江苏大学通信系统天线综合课程设计.docx

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江苏大学通信系统天线综合课程设计

JIANGSUUNIVERSITY

通信系统天线综合课程设计

学院名称：

专业班级：

学生姓名：

学生学号：

1、课程设计目的

通过综合课程设计，在学习EDA仿真软件HFSS使用方法的基础上，掌握常见通信系统天线的仿真设计方法。

2、课程设计内容：

以“通信系统天线”课程课件“Ch4.1偶极和单极天线”、“Ch4.2常用振子天线和馈电技术”、“Ch5宽带天线_c”、“Ch6移动系统常用天线_c”为参考资料，分别仿真偶极子天线、UHFprobe振子天线、共面波导馈电领结天线和同轴馈电贴片天线，并对天线进行分析。

三、设计步骤及仿真结果

天线设计实例1：

偶极子天线

1）设计步骤

打开HFSS并保存一个新项目

打开File选项（alt+F）,单击Saveas。

输入项目名hfss_dipole。

一.Step1创建模型

1、创建振子1

（1）选择cylinder图标

（2）输入参数：

切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置圆柱体的基坐标为（x=0mm,y=0mm,z=1.25mm）;按下Enter键后输入半径和长度：

dx=2.5mm,dy=0mm,dz=73.75mm。

（3）设置振子1的名称和材料

在对象列表中双击cylinder1，

弹出如下属性窗口。

设置名称：

将Name改为“pole1”。

设置材料：

单击Material的Value，在如下对话框中输入“pec”并确定。

2、创建振子2

（1）选择cylinder图标

（2）输入参数：

切换到参数设置区，设置圆柱体的基坐标为（x=0mm,y=0mm,z=-1.25mm）;按下Enter键后输入半径和长度：

dx=2.5mm,dy=0mm,dz=-73.75mm。

注意此时坐标的选取。

（3）设置名称和材料

设置名称为“pole2”，材料同为“pec”。

设置完毕，如下图所示。

3、创建空气腔（规定计算的区域）

（1）选择box图标

（2）输入参数：

切换到参数设置区，设置长方体的基坐标为（x=-115mm,y=-115mm,z=-185mm）;按下Enter键后输入三边的长度：

dx=230mm,dy=230mm,dz=370mm。

（3）设置名称和材料

双击对象列表中的“Box1”，设置名称为“air”，材料为“vacuum”，透明度Transparent为0.9。

同时按下ctrl和D键（ctrl+D），将视图调整一下。

二.Step2设定边界条件

1、将air设置成辐射边界条件；

在对象列表中选中air,单击鼠标右键，进入AssignBoundary选项，点击Raditation选项。

并此边界命名为air。

3.Step3设置激励

1、绘制激励所在的矩形

（1）在绘图区域中切换为yz平面。

（2）绘制矩形

选择rectangle图标

切换到参数设置区，设置长方形的基坐标为（x=0mm,y=-2.5mm,z=-1.25mm）;按下Enter键后输入长度：

x方向0mm,y方向5mm,z方向2.5mm。

3）更改名称

把矩形名称更改为“port1”。

2、添加激励

在对象列表中，右键单击“port1”，按下图所示添加激励“LumpedPort”。

四.Step4设定求解的参数

1、选择一种求解方式

（1）在HFSS菜单上，点击SolutionType选项。

（2）选择源激励方式，在SolutionType对话框中选中DrivenMode项。

2、添加求解设置

（1）在项目管理列表中，右键单击Analysis。

（2）选择AddSolutionSetup。

（3）设置求解频率为“0.9GHz”。

3、添加扫频设置

（1）在项目管理列表中，右键单击Analysis-Setup1。

（2）选择AddSweep。

（3）设置扫频类型为“Fast”，起止频率为“0.5GHz”-“1.5GHz”，取样点数101点。

4、添加远场设置

（1）在项目管理列表中，右键单击Radiation。

（2）选择InsertFarFieldSetup->InfiniteSphere。

（3）设置Phi：

0-360°，Theta：

-180-180°。

2）仿真结果及分析

五.Step5求解

1、在项目管理列表中，右键选择Analysis-Setup1。

2、选择Analyze选项。

可以看出已经收敛。

六.Step6后处理

1、S参数

定义S11<-10dB的频率范围为天线的频带范围

如该天线的带宽为0.85~0.95GHz

2、方向图

天线设计实例2：

UHFprobe振子天线

1）设计步骤

一.创建项目

1、加入一个新的HFSS设计

（1）在Project菜单，点击insertHFSSDesign选项。

2、选择一种求解方式

（1）在HFSS菜单上，点击SolutionType选项.

（2）选择源激励方式，在SolutionType对话框中选中DrivenTerminal项。

3、设置设计使用的长度单位

（1）在3DModeler菜单上，点击Units选项.

（2）选择长度单位，在SetModelUnits对话框中选中in项。

4、设置材料

（1）在3DModeler的材料选框中选择Select

（2）输入cooper并选中

二.构造模型

1、建立物理模型

（1）画圆柱体

在Draw菜单中，点击Cylinder选项

（2）输入圆柱体参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标:

：

X=0,Y=0,Z=0;半径：

dX=0.31,dY=0,dZ=0高度：

dX=0,dY=0,dZ=5（3）设置圆柱体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。

这里，我们把这个圆柱体命名为ring_inner。

设置完毕后，同时按下ctrl和D键（ctrl+D），将视图调整一下。

（4）继续画圆柱体

在Draw菜单中，点击Cylinder选项

（5）输入圆柱体参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标:

：

X=0,Y=0,Z=0;半径：

dX=0.37,dY=0,dZ=0高度：

dX=0,dY=0,dZ=5（6）设置圆柱体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为这个圆柱体命名为ring_1。

（7）在操作历史树中利用ctrl键先选中ring_1,再选中ring_inner；在3DModeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Subtract项。

设置参数BlankParts:

ring_1ToolParts:

ring_inner

（8）创建ring2

选中ring_1，在Edit菜单中选中Copy，再选Paste。

在ring_2中改变半径为0.5

把ring_1的半径改为0.435

（9）画长方体。

在Draw菜单中，点击Box选项；

（10）输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标（x=-0.1,y=-0.31,z=5）;按下Enter键后输入三边长度：

x方向0.2,y方向-4.69,z方向-0.065。

注意：

在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

（11）设置长方体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。

这里，我们把这个长方体命名为Arm_1。

设置完毕后，同时按下ctrl和D键（ctrl+D），将视图调整一下。

（12）选择所有部件，在3DModeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Unite项。

（13）继续画圆柱体

在Draw菜单中，点击Cylinder选项

（14）输入圆柱体参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标:

：

X=0,Y=0,Z=0;半径：

dX=0.1,dY=0,dZ=0高度：

dX=0,dY=0,dZ=5.1（15）设置圆柱体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为这个圆柱体命名为center_pin。

（16）继续画长方体。

在Draw菜单中，点击Box选项；

（17）输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标（x=-0.1,y=-0,z=5.1）;按下Enter键后输入三边长度：

x方向0.2,y方向5,z方向-0.065。

注意：

在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

（18）设置长方体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们把这个长方体命名为Arm_2。

（19）继续画圆柱体

在Draw菜单中，点击Cylinder选项

（20）输入圆柱体参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标:

：

X=0,Y=1,Z=0;半径：

dX=0.0625,dY=0,dZ=0高度：

dX=0,dY=0,dZ=5.1

（21）设置圆柱体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为这个圆柱体命名为pin。

（22）选择Arm_2,center_pin,pin，在3DModeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Unite项。

（23）画圆形。

在Draw菜单中，点击Circle选项

（24）输入圆形参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置圆形的圆形基坐标为（x=0,y=8,z=0）;按下Enter键后输入三边长度：

x方向0.31,y方向0,z方向0。

注意：

在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

（25）输入圆形属性。

单击Attribute页，在Attribute页我们把这个圆形命名为p1。

（26）更改材料为vacuum

（27）继续画长方体。

在Draw菜单中，点击Box选项；

（28）输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐（x=-5,y=-10,z=0）;按下Enter键后输入三边长度：

x方向10,y方向20,z方向12。

注意：

在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

（29）设置长方体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们把这个长方体命名为Air。

（30）将air设置成辐射边界条件；

在操作历史树中选中air,单击鼠标右键，进入AssignBoundary选项，点击Raditation选项。

此时HFSS系统提示你为此边界命名，我们把此边界命名为Rad1。

（31）在操作历史树中选中p1,单击鼠标右键，进入AssignExcitation选项，点击Waveport选项。

点击积分线（IntegrationLine）下的None选项并下拉，选择NewLine，会出现CreateLine消息框。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入起始点坐标（x=0.31,0,0）,按下Enter键后输入激励源矢量（dx=-0.21,dy=0,dz=0）。

（32）选择Z=0的一面，单击鼠标右键，进入AssignBoundary选项，点击FiniteConductivity选项。

名称改为gnd_plane,前两个选框之前打钩，材料输入cooper。

（33）添加远场设置

在项目管理列表中，右键单击Radiation。

选择InsertFarFieldSetup->InfiniteSphere。

命名为ff_2d

设置Phi：

0-90°，StepSize:

90Theta：

-180-180°StepSize:

2。

（34）添加求解设置

在项目管理列表中，右键单击Analysis。

选择AddSolutionSetup。

设置求解频率为“0.55GHz”。

最大迭带次数10，最大误差0.02

（35）添加扫频设置

在项目管理列表中，右键单击Analysis-Setup1。

选择AddSweep。

设置扫频类型为“Fast”，起止频率为“0.35GHz”-“0.75GHz”，取样点数401点。

SaveFields打钩。

（36）打开File选项（alt+F）,单击Saveas。

输入项目名hfss_uhf_probe。

（37）将求解的条件设好后，我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击validationcheck。

再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键，选中Analyze即可开始求解当求解过程结束后，在MessageManager窗口会有相应的提示。

2）仿真结果及分析

1、右击Results，SolutionData查看结果

2、S参数图

3、2D视图

天线设计实例3：

共面波导馈电领结天线

1）设计步骤

一.创建项目

1、加入一个新的HFSS设计

（1）在Project菜单，点击insertHFSSDesign选项。

2、选择一种求解方式

（1）在HFSS菜单上，点击SolutionType选项.

（2）选择源激励方式，在SolutionType对话框中选中DrivenModal项。

3、设置设计使用的长度单位

（1）在3DModeler菜单上，点击Units选项.

（2）选择长度单位，在SetModelUnits对话框中选中mm项。

4、设置材料

（1）在3DModeler的材料选框中选择Select

（2）输入并选中ArlonCuClad217（tm）

二.构造模型

1、建立物理模型

（1）画长方体。

在Draw菜单中，点击Box选项；

（2）输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标（x=-17,y=-32,z=0）;按下Enter键后输入三边长度：

x方向34,y方向64,z方向-2。

注意：

在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

（3）设置长方体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。

这里，我们把这个长方体命名为Sub1。

设置完毕后，同时按下ctrl和D键（ctrl+D），将视图调整一下。

（4）利用Rectangle创建金属层

在Draw菜单中，点击Rectangle选项

参数如下X=-17，Y=-32，Z=0

dX=34，dY=64，dZ=0

重命名为CuClad

（5）选中CuClad单击鼠标右键，进入AssignBoundary选项，点击FiniteConductivity选项。

名称改为Cu_bound,第一个选框之前打钩，材料输入cooper。

（6）利用Rectangle创建馈线（缝隙）

在Draw菜单中，点击Rectangle选项

参数如下X=-0.5，Y=0.5，Z=0

dX=13，dY=0.6，dZ=0

重命名为Rect1

（7）利用Line创建领结多边形

在Draw菜单中，点击Line选项

参数如下X=-0.5，Y=0.5，Z=0

X=-6.7，Y=21，Z=0

X=6，Y=21，Z=0

X=0.5，Y=1.1，Z=0

重命名为Bowtie

（8）利用Unite创建领结天线的一个臂

选中Bowtie和Rect1，在3DModeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Unite项。

（9）利用Mirror创建另一个臂

选中Bowtie，在Edit菜单下选择Mirror

输入参数X=0，Y=0，Z=0

dX=0，dY=-1，dZ=0

（10）利用Subtract创建领结天线的对应的缝隙

选中Bowtie，Bowtie_1和CuClad，在3DModeler菜单上，点击Boolean选项,再选择Subtract项。

设置参数BlankParts:

CuCladToolParts:

Bowtie，Bowtie_1

在下面选框中打钩

（11）自定义网格剖分操作

选中Bowtie，Bowtie_1，在HFSS菜单下选择MeshOperation>Assign>OnSelection>LengthBased

重命名Length1，下面选框打钩，最大长度3mm

（12）修改默认材料为真空

（13）画长方体。

在Draw菜单中，点击Box选项；

（14）输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标（x=-17,y=-32,z=-9.5）;按下Enter键后输入三边长度：

x方向34,y方向64,z方向19。

注意：

在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

（15）设置长方体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。

这里，我们把这个长方体命名为AirBox。

（16）为空气腔设置辐射边界；

在操作历史树中选中AirBox,单击鼠标右键，进入AssignBoundary选项，点击Raditation选项。

此时HFSS系统提示你为此边界命名，我们把此边界命名为Rad1。

（17）为远场分析设置角度变化的范围

在项目管理列表中，右键单击Radiation。

选择InsertFarFieldSetup->InfiniteSphere。

命名为ff_all

设置Phi：

-90-90°，StepSize:

10Theta：

0-360°StepSize:

10。

（18）利用Circle创建馈电平面

参数如下X=12.5，Y=-0.5，Z=0

dX=-1，dY=1，dZ=0

重命名为P1

（19）添加激励

在对象列表中，右键单击“P1”，按下图所示添加激励“LumpedPort”。

（20）添加求解设置

在项目管理列表中，右键单击Analysis。

选择AddSolutionSetup。

设置求解频率为“10GHz”。

最大迭带次数6，最大误差0.01

（21）添加扫频设置

在项目管理列表中，右键单击Analysis-Setup1。

选择AddSweep。

设置扫频类型为“Fast”，起止频率为“8GHz”-“12GHz”，取样间隔0.02。

SaveFields打钩。

（22）打开File选项（alt+F）,单击Saveas。

输入项目名hfss_cpwbotie。

（23）将求解的条件设好后，我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击validationcheck。

再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键，选中Analyze即可开始求解当求解过程结束后，在MessageManager窗口会有相应的提示。

2）仿真结果及分析

1、求解数据

2、创建S11参数报告

定义S11<-10dB的频率范围为天线的频带范围。

如该天线的带宽为10~11GHz。

3、创建阻抗参数报告

一般要求阻抗实部接近50欧姆，虚部接近0。

4、创建远场方向图报告

由方向图可以得到天线在空间辐射的分布情况，可以判断出天线的最大辐射方向。

如上述天线的最大辐射方向为Theta=40°方向。

颜色越红，表示该方向辐射越大。

天线设计实例4：

同轴馈电贴片天线

1）设计步骤

一.创建项目

1、加入一个新的HFSS设计

（1）在Project菜单，点击insertHFSSDesign选项。

2、选择一种求解方式

（1）在HFSS菜单上，点击SolutionType选项.

（2）选择源激励方式，在SolutionType对话框中选中DrivenTerminal项。

3、设置设计使用的长度单位

（1）在3DModeler菜单上，点击Units选项.

（2）选择长度单位，在SetModelUnits对话框中选中cm项。

4、设置材料

（1）在3DModeler的材料选框中选择Select

（2）输入并选中RogersRT/duriod5880（tm）

二.构造模型

1、建立物理模型

（1）利用Box创建微带天线的介质基板。

在Draw菜单中，点击Box选项；

（2）输入参数。

按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标（x=-5,y=-4.5,z=0）;按下Enter键后输入三边长度：

x方向10,y方向9,z方向0.32。

注意：

在设置时不要在绘图区中点击鼠标。

（3）设置长方体属性

单击Attribute页，在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。

这里，我们把这个长方体命名为Sub1。

设置完毕后，同时按下ctrl和D键（ctrl+D），将视图调整一下。

（4）利用Rectangle创建微带天线的地

在Draw菜单中，点击Rectangle选项

参数如下X=-5，Y=-4.5，Z=0

dX=10，dY=9，dZ=0

重命名为inf_GND

（5）利用Circle创建与同轴外导体相同大小的圆

在Draw菜单中，点击Circle选项

参数如下X=-0.5，Y=0，Z=0

dX=0.16，dY=0，dZ=0

重命名为Cut_out

（6）利用Subtract创建过孔

同时选中待操作对象,进行相减操作

（7）利用Rectangle创建微带天线的贴片

在Draw菜单中，点击Rectangle选项

参数如下X=-2，Y=-1.5，Z=0.32

dX=4，dY=3，dZ=0

重命名为Patch

（8）修改默认材料为真空

（9）利用Cylinder创建同轴外导体

在Draw菜单中，点击Cylinder选项

参数如下X=-0.5，Y=0，Z=0

dX=0.16，dY=0，dZ=0

dX=0，dY=0，dZ=-0.5

重命名为Coax

（10）修改默认材料为PEC

（11）利用Cylinder创建同轴内导体

在Draw菜单中，点击Cylinder选项

参数如下X=-0.5，Y=0，Z=0

dX=0.07，dY=0，dZ=0

dX=0，dY=0，dZ=-0.5

重命名为Coax_Pin

（12）利用Cylinder创建馈电探针

在Draw菜