25

25（50,75,100）

$r

1

1（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HFSS>SolutionType，选择DrivenTerminal。

3设置单位。

点击Modeler>Units，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“Drawcylinder”，点击，在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2arm1属性

双击模型列表中的arm1下的CreateCylinder，出现arm1命令行窗口“Command”。

将其中心位置“CenterPosition”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4arm1命令行

图5arm1

4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6arm2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lumpedport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lumpedport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8feed命令行通过 放大图形局部，观察feed图形（如图9）。

图9feed图形

选中feed，点击鼠标右键，选择AssignExcitation>LumpedPort，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HFSS>SolutionType中选择DrivenTerminal。

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10lumpedport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【AssignBoundary】>Radiation，出现radiationboundary

界面，采用缺省值，点击OK。

图11airbox属性

图12airbox命令行

图13airbox及天线

7设置求解频率3GHz，扫频1-5GHz。

在【HFSS】>AnalysisSetup>AddSolutionSetup中将频率设置为3GHz;，AdaptiveSolution

下的MaximumNumberof设为6，MaximumdetaS设为0.01（如图14）。

点击确定。

图14设置单频

点击【HFSS】>AnalysisSetup>AddFrequencySweep，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 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>PlotFields>J>MagJsurf出现CreateFieldPlot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ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays>Jsurf，点击鼠标右键，选择ModifyAttributes，出现Jsurf选项界面，按照图18选择log，得到电流分布如图19。

在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays，点击鼠标右键>Animate>OK，可以观察电流分布随着时间变化规律。

图18Jsrurf选项

图19振子上电流幅度分布

10画S参数曲线

在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择

CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlo（t如图20），出现“Report：

dipole”界

面，设置如图21。

点击NewReport，得到的|S11|曲线如图22，然后点击close结束画图。

图20Results>CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot

图21画S参数设置

图22|S11|曲线

11画阻抗曲线

在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择

CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlo，t出现报告设置界面“Report：

dipole”

如图23（a），点击NewReport画出阻抗实部曲线；在Report：

dipole界面继续按图23（b）设置，点击AddTrace，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50Ω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ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Radiation，点击鼠标右键，选择InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere（如图25），出现远场辐射球设置界面“FarFieldRadiationSphere”，设置如图26，点击确定。

图25InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere

图26远场辐射球设置界面

（2）画立体方向图

在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot（如图27），出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27CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot

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ProjectManager窗口中，双击dipole>HFSSDesign1>Results>3DPolarPlot1>dB（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面平行于振子轴，按照以下过程给出E面方向图。

在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>RadiationPattern，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newreport，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Project>ProjectVariables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ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右

键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，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，谐振频率右移，谐振点的损耗降低，当r=2mm时-10dB带宽最宽。

图34S参数随$r变化曲线

13扫描变量$l

（1）扫描变量

点击Project>ProjectVariables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ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlo，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NewReport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35Report:

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ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateFarFieldReport>RadiationPattern，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NewReport，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