半波偶极子天线毕业设计论文.doc

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天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

班级学号：

学生姓名：

指导教师：

二○一三年六月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

半波偶极子天线设计

TheDesignoftheHalfWaveDipoleAntenna

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

系别：

2013年6月

摘要

近年来,Radiofrequencyidentification（RFID）技术飞速发展并逐渐成为自动物体识别应用中的主要技术[1]。

现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等[2]。

这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线，即是对称振子天线，最常用的是半波振子，偶极子天线是研究天线的基础，具有很多特性，比如辐射特性阻抗特性，波长缩短效应，谐振特性等，它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源[3-4]。

所以深入了解半波偶极子天线的设计理论与优化技术是非常重要的。

传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵。

本设计采用现代计算机为基础，使用HighFrequencyStructureSimulator（HFSS）三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间和精力，设计出符合要求的天线。

论文从课题研究的背景和目的出发，介绍了半波偶极子天线的基本知识、设计原理。

随后从设计和实现角度出发，针对半波偶极子天线提出了优化设计方案，并加以仿真并验证。

最后依照仿真数据进行实物设计制作并验证其性能。

关键词：

3GHz；天线；HFSS10；偶极子天线

ABSTRACT

Inrecentyears,Radiofrequencyidentification（RFID）technologyandtherapiddevelopmentofautomaticobjectrecognitionhasbecomethemaintechnologyapplications.TodaytherearemanytypesofRFIDantennas,suchasdipoleantennas,fractalantennas[1],microstrippatchantennaandannulargrooveantenna[2].RFIDtechnologyherefocusesonthehalf-wavedipoleantenna,dipoleantennathatismostcommonlyusedisthehalf-wavedipole,dipoleantennaoftheantennabase,hasmanyfeatures,suchasradiationcharacteristicimpedance,thewavelengthreductioneffect,resonancecharacteristics,etc.itcanbeusedaloneasasimpleantenna,butalsoasaunitorantennaarrayantennafeedsurface[3-4].Therefore,in-depthunderstandingofahalf-wavedipoleantennadesigntheoryandoptimizationtechnologyisveryimportant.Traditionalantennadesignapproachisananalysisbythedesigneraccordingtotheantennatheoryandtheirownexperiencethroughtheprogrammingofnumericalcalculationmethodtodeterminetheparametersoftheantenna,sodonotspendalotoftimeandeffort,andexpensive.Thisdesignusesmoderncomputer-based,usingHighFrequencyStructureSimulator（HFSS）three-dimensionalelectromagneticsimulationsoftwarehalf-wavedipoleantennadesignandsimulation,optimizationanalysismethodcansavetimeandeffort,designedtomeettherequirementsoftheantenna.

Papersfromthebackgroundandpurposeoftheresearch,thispaperintroducesahalf-wavedipoleantennabasicsdesignprinciples.Thenfromthedesignandimplementationpointofview,forthehalf-wavedipoleantennaproposedoptimaldesign,andmakethesimulationandverification.Finallysimulationdatainaccordancewiththephysicaldesignandverifyitsperformance.

KeyWords：

3GHz;antenna;HFSS10;dipoleantenna

II

目录

1 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 课题研究的意义 1

1.3 本次课题的主要工作 1

2 概述 2

2.1 半波偶极子天线简述 2

2.2 AnsoftHFSS10仿真软件简介 2

2.3 AnsoftHFSS10仿真软件设计流程概述 3

2.4 本设计的方案思路 4

2.5 主要技术指标 4

2.5.1天线的输入阻抗 4

2.5.2天线的极化方式 5

2.5.3方向性系数 5

2.5.4天线的增益 6

2.5.5天线的效率 6

3 理论分析 7

3.1 电基本振子的辐射场 7

3.2 对称天线的辐射 9

3.3 半波偶极子天线性能参数的理论计算 11

3.3.1电流分布 11

3.3.2辐射场和方向图 11

3.3.3方向性系数 12

3.3.4辐射电阻 12

3.3.5输入阻抗 13

4 HFSS仿真设计 14

4.1 HFSS设计概述 14

4.2 HFSS仿真设计 15

4.2.1新建设计工程 15

4.2.2添加和定义设计变量 15

4.2.3设计建模 16

4.2.4求解设置 19

4.2.5设计检查和运行仿真计算 20

5 天线实物 25

结论 26

参考文献 27

致谢 28

天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计

1绪论

1.1课题研究的背景

Radiofrequencyidentification（RFID）技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术,近年来,RFID技术飞速发展并逐渐成为自动物体识别应用中的主要技术[1]。

现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等[2]。

这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线。

由于它结构简单,广泛应用于通信、雷达和探测等各种无线电设备中,适用于短波、超短波,甚至微波。

它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源[3-4]。

由于半波偶极子是基本的天线,很多天线都是在半波振子的基础上设计的。

1.2课题研究的意义

传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵。

近年来，无线通信发展迅速，作为系统发射和接收电磁波的重要前段器件——天线，其性能对整个系统的通信质量至关重要。

而半波偶极子天线这种基础天线在未来需求量巨大，便宜高质量基础天线将会是各生产厂家喜爱的产品。

制作简单，成功率高，性能优越的基础天线也将会受到需求者的青睐。

如果能采用现代计算机为基础，使用三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间、精力以及费用，设计出符合要求的半波偶极子天线。

1.3本次课题的主要工作

本次课题的主要工作是使用HFSS三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析，设计出符合要求的天线。

最后依照仿真数据进行实物设计制作并验证其性能。

25

天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计

2概述

2.1半波偶极子天线简述

半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线，也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。

如图2-1所示，半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为1/4个工作波长。

[5]但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度，目的就是实现谐振使输入阻抗接近纯电阻，很多时候都是用工作波长的0.48。

导线的直径远小于工作波长，天线的激励是等幅反向的电压信号，加在天线中间的两个相邻端点上，且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长，可以忽略不计。

图2-1半波偶极子天线

2.2AnsoftHFSS10仿真软件简介

本设计主要采用AnsoftHFSS10三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析，下面介绍下HFSS这个软件。

HFSS是利用我们所熟悉的windows图形用户界面的一款高性能的全波电磁场（EM）段任意3D无源器件的模拟仿真软件。

它易于学习，有仿真，可视化，立体建模，自动控制的功能，使你的3DEM问题能快速而准确地求解。

AnsoftHFSS使用有限元法（FEM），自适应网格划分和高性能的图形界面，能让你在研究所有三维EM问题时得心应手。

AnsoftHFSS能用于诸如S-参数，谐振频率和场等的参数计算。

HFSS是基于四面体网格元的交互式仿真系统。

这使你能解决任意的3D几何问题，尤其是那些有复杂曲线和曲面的问题，当然在局部会利用其他技术。

HFSS是高频结构仿真器（HighFrequencyStructureSimulator）的缩写。

Ansoft公司最早在电磁仿真中使用如切线矢量有限元，自适应网格，和ALPS等有限元法解决EM仿真问题。

AnsoftHFSS是高生产力研究，发展和虚拟的工具之一。

2.3AnsoftHFSS10仿真软件设计流程概述

本设计使用HFSSv10软件对半波偶极子天线进行仿真设计，设计流程如图2-2所示，设计流程中的各个步骤的功能分述如下。

设置求解类型。

使用HFSS进行天线设计时，可以选择模式驱动（drivenmodal）求解类型或者终端驱动（driventerminal）求解类型。

图2-2HFSS天线设计流程

创建天线的结构模型。

根据天线的初始尺寸和结构，在HFSS模型窗口中创建出天线的HFSS参数化设计模型。

设置边界条件。

在半波偶极子天线的设计中，我使用辐射边界条件，为了模拟出无限大的自由空间。

设置激励方式。

无线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处即为馈电面或者称为激励端口。

半波偶极子天线的设计中，由于在模型内部馈电面的激励方式使用集总端口激励（LumpedPort）。

设置求解参数，包括设定求解频率和扫频参数，其中，求解频率通常设定为天线的中心工作频率。

波长和频率的关系是倒数关系，具体的计算公式是：

波长（单位：

米）=300/频率（单位：

MHz）。

运行求解分析。

上述操作完成后，整个仿真计算由HFSS软件自动完成。

分析完成后，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。

查看求解结果。

求解分析完成后，子数据后处理部分可以查看HFSS分析出的天线各项性能参数，如回波损耗、电压驻波比VSWR、输入阻抗、天线方向图、电流分布等。

如果仿真计算的天线性能满足设计要求，接下来可以着手天线的制作和调试工作[6]。

2.4本设计的方案思路

本设计采用文献研究、软件仿真、实物分析三种方法：

1文献研究：

对早进入阶段收集的与毕业设计有关的书籍、相关知识、参考资料进行系统的学习和阅读。

归纳整理与天线设计的相关理论，重点整理前人关于半波偶极子天线设计的研究。

2软件仿真：

学习HFSSv10软件，使用HFSSv10软件对半波偶极子天线进行设计仿真，查看求解结果，使用Optimetrics优化设计，使其满足天线设计要求。

3实物分析：

按照软件仿真的天线模型的尺寸大小制作天线，并调试。

2.5主要技术指标

2.5.1天线的输入阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。

天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端功率反射为零，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较稳定，性能较好[12]。

天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。

在射频微波频段，馈线通常使用50Ω标准阻抗。

所以在设计天线时，需要尽可能地把天线的输入阻抗设计在50Ω，在工作频带内保证尽可能小得驻波比。

天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频率和周围环境的影响。

工程中通常采用近似计算或者用实验方法测量。

匹配的好坏一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪种并没有明文规定，看个人的习惯来决定。

在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。

本设计中也将主要使用驻波比和回波损耗，下面将介绍驻波比和回波损耗。

驻波比：

它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。

驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。

在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。

过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。

回波损耗：

它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。

回波损耗的值在0do的到无穷大之间，回波损耗与匹配成反比，即回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越小表示匹配越好。

0表示全反射，无穷大表示完全匹配。

在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。

2.5.2天线的极化方式

所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。

当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。

由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播[13]。

因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。

2.5.3方向性系数

天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度之比，即：

（2-1）

实际等于辐射功率除以球面积，得：

（2-2）

方向性系数是最大辐射方向上的方向性系数，即：

（2-3）

2.5.4天线的增益

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是衡量天线性能好坏的重要的参数之一。

一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。

增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。

任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。

2.5.5天线的效率

由于天线存在各种损耗，因此实际辐射到空间内的电磁波功率比发射机输送到天线的功率小。

天线效率为：

（2-4）

即是表征天线将输入高频能量转换为无线电波能量的有效程度。

天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计

3理论分析

3.1电基本振子的辐射场

电基本振子又称电流元或者电偶极子，这是一种最简单的天线。

用这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础[8]。

设电流元位于无限大的空间，周围介质是均匀线性且各向同性的理想性质。

建立直角坐标系，令电流元位于坐标原点，且沿z轴放置，如图3-1所示。

电基本振子上的电流大小使用I表示，则矢量位A可以表示为：

图3-1电流元的辐射场

（3-1）

在球面坐标系中

（3-2）

（3-3）

于是，可以求得辐射的磁场强度为：

（3-4）

再利用麦克斯韦方程，可以求得电场强度为：

（3-5）

式中，E为电场强度，单位为V/m；H为磁场强度，单位为A/m；下标r、、分别表示球坐标系的各个方向分量；为自由空间的介电常数，单位为；为自由空间导磁率，单位为H/m；k是自由空间相位常数，，λ是自由空间波长。

由于本文主要讨论天线的辐射场，所以这里只计算远区场。

的区域称为远区，此时,,则式（3-4）和（3-5）可以近似为：

（3-6）

上式表明，电流元得远区场具有以下特点：

①传播方向为r，电场及磁场均与r垂直，远区场为TEM波，电场与磁场的关系为。

②电场与磁场同相，复能流密度仅有实部，能量不断向外辐射，所以远区场又称为辐射场。

③远区场强振幅与距离r一次方成反比，这种衰减不是介质的损耗引起的，而是球面波的自然扩散。

④远区场强振幅还与观察点所处的方位有关，这种特性称为天线的方向性。

与方位角q及f有关的函数称为方向性因子，以f（q,f）表示。

z方向电流元具有轴对称特点，场强与方位角f无关，即。

z向电流元在的轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的方向上辐射最强。

⑤电场及磁场的方向与时间无关，远区场为线极化。

当然，在不同的方向上极化方向不同。

除了上述线极化特性外，其余四种特性是一切尺寸有限的天线远区场的共性，即一切有限尺寸的天线，其远区场为TEM波，是一种辐射场，其场强振幅不仅与距离成反比，同时也与方向有关。

天线的极化特性和天线的类型有关。

接收天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致，称为极化匹配。

远区场中也有电磁能量的交换部分。

但是由于交换部分的场强振幅至少与距离r2成反比，而辐射部分的场强振幅与距离r成反比，因此，远区中交换部分所占的比重很小，近区中辐射部分可以忽略[8]。

由此可以看出，在远区内，电场只有分量，磁场只有分量，且电场和磁场的相位相同。

此时，坡印廷矢量的平均值为：

（3-7）

对于自由空间而言，媒质的波阻抗为：

（3-8）

3.2对称天线的辐射

对称天线是一根中心馈电，长度可与波长相比拟的载流导线。

其电流分布以中点为对称，因此称为对称天线。

若导线直径d<

因为两端开路，电流为零，形成电流驻波的波节，电流驻波的波腹位置取决于对称天线长度。

设对称天线的半长为L，在直角坐标系中沿z轴放置，中点位于坐标原点，则电流空间分布函数可以表示为

（3-9）

式中,Im为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流，位置取决于对称天线的长度。

常数。

既然对称天线的电流分布为正弦驻波，对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的。

这样，利用电流元的远区场公式即可直接计算对称天线的辐射场。

电流元产生的远区电场强度应为

（3-10）

由于，可以认为组成对称天线的每个电流元对于观察点P的指向是相同的，即与平行，如图3-2所示。

各个电流元在P点产生的远区电场方向相同，合成电场为各个电流元远区电场的标量和，即对称的远区电场为

（3-11）

考虑到，可以近似认为。

作为一次近似可以认为

图3-2对称天线的辐射

将这些结果代入式（3-11）中，

若认为周围介质为真空或者空气则对称天线的远区辐射电场为

（3-12）

可见，对称天线的方向性因子为

（3-13）

由上式可见，对称天线的方向性因子与方位角无关，仅为方位角的函数。

此外，显然长度不同的对称天线，其方向性因子也不同。

如图3-2-2所示，不同长度的对称天线所在平面内的方向图也不同。

这些平面方向图绕天线轴线旋转一周即构成空间方向图。

因为组成对称天线的各个电流元在轴线方向上辐射为零，所以无论天线的长度怎么变化，在及的轴线方向上始终没有辐射。

当天线的全长小于一个波长时，方向图仅有两个主叶，且的方向为主射方向，因为在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，相位也相等，合成场强最强。

当天线全长大于全波长时，出现副叶。

尤其当全长等于两个波长时，即半长，原来的主射方向变成零射方向，因为虽然在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，但是一半电流元的时间相位与另一半电流元的时间相位相反，两者产生的场强彼此抵消，导