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半波偶极⼦天线的HFSS
半波偶极⼦天线的HFSSTheStandardizationOfficewasrevisedontheafternoonofDecember13,2020
半波偶极⼦天线的HFSS仿真设计
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⼀、实验⽬的:
1.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;
2.熟悉HFSS软件分析和设计天线的基本⽅法及具体操作;
3.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;
4.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λ,半径为λ/200。天线馈电采⽤集总端⼝激励⽅式,端⼝距离为,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AddProperty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:
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:
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?,为了达到良好的阻
抗匹配,将负载阻抗也设置为?。
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:
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~的扫频设置,扫频类型选择快速扫
频,分析天线在~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。如下:
2)、扫
频设置
扫频
类型选择
快速扫
频,扫频
范围为~,
扫频步进为。如下:
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~频段内的回波损耗S11的分析结果:
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=%.
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。VSWR2(即反射系数的
模⼩于三分之⼀)的频率范围约为~。
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()?,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
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