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天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院1半波偶极子天线的ＨＦＳＳ仿真设计一、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0.48λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，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：天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院2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：天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院32）、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73.2Ω，为了达到良好的阻抗匹配，将负载阻抗也设置为73.2Ω。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轴放置的圆天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院4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：天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院5３、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2.5~3.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频，分析天线在2.5~3.5GHz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0.02。如下：2）、扫频设置扫频类型选择快速扫频，扫频范围为2.5~3.5GHz，扫频步进为0.001GHz。如下：天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院6４、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2.5~3.5GHz频段内的回波损耗S11的分析结果：天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院7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=（3.24-2.789）/3=15.3%.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2.78GHz~3.27GHz。天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院84）、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（72.8-j0.4）Ω，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面方向图参数设置：天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院9H面方向图参数设置：天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院103D方向图参数设置：随后可以查看xz，xy和三围增益方向图。xz增益方向图xy增益方向图天线与电波传播实验报告成都电子科技大学电子工程学院113D增益方向6）、其他参数除了上述参数外，HFSS还可以给出天线在辐射面上的最大辐射强度、方向性系数、最大场强及其所在方向等参数。如下：三、实验总结：（略）