利用HFSS仿真对称振子天线

该天线的设计思路是:用于野外设台的天线,方便携带,天线合拢以后,最长单节不超过1.5米,共5个单位组件.天线为两个单元,通过装卸振子的单节改变振子长度,使得天线能分别工作在6M,10M,15M,17M,20M..=2628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=$r，height=$lPecarm2圆柱体(0,0,-0.5)radius=$r，height=-$lPecairbox长方体(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l-$r)xsize=2*$lbd/3+2*$rysize=2*$lbd/3+2*$rzsize=2*$lbd/3+$l+2*$rvacuum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feedxz矩形(-$r,$r,-0.5)dx=2*$r1,dz=1Lumpedport表3变量表变量名变量初始值（mm）变量变化范围（mm）步长（mm）$lbd300$l25[25,200]25$r1[1,5]11新建工程并命名新建工程并命名新建工程并命名新建工程并命名。。。。打开HFSS，新建工程，点击工具，将工程保存为dipole。2设置求解类型设置求解类型设置求解类型设置求解类型。。。。点击HFSSSolutionType，选择DrivenTerminal。3设置单位设置单位设置单位设置单位。。。。点击ModelerUnits，选择mm。4画画画画对称振子对称振子对称振子对称振子的一的一的一的一支支支支臂臂臂臂，，，，形状为圆柱体形状为圆柱体形状为圆柱体形状为圆柱体，，，，命名为命名为命名为命名为arm1，，，，材料设置为理想导体材料设置为理想导体材料设置为理想导体材料设置为理想导体，，，，半径设置为半径设置为半径设置为半径设置为变量变量变量变量$r，，，，臂长设置为变量臂长设置为变量臂长设置为变量臂长设置为变量$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5arm14建立建立建立建立对称振子对称振子对称振子对称振子的的的的另外一支臂另外一支臂另外一支臂另外一支臂。。。。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-$l（如图6）。点击工具，所有图形显示如图7。图6arm2命令行图7对称振子的两支臂5画馈电模型画馈电模型画馈电模型画馈电模型，，，，形状为形状为形状为形状为zx面上的面上的面上的面上的矩形矩形矩形矩形，，，，命名为命名为命名为命名为feed，，，，设置为设置为设置为设置为lumpedport激励方式激励方式激励方式激励方式。。。。对称振子一般通过同轴馈电，可以看做在振子的两臂之间施加了集总电压。在用HFSS仿真时，通过一个平面将振子两臂连接，在此平面上设置激励源lumpedport实现。将这个激励源面画在xz平面，形状为矩形。选择，点击，利用鼠标画出一个任意的矩形，将其名字改为feed，顶点坐标改为（-$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。注意注意注意注意：：：：激励源的设置应激励源的设置应激励源的设置应激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后在所有导体边界设置完毕之后在所有导体边界设置完毕之后在所有导体边界设置完毕之后进行进行进行进行。。。。图10lumpedport的参考导体设置界面6画画画画辐射箱辐射箱辐射箱辐射箱，，，，命名为命名为命名为命名为airbox，，，，形状为长方体形状为长方体形状为长方体形状为长方体，，，，材料为材料为材料为材料为真空真空真空真空，，，，边界条件为边界条件为边界条件为边界条件为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。图11airbox属性图12airbox命令行选中airbox，点击鼠标右键选择【AssignBoundary】Radiation，出现radiationboundary界面，采用缺省值，点击OK。7设置求解频率设置求解频率设置求解频率设置求解频率1GHz，，，，扫频扫频扫频扫频0.5-1.5GHz。。。。在【HFSS】AnalysisSetupAddSolutionSetup中将频率设置为3GHz;，AdaptiveSolution下的MaximumNumberof设为6，MaximumdetaS设为0.01（如图13）。点击确定。图13设置单频点击【HFSS】AnalysisSetupAddFrequencySweep,设置如图14。图14设置扫频8检查及运行计算检查及运行计算检查及运行计算检查及运行计算点击检查无错后（如图15），点击计算。图15检查无错窗口8画阻抗曲线画阻抗曲线画阻抗曲线画阻抗曲线在ProjectManager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择CreatModalSolutionDataReportRectangularPlot（如图16），出现报告设置界面“Report：dipole”如图17（a），点击NewReport画出阻抗实部曲线；在Report：dipole界面继续按图17（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18。图16ResultsCreatModalSolutionDataReportRectangularPlot(a)阻抗实部(b)阻抗虚部图17输出阻抗报告设置界面图19阻抗曲线9画画画画S参数曲线参数曲线参数曲线参数曲线在ProjectManager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择CreatModalSolutionDataReportRectangularPlot，出现“Report：dipole”界面，设置如图20。点击NewReport，得到的S11曲线如图21，然后点击close结束画图。观察图21与图19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。图20画S参数设置图21|S11|曲线10画方向图画方向图画方向图画方向图（（（（1））））设设设设置立体角度置立体角度置立体角度置立体角度在ProjectManager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Radiation，点击鼠标右键，选择InserFarmFieldSetupInfiniteSphere，出现远场辐射球设置界面，采用缺省值如图？，点击确定。远场辐射球设置界面（（（（2））））画立体方向图画立体方向图画立体方向图画立体方向图在ProjectManager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport3DPolarPlot，出现画三维远场方向图设置界面，按图？设置，得到增益图如图？。CreateFarFieldsReport3DPolarPlot画增益图设置二分之一波长对称振子三维增益图在ProjectManager窗口中，双击dipoleHFSSDesign1Results3DPolarPlot1dB(GainTotal)，点击Families，出现天线的参数列表。频率Freq为3GHz，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偶极子。（（（（3））））画画画画E面方向图面方向图面方向图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dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReportRadiationPattern，出现画二维远场方向图设置界面，按图？(a)设置；点击(a)图中的Families，将Phai设为0deg（如图？（b）），点击newreport（如图？），得到E面方向图，此方向图画出的是天线总增益的绝对值，与课本中给出的理论方向图一致。(a)(b)设置E面（theta=90）E面方向图11更改变量更改变量更改变量更改变量$r值值值值在ProjectManager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Optimetrics，点击鼠标右键选择AddRadiationPatternParametric，出现SetupSweepAnalysis界面（如图1），点击Add，出现Add/EditSweep界面，对于变量$r的设置如图2左下角，点击Add，形成图2右侧内容，点击OK，回到SetupSweepAnalysis界面；点击Add键增加变量$l的变化，再次进入Add/EditSweep界面，进行设置如图3，点击OK再次回到SetupSweepAnalysis界面，点击确定关闭SetupSweepAnalysis界面。图1SetupSweepAnalysis界面图2变量$r的变化范围图3变量$l的变化范围点击，运行计算。计算完成后，在ProjectManager窗口中，选择dipoleHFSSDesign1Results，点击鼠标右键，选择CreatModalSolutionDataReportRectangularPlot，进入Report：dipole界面，点击Families进行设置如图1。点击NewReport，得到图2。图1设置变量值$l=25mm的Report界面图2$l=25mm，S参数随$r变化曲线在Report：dipoleFamilies界面设置如图3，点击NewReport，得到图4.图3设置变量值$r=1mm的Report界面图42$r=1mm，S参数随$l变化曲线