半波偶極子天線畢業(yè)論文

1、天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)tianjin university of technology and education畢 業(yè) 設(shè) 計專 業(yè)： 班級學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二一三 年 六 月天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計半波偶極子天線設(shè)計the design of the half wave dipole antenna專業(yè)班級：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：系 別：2013年6月摘 要近年來,radio frequency identification(rfid)技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動物體識別應(yīng)用中的主要技術(shù)1?，F(xiàn)今有很多種rfid天線類型,如偶極子天線、分形天線、環(huán)形槽天線和微帶貼片天線等2

2、。這里著重研究rfid技術(shù)中的半波偶極子天線，即是對稱振子天線，最常用的是半波振子，偶極子天線是研究天線的基礎(chǔ)，具有很多特性，比如輻射特性阻抗特性，波長縮短效應(yīng)，諧振特性等，它既可作為簡單的天線單獨使用,又可作為天線陣的單元或面天線的饋源3-4。所以深入了解半波偶極子天線的設(shè)計理論與優(yōu)化技術(shù)是非常重要的。傳統(tǒng)的天線設(shè)計方法是由設(shè)計師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗通過編程進(jìn)行數(shù)值計算的方法來確定天線的各參數(shù)，這樣做不僅花費了大量的時間和精力，而且費用昂貴。本設(shè)計采用現(xiàn)代計算機(jī)為基礎(chǔ)，使用high frequency structure simulator（hfss）三維電磁仿真軟件對半波偶極子

3、天線進(jìn)行設(shè)計及仿真、優(yōu)化分析方法可以節(jié)省時間和精力，設(shè)計出符合要求的天線。論文從課題研究的背景和目的出發(fā)，介紹了半波偶極子天線的基本知識、設(shè)計原理。隨后從設(shè)計和實現(xiàn)角度出發(fā)，針對半波偶極子天線提出了優(yōu)化設(shè)計方案，并加以仿真并驗證。最后依照仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實物設(shè)計制作并驗證其性能。關(guān)鍵詞：3ghz；天線；hfss10；偶極子天線abstractin recent years, radio frequency identification (rfid) technology and the rapid development of automatic object recognition has be

4、come the main technology applications. today there are many types of rfid antennas, such as dipole antennas, fractal antennas1, microstrip patch antenna and annular groove antenna2. rfid technology here focuses on the half-wave dipole antenna, dipole antenna that is most commonly used is the half-wa

5、ve dipole, dipole antenna of the antenna base, has many features, such as radiation characteristic impedance, the wavelength reduction effect, resonance characteristics, etc. it can be used alone as a simple antenna, but also as a unit or antenna array antenna feed surface3-4. therefore, in-depth un

6、derstanding of a half-wave dipole antenna design theory and optimization technology is very important. traditional antenna design approach is an analysis by the designer according to the antenna theory and their own experience through the programming of numerical calculation method to determine the

7、parameters of the antenna, so do not spend a lot of time and effort, and expensive. this design uses modern computer-based, using high frequency structure simulator (hfss) three-dimensional electromagnetic simulation software half-wave dipole antenna design and simulation, optimization analysis meth

8、od can save time and effort, designed to meet the requirements of the antenna.papers from the background and purpose of the research, this paper introduces a half-wave dipole antenna basics design principles. then from the design and implementation point of view, for the half-wave dipole antenna pro

9、posed optimal design, and make the simulation and verification. finally simulation data in accordance with the physical design and verify its performance.key words： 3ghz; antenna; hfss10; dipole antennaii目 錄1緒論11.1課題研究的背景11.2課題研究的意義11.3本次課題的主要工作12概述22.1半波偶極子天線簡述22.2ansoft hfss 10仿真軟件簡介22.3ansoft hfs

10、s 10仿真軟件設(shè)計流程概述32.4本設(shè)計的方案思路42.5主要技術(shù)指標(biāo)42.5.1天線的輸入阻抗42.5.2天線的極化方式52.5.3方向性系數(shù)52.5.4天線的增益62.5.5天線的效率63理論分析73.1電基本振子的輻射場73.2對稱天線的輻射93.3半波偶極子天線性能參數(shù)的理論計算113.3.1電流分布113.3.2 輻射場和方向圖113.3.3方向性系數(shù)123.3.4輻射電阻123.3.5輸入阻抗134hfss仿真設(shè)計144.1hfss設(shè)計概述144.2hfss仿真設(shè)計154.2.1新建設(shè)計工程154.2.2添加和定義設(shè)計變量154.2.3設(shè)計建模164.2.4求解設(shè)置194.2.5

11、設(shè)計檢查和運行仿真計算205天線實物25結(jié) 論26參考文獻(xiàn)27致 謝28天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計1 緒論1.1 課題研究的背景radio frequency identification(rfid)技術(shù)是一種利用射頻技術(shù)實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù),近年來,rfid技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動物體識別應(yīng)用中的主要技術(shù)1?，F(xiàn)今有很多種rfid天線類型,如偶極子天線、分形天線、環(huán)形槽天線和微帶貼片天線等2。這里著重研究rfid技術(shù)中的半波偶極子天線。由于它結(jié)構(gòu)簡單,廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和探測等各種無線電設(shè)備中,適用于短波、超短波,甚至微波。它既可作為簡單的天線單獨使用,又可作為天線

12、陣的單元或面天線的饋源3-4。由于半波偶極子是基本的天線,很多天線都是在半波振子的基礎(chǔ)上設(shè)計的。1.2 課題研究的意義傳統(tǒng)的天線設(shè)計方法是由設(shè)計師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗通過編程進(jìn)行數(shù)值計算的方法來確定天線的各參數(shù)，這樣做不僅花費了大量的時間和精力，而且費用昂貴。近年來，無線通信發(fā)展迅速，作為系統(tǒng)發(fā)射和接收電磁波的重要前段器件天線，其性能對整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量至關(guān)重要。而半波偶極子天線這種基礎(chǔ)天線在未來需求量巨大，便宜高質(zhì)量基礎(chǔ)天線將會是各生產(chǎn)廠家喜愛的產(chǎn)品。制作簡單，成功率高，性能優(yōu)越的基礎(chǔ)天線也將會受到需求者的青睞。如果能采用現(xiàn)代計算機(jī)為基礎(chǔ)，使用三維電磁仿真軟件對半波偶極子天線進(jìn)行

13、設(shè)計及仿真、優(yōu)化分析方法可以節(jié)省時間、精力以及費用，設(shè)計出符合要求的半波偶極子天線。1.3 本次課題的主要工作本次課題的主要工作是使用hfss三維電磁仿真軟件對半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計及仿真、優(yōu)化分析，設(shè)計出符合要求的天線。最后依照仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實物設(shè)計制作并驗證其性能。26天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計2 概述2.1 半波偶極子天線簡述半波偶極子天線是一種結(jié)構(gòu)簡單的基本線天線，也是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線之一。如圖2-1所示，半波偶極子天線由兩根直徑和長度都相等的直導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線的長度為1/4個工作波長。5但實際應(yīng)用中大多數(shù)情況下都要適當(dāng)縮短長度，目的就是實現(xiàn)諧振使

14、輸入阻抗接近純電阻，很多時候都是用工作波長的0.48。導(dǎo)線的直徑遠(yuǎn)小于工作波長，天線的激勵是等幅反向的電壓信號，加在天線中間的兩個相鄰端點上，且天線中間兩個相鄰端點間的距離遠(yuǎn)小于工作波長，可以忽略不計。圖2-1 半波偶極子天線2.2 ansoft hfss 10仿真軟件簡介本設(shè)計主要采用ansoft hfss 10三維電磁仿真軟件對半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計及仿真、優(yōu)化分析，下面介紹下hfss這個軟件。hfss是利用我們所熟悉的windows圖形用戶界面的一款高性能的全波電磁場(em)段任意3d無源器件的模擬仿真軟件。它易于學(xué)習(xí)，有仿真，可視化，立體建模，自動控制的功能，使你的3d em問題能快速

15、而準(zhǔn)確地求解。ansoft hfss使用有限元法(fem)，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和高性能的圖形界面，能讓你在研究所有三維em問題時得心應(yīng)手。ansoft hfss能用于諸如s-參數(shù)，諧振頻率和場等的參數(shù)計算。hfss是基于四面體網(wǎng)格元的交互式仿真系統(tǒng)。這使你能解決任意的3d幾何問題，尤其是那些有復(fù)雜曲線和曲面的問題，當(dāng)然在局部會利用其他技術(shù)。 hfss是高頻結(jié)構(gòu)仿真器（high frequency structure simulator）的縮寫。ansoft公司最早在電磁仿真中使用如切線矢量有限元，自適應(yīng)網(wǎng)格，和alps等有限元法解決em仿真問題。 ansoft hfss是高生產(chǎn)力研究，發(fā)展和虛擬的

16、工具之一。2.3 ansoft hfss 10仿真軟件設(shè)計流程概述本設(shè)計使用hfss v10軟件對半波偶極子天線進(jìn)行仿真設(shè)計，設(shè)計流程如圖2-2所示，設(shè)計流程中的各個步驟的功能分述如下。設(shè)置求解類型。使用hfss進(jìn)行天線設(shè)計時，可以選擇模式驅(qū)動（driven modal）求解類型或者終端驅(qū)動（driven terminal）求解類型。 圖2-2 hfss天線設(shè)計流程創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)天線的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在hfss模型窗口中創(chuàng)建出天線的hfss參數(shù)化設(shè)計模型。設(shè)置邊界條件。在半波偶極子天線的設(shè)計中，我使用輻射邊界條件，為了模擬出無限大的自由空間。設(shè)置激勵方式。無線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳

17、輸信號，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱為激勵端口。半波偶極子天線的設(shè)計中，由于在模型內(nèi)部饋電面的激勵方式使用集總端口激勵（lumped port）。設(shè)置求解參數(shù)，包括設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)，其中，求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。波長和頻率的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系，具體的計算公式是：波長（單位：米）=300/頻率（單位：mhz）。運行求解分析。上述操作完成后，整個仿真計算由hfss軟件自動完成。分析完成后，如果結(jié)果不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說明計算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。查看求解結(jié)果。求解分析完成后，子數(shù)據(jù)后處理部分可以查看hfss分析出的天線各項性能參數(shù)，如

18、回波損耗s11、電壓駐波比vswr、輸入阻抗、天線方向圖、電流分布等。如果仿真計算的天線性能滿足設(shè)計要求，接下來可以著手天線的制作和調(diào)試工作6。2.4 本設(shè)計的方案思路本設(shè)計采用文獻(xiàn)研究、軟件仿真、實物分析三種方法：1文獻(xiàn)研究：對早進(jìn)入階段收集的與畢業(yè)設(shè)計有關(guān)的書籍、相關(guān)知識、參考資料進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和閱讀。歸納整理與天線設(shè)計的相關(guān)理論，重點整理前人關(guān)于半波偶極子天線設(shè)計的研究。2軟件仿真：學(xué)習(xí)hfss v10軟件，使用hfss v10軟件對半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計仿真，查看求解結(jié)果，使用optimetrics優(yōu)化設(shè)計，使其滿足天線設(shè)計要求。3實物分析：按照軟件仿真的天線模型的尺寸大小制作天線，并

19、調(diào)試。2.5 主要技術(shù)指標(biāo)2.5.1天線的輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端功率反射為零，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較穩(wěn)定，性能較好12。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。在射頻微波頻段，饋線通常使用50標(biāo)準(zhǔn)阻抗。所以在設(shè)計天線時，需要盡可能地把天線的輸入阻抗設(shè)計在50，在工作頻帶內(nèi)保證盡可能小得駐波比。天線的輸入阻抗取決于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率和周圍環(huán)境的影響。工程中通常采用近似計算或者用實驗方法測量。匹配的好壞一般

20、用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪種并沒有明文規(guī)定，看個人的習(xí)慣來決定。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。本設(shè)計中也將主要使用駐波比和回波損耗，下面將介紹駐波比和回波損耗 。駐波比：它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實際應(yīng)用中vswr應(yīng)小于1.2。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。 回波損耗：它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示。回波損耗的值在0do的到無窮大之間，回波損

21、耗與匹配成反比，即回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越小表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14db。2.5.2天線的極化方式 所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強(qiáng)度方向。當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播13。因此，在移動通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播

22、方式。2.5.3方向性系數(shù)天線的方向性系數(shù)d是指在遠(yuǎn)區(qū)場的某一球面上天線的輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度之比，即：d，=u，u0 （2-1）u0實際等于輻射功率除以球面積，得：u0=14020u，sindd （2-2）方向性系數(shù)是最大輻射方向上的方向性系數(shù)，即：d=umaxu0 （2-3）2.5.4天線的增益 天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是衡量天線性能好壞的重要的參數(shù)之一。 一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范

23、圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統(tǒng)增益預(yù)算余量。 2.5.5天線的效率由于天線存在各種損耗，因此實際輻射到空間內(nèi)的電磁波功率比發(fā)射機(jī)輸送到天線的功率小。天線效率為：a=pradpin （2-4）即是表征天線將輸入高頻能量轉(zhuǎn)換為無線電波能量的有效程度。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計3 理論分析3.1 電基本振子的輻射場電基本振子又稱電流元或者電偶極子，這是一種最簡單的天線。用這樣的電基本振子可以組成實際的復(fù)雜天線，所以電基本振子的輻射特性是研究復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ)8。設(shè)電流元位于無限大的空間，周圍介質(zhì)是均勻線性且各向同

24、性的理想性質(zhì)。建立直角坐標(biāo)系，令電流元位于坐標(biāo)原點，且沿z軸放置，如圖3-1所示。電基本振子上的電流大小使用i表示，則矢量位a可以表示為：圖3-1 電流元的輻射場a=u04vje-jkrrdv=ezu0idl4re-jkr (3-1)在球面坐標(biāo)系中a=erar+ea （3-2）ar=azcos=u0idl4rcose-jkr a=-azsin=-u0idl4rcose-jkra=0 (3-3)于是，可以求得輻射的磁場強(qiáng)度為：hr=0h=0h=1u0rrar-ar=jidl2rsin1+1jkre-jkr (3-4)再利用麥克斯韋方程，可以求得電場強(qiáng)度為：er=jidl2r2u00cos1+1j

25、kre-jkr e=jidl2ru00cos1+1jkr-1k2r2e-jkre=0 （3-5）式中，e為電場強(qiáng)度，單位為v/m；h為磁場強(qiáng)度，單位為a/m；下標(biāo)r、分別表示球坐標(biāo)系的各個方向分量；0=1×10-936為自由空間的介電常數(shù)，單位為fm；0=4×10-7為自由空間導(dǎo)磁率，單位為h/m；k是自由空間相位常數(shù)，k=2=00，是自由空間波長。由于本文主要討論天線的輻射場，所以這里只計算遠(yuǎn)區(qū)場。kr1的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)，此時1kr1kr21kr3,e-jkr1,則式（3-4）和（3-5）可以近似為： e=jidl2ru00cose-jkrh=jidl2rsine-jkr

26、（3-6）上式表明，電流元得遠(yuǎn)區(qū)場具有以下特點： 傳播方向為 r ，電場及磁場均與r 垂直，遠(yuǎn)區(qū)場為tem波，電場與磁場的關(guān)系為eh=z。 電場與磁場同相，復(fù)能流密度僅有實部，能量不斷向外輻射，所以遠(yuǎn)區(qū)場又稱為輻射場。 遠(yuǎn)區(qū)場強(qiáng)振幅與距離 r 一次方成反比，這種衰減不是介質(zhì)的損耗引起的，而是球面波的自然擴(kuò)散。 遠(yuǎn)區(qū)場強(qiáng)振幅還與觀察點所處的方位有關(guān)，這種特性稱為天線的方向性。與方位角q 及f 有關(guān)的函數(shù)稱為方向性因子，以 f (q, f ) 表示。z 方向電流元具有軸對稱特點，場強(qiáng)與方位角f 無關(guān)，即f,=sin。z 向電流元在=0° 的軸線方向上輻射為零，在與軸線垂直的=90

27、6;方向上輻射最強(qiáng)。 電場及磁場的方向與時間無關(guān)，遠(yuǎn)區(qū)場為線極化。當(dāng)然，在不同的方向上極化方向不同。除了上述線極化特性外，其余四種特性是一切尺寸有限的天線遠(yuǎn)區(qū)場的共性，即一切有限尺寸的天線，其遠(yuǎn)區(qū)場為tem波，是一種輻射場，其場強(qiáng)振幅不僅與距離成反比，同時也與方向有關(guān)。天線的極化特性和天線的類型有關(guān)。接收天線的極化特性必須與被接收的電磁波的極化特性一致，稱為極化匹配。遠(yuǎn)區(qū)場中也有電磁能量的交換部分。但是由于交換部分的場強(qiáng)振幅至少與距離r2 成反比，而輻射部分的場強(qiáng)振幅與距離 r 成反比，因此，遠(yuǎn)區(qū)中交換部分所占的比重很小，近區(qū)中輻射部分可以忽略8。 由此可以看出，在遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)，電場只有e分量，磁場

28、只有h分量，且電場和磁場的相位相同。此時，坡印廷矢量的平均值為：sav=12ree×h*=12reeh*er （3-7）對于自由空間而言，媒質(zhì)的波阻抗為：0=eh=00=120 （3-8）3.2 對稱天線的輻射對稱天線是一根中心饋電，長度可與波長相比擬的載流導(dǎo)線。其電流分布以中點為對稱，因此稱為對稱天線。若導(dǎo)線直徑 d << l，電流沿線分布可以近似認(rèn)為具有正弦駐波特性。因為兩端開路，電流為零，形成電流駐波的波節(jié)，電流駐波的波腹位置取決于對稱天線長度。設(shè)對稱天線的半長為l，在直角坐標(biāo)系中沿z軸放置，中點位于坐標(biāo)原點，則電流空間分布函數(shù)可以表示為i=imsinkl-z （3

29、-9）式中, im 為電流駐波的空間最大值或稱為波腹電流，位置取決于對稱天線的長度。常數(shù)k=2。既然對稱天線的電流分布為正弦駐波，對稱天線可以看成是由很多電流振幅不等但相位相同的電流元排成一條直線形成的。這樣，利用電流元的遠(yuǎn)區(qū)場公式即可直接計算對稱天線的輻射場。電流元idz'產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場強(qiáng)度應(yīng)為de=jzidz'sin2r'e-jkr' (3-10)由于rl，可以認(rèn)為組成對稱天線的每個電流元對于觀察點p 的指向是相同的，即r與r平行，如圖3-2所示。各個電流元在 p 點產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場方向相同，合成電場為各個電流元遠(yuǎn)區(qū)電場的標(biāo)量和，即對稱的遠(yuǎn)區(qū)電場為e=-llj

30、zidz'sin2r'e-jkr' （3-11）考慮到lr'，可以近似認(rèn)為1r'1r。作為一次近似可以認(rèn)為圖3-2 對稱天線的輻射 r'=r-z'cos e-jkr'=e-jkrejkz'cos 將這些結(jié)果代入式（3-11）中，若認(rèn)為周圍介質(zhì)為真空或者空氣則對稱天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場為e=j60ircosklcos-cosklsine-jkr （3-12）可見，對稱天線的方向性因子為f=cosklcos-cosklsin （3-13）由上式可見，對稱天線的方向性因子與方位角無關(guān)，僅為方位角的函數(shù)。此外，顯然長度不同的對稱天線，

31、其方向性因子也不同。如圖3-2-2所示，不同長度的對稱天線所在平面內(nèi)的方向圖也不同。這些平面方向圖繞天線軸線旋轉(zhuǎn)一周即構(gòu)成空間方向圖。因為組成對稱天線的各個電流元在軸線方向上輻射為零，所以無論天線的長度怎么變化，在=0及=的軸線方向上始終沒有輻射。當(dāng)天線的全長小于一個波長時，方向圖僅有兩個主葉，且=2的方向為主射方向，因為在此方向上各個電流元產(chǎn)生的電場方向相同，相位也相等，合成場強(qiáng)最強(qiáng)。當(dāng)天線全長大于全波長時，出現(xiàn)副葉。尤其當(dāng)全長等于兩個波長時，即半長l=，原來=2的主射方向變成零射方向，因為雖然在此方向上各個電流元產(chǎn)生的電場方向相同，但是一半電流元的時間相位與另一半電流元的時間相位相反，兩者

32、產(chǎn)生的場強(qiáng)彼此抵消，導(dǎo)致合成場強(qiáng)為零。 圖3-2-2 幾種對稱天線的方向圖3.3 半波偶極子天線性能參數(shù)的理論計算3.3.1電流分布對于半波偶極子天線而言，其長度l=4。把上述參數(shù)代入到式（3-9）中，則半波偶極子天線的電流為：iz=i0sin2-kz=i0coskz （3-14）3.3.2 輻射場和方向圖已知半波偶極子天線上的電流分布，可以利用疊加原理來計算半波偶極子天線的輻射場。半波偶極子天線可以看成是由長度為dz的電基本振子天線連接而成的，dz這一小段天線上的電流等幅同相，但沿著z軸的電流幅度是按式（3-10）給出的正弦分布的。由式（3-12），（3-13）經(jīng)整理可得：e=j60irco

33、sklcos-cosklsine-jkr=j60irf, (3-15)式中，f,=f=cos2cossin (3-16)稱為半波偶極子天線的方向性函數(shù)。3.3.3方向性系數(shù)將式（2-3）和式（2-4）代入式（3-16）可以得出半波偶極子天線的方向性系數(shù)為：d=114020cos22cossin2sindd=1.64 （3-17）以分貝表示為：ddb=10lg1.64=2.15db （3-18）3.3.4輻射電阻天線的平均功率密度可以用平均坡印廷矢量來表示，即：pav=12e×h* (3-19)將半波偶極子天線的輻射電場和輻射磁場代入式（3-19）可得：pav=15i02r2cos22

34、cossin2 (3-20)則半波偶極子天線的輻射功率為：pr=spavds=02015i02r2cos22cossin2r2sindd=36.6i02 (3-21)用rr來表示輻射電阻，得：pr=36.6i02=12i02rr (3-22)由式(3-21)和式(3-22)可以計算出半波偶極子天線的輻射電阻為：rr=73.23.3.5輸入阻抗根據(jù)基本的傳輸線理論，輸入阻抗一般同時包含實部和虛部兩部分，即為：zin=rin+jxin (3-23)實部電阻rin由輻射電阻和導(dǎo)體電阻組成，而導(dǎo)體電阻即是導(dǎo)體損耗所產(chǎn)生的電阻。對于良導(dǎo)體來說，導(dǎo)體電阻是可以忽略的，此時實部電阻僅有輻射電阻rr，即是：r

35、in=rr (3-24)由此可知，對于半波偶極子天線而言，虛部電抗xin=0，輸入阻抗可近似為：zin=rr=73.2 （3-25）可見，半波偶極子天線的輸入阻抗是純電阻，易于和饋線匹配，這也是它被較多采用的原因之一。4 hfss仿真設(shè)計4.1 hfss設(shè)計概述這里將要設(shè)計的是中心頻率為3ghz的半波偶極子天線，波長和頻率的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系，具體的計算公式是：波長（單位：米）=300/頻率（單位：mhz）。由此可知工作波長應(yīng)設(shè)為100mm。天線的材質(zhì)使用理想導(dǎo)體（pec）。天線的總長度按照半波偶極子天線的原理為l=2，但實際應(yīng)用中大多數(shù)情況下都要適當(dāng)縮短長度，目的就是我前面說的，實現(xiàn)諧振使輸入阻

36、抗接近純電阻，經(jīng)仿真經(jīng)驗得出，很多時候都是用其波長的0.475，當(dāng)然0.48、0.49都可以的，但本設(shè)計經(jīng)過多次仿真，確定值為0.4803時仿真值最準(zhǔn)確。天線半徑為200。本設(shè)計天線在模型內(nèi)部的饋電面的激勵方式，因此采用集總端口激勵方式。端口距離的設(shè)置，實際上是基于振子間隙的電壓源激勵模型，理論上是無限小間隙電壓源，一般設(shè)為0.24mm左右就可以了。輻射邊界和天線的距離設(shè)置，經(jīng)實驗得出，當(dāng)輻射邊界和偶極子天線之間的距離大于4時，回波損耗s11分析結(jié)果一致，沒有什么變化。所以，通常情況下，為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確，輻射邊界距離輻射體應(yīng)不小于14個工作波長6。因此，輻射邊界和天線的距離就設(shè)為4。在hf

37、ss上半波偶極子天線的設(shè)計模型如圖4-1所示。天線沿z軸放置，中心位于坐標(biāo)原點。圖4-1 半波偶極子天線的hfss分析模型為了方便后面的建模，在本設(shè)計中設(shè)置了一系列變量。變量名稱以及對應(yīng)的天線結(jié)構(gòu)尺寸如表4-1所示。 表4-1 變量定義變量意義變量名 變量值（單位：mm）工作波長lambda100天線總長度length0.483×lambda端口距離gap0.24單個極子長度dip_lengthlength/2- gap/2天線半徑dip_radiuslambda/200輻射邊界圓柱體半徑rad_radiusdip_radius+ lambda/4輻射邊界圓柱體高度/2rad_hei

38、ghtdip_length+gap/2+lambda/10實際數(shù)值由圖4-2所示。圖4-2 變量實際數(shù)值4.2 hfss仿真設(shè)計4.2.1新建設(shè)計工程（1） 新建工程文件，把工程文件存為dipole.hfss文件。（2） 設(shè)置求解類型【solution type】為“driven modal”（模式驅(qū)動求解類型）。（3） 設(shè)置模型長度單位【units】為“mm”（毫米），完成設(shè)置。4.2.2添加和定義設(shè)計變量選擇【design properties】，打開設(shè)計屬性對話框，打開add property對話框，添加變量。在add property對話框中name文本框中輸入第一個變量的名稱lamb

39、da，在value文本框中輸入該變量的初始值100mm，然后單擊ok按鈕，添加變量lambda到設(shè)計屬性對話框中。依次按照此方法增添新的變量，完成所有變量的定義和添加工作。4.2.3設(shè)計建模（1）創(chuàng)建偶極子天線模型l 選擇【draw】【cylinder】，在三維模型窗口中創(chuàng)建一個任意大小的圓柱體，新建的圓柱體會添加到操作歷史樹的solids節(jié)點下，其默認(rèn)的名稱為cylinder1。l 設(shè)置cylinder1的屬性，名稱設(shè)置為“dipole”，材質(zhì)設(shè)置為“pec”，如圖4-3所示。l 雙擊“createcylinder”節(jié)點，打開“command”選項卡，設(shè)置圓柱體的底面圓心坐標(biāo)、半徑和長度。如

40、圖4-4所示。在center position文本框中輸入圓心坐標(biāo)為（0，-dip_radius,-gap/2），在radius文本框中輸入dip_radius，在height文本框中輸入長度值dip_length，最后單擊確定按鈕退出。圖4-3 attribute選項卡圖4-4 command選項卡l 通過沿著坐標(biāo)軸復(fù)制操作，生成偶極子天線的另一個臂?！緀dit】【duplicate】【around axis】，將框中axis選擇x，在angle輸入180，點擊ok按鈕。這樣就將之前已完成的偶極子天線的按x軸旋轉(zhuǎn)180°復(fù)制出另一個極子，同時生成的模型自動命名為dipole_1。（

41、2）設(shè)置端口激勵l 把當(dāng)前工作平面設(shè)置為yz平面：在工具欄上的“xy”下拉列表框中選擇“yz”。l 在三維模型窗口的yz面上創(chuàng)建一個任意大小的矩形面。新建的矩形面會添加到操作歷史樹的sheets節(jié)點下，把矩形面的名稱設(shè)置為“port”，如圖4-5所示。l 設(shè)置矩形面的頂點坐標(biāo)和大小，雙擊操作歷史樹中的port下的createrectangle節(jié)點，在command選項卡設(shè)置頂點坐標(biāo)和大小。在position文本框中輸入頂點坐標(biāo)為（0，-dip_radius,-gap/2）,在ysize和zsize文本框中分別輸入矩形面的長和寬為2×dip_radius和gap,如圖4-6所示。圖4-

42、5 attribute選項卡圖4-6 command選項卡這樣就完成激勵端口的建立，接著設(shè)置激勵方式。l 設(shè)置該矩形面的激勵方式為集總端口激勵：選中該矩形面，單擊右鍵，選擇【assign excitation】【lumped port】，打開集總端口設(shè)置對話框。由理論分析計算可知，半波偶極子天線的輸入阻抗約為73.2。因此如圖4-7所示設(shè)置數(shù)值，接著選擇new line選項，此時會進(jìn)入三維模型進(jìn)行端口積分設(shè)置。l 單擊工具欄按鈕，全屏顯示矩形面port，在矩形面的下邊緣處移動鼠標(biāo)指針，單擊確定下邊緣的中點位置（即積分線的起點），沿z軸向上移動鼠標(biāo)指針，單擊確定上邊緣的中點位置（即積分線的終點）

43、。自動返回到集總端口設(shè)置對話框，單擊“下一步”，在對話框中選中“do not renormalize”，完成設(shè)置。(3）設(shè)置輻射邊界條件l 創(chuàng)建輻射邊界的圓柱體，并把圓柱體的名稱設(shè)置為“rad_air”，材質(zhì)設(shè) 置為“air”，透明度設(shè)置為“0.8”，如圖4-8所示。圓柱體的圓心坐標(biāo)為（0，0，-rad_height），半徑為rad_radius，高度為2*rad_height，如圖4-9所示。設(shè)置輻射邊界條件：選中該圓柱體模型，單擊鼠標(biāo)右鍵選擇【assign boundary】【radiation】。l 將advanced options打勾，然后選擇“radiating only”。（當(dāng)然

44、，也可把輻射邊界設(shè)置成長方體或其它形狀，只要保持輻射邊界距離輻射體應(yīng)不小于14個工作波長即可，經(jīng)過反復(fù)的實驗發(fā)現(xiàn)圓柱體的輻射邊界分析出的數(shù)值誤差較小。） 圖4-7 集總端口設(shè)置對話框圖4-8 attribute選項卡圖4-9 command選項卡4.2.4求解設(shè)置分析半波偶極子天線的回波損耗和電壓駐波比，可將求解頻率設(shè)置為3ghz。添加2.5ghz3.5ghz的掃頻設(shè)置，掃頻類型選擇快速掃頻。l 求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置：單擊analysis節(jié)點，選擇【add solution setup】。l 求解頻率（solution frequency）為3ghz，最大迭代次數(shù)（maximum numbe

45、r of passes）為20，收斂誤差（maximum deltalmum s）為0.02，其他選項保持默認(rèn)設(shè)置，如圖4-10所示。設(shè)置完成后，求解設(shè)置項的名稱setup1會添加到工程樹analysis節(jié)點下。掃頻設(shè)置：展開analysis節(jié)點，右鍵單擊前面添加的求解設(shè)置項setup1，選擇【add frequency sweep】，打開“edit sweep”對話框，設(shè)置掃頻類型為“fast”，設(shè)置頻率設(shè)置類型為“l(fā)inearstep”，起始頻率（start）為2.5ghz，終止頻率（stop）為3.5ghz，步進(jìn)頻率（step size）為0.001ghz，其他選項都保留默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置完

46、成后，該掃頻設(shè)置項的名稱sweep1會添加到工程的求解設(shè)置項setup1節(jié)點下。如圖4-11所示。圖4-11 掃頻設(shè)置圖4-10 求解設(shè)置4.2.5設(shè)計檢查和運行仿真計算在運行仿真計算之前，通常需要進(jìn)行設(shè)計檢查，檢查設(shè)計的完整性和正確性。l 選擇【validation check】進(jìn)行設(shè)計檢查。若打開的對話框中的每一項前面都顯示對勾，表示當(dāng)前的設(shè)計正確且完整。右鍵單擊analysis節(jié)點，選擇【analyze all】，開始運行仿真計算。如圖4-12所示。hfss擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)后處理功能，仿真完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分能夠給出天線各項性能參數(shù)的仿真分析結(jié)果。 圖4-12 設(shè)計檢查結(jié)果對話框l 回

47、波損耗s11：右鍵單擊“results”節(jié)點，選擇【create modal solution data report】【rectangular plot】,選擇s（1,1），然后單擊done按鈕，再點擊add trace按鈕即可生成如圖4-13所示在2.5ghz3.5ghz頻段內(nèi)的回波損耗的分析結(jié)果。從分析結(jié)果可以看出，設(shè)計的中心頻率為3ghz的半波偶極子天線，s11<-10db的相對帶寬bw=(3.24-2.78)3=15.3%。 圖4-13 s11的掃頻分析結(jié)果l 電壓駐波比vswr:查看天線電壓駐波比的操作和查看回波損耗s11的操作相似。即是在報告設(shè)置對話框左側(cè)的solution

48、下拉列表選擇setup1,在category列表框中選擇“vswr”，在quantity列表框中選擇vswr（1），在function列表中選擇<none>。然后單擊done按鈕，再點擊add trace按鈕即可生成如圖4-14所示生成天線的電壓駐波比分析結(jié)果。smith圓圖：借助于smith圓圖，能夠方便地進(jìn)行阻抗匹配，給出駐波比，歸一化輸入阻抗等各種信息。選擇【create modal solution data report】【smith chart】命令，打開報告設(shè)置對話框，在該對話框左側(cè)的solution下拉列表中選擇setup1:sweep1,在然后單擊done按鈕，再

49、點擊add trace按鈕即可生成如圖4-15所示的在2.5ghz3.5ghz頻段內(nèi)的s11的smith圓圖顯示結(jié)果。從圖中可知，在中心頻率為3ghz時歸一化阻抗約為1，說明天線的端口阻抗匹配良好。vswr<2的頻率范圍約為2.78ghz3.27ghz。 圖4-14 半波偶極子天線的駐波比分析結(jié)果 圖4-15 半波偶極子天線的s11的smith圓圖顯示結(jié)果l 輸入阻抗：查看輸入阻抗有兩種方法，除了前面smith圓圖結(jié)果外，也可以直接查看天線的輸入阻抗值，其操作和查看回波損耗的操作類似，選擇【create modal solution data report】【rectangular pl

50、ot】命令, 在該對話框左側(cè)的solution下拉列表中選擇setup1:sweep1,在category列表框中選擇z parameter，在quantity列表框中選擇z(1,1),在function列表中同時選擇im和re，即是同時選擇查看輸入阻抗的虛部（電抗部分）和實部（電阻部分），然后單擊done按鈕，再點擊add trace按鈕即可生成如圖4-16所示的半波偶極子天線的輸入阻抗結(jié)果報告。從結(jié)果報告中可知，輸入阻抗為（72.8，-j0.4），與前面的理論分析結(jié)論相符。圖4-16 半波偶極子天線的輸入阻抗結(jié)果報告l 方向圖： 定義輻射表面：右鍵“radiation”節(jié)點，選擇【inse

51、rt far field setup】【infinite sphere】，定義xz平面，設(shè)置“e_plane”，同理定義xy平面，設(shè)置為“h_plane”，定義三維立體球面，設(shè)置為“3d_sphere”如圖4-17所示。 圖4-17 定義輻射表面 查看xz面的增益方向圖：右鍵“results”節(jié)點，選擇【create far fields report】【radiation pattern】，選擇輻射表面“e_plane”，在“primary sweep”中選擇“theta”，在“category”中選擇“gain”，在“quantity”中選擇“gaintotal”，在“function”中選擇“db”，然后單擊done按鈕，再點擊add trace按鈕即可生成如圖4-18所示的xz的增益方向圖。 查看xy面的增益方向圖:與前面相同的操作， geomertry選擇h_plane，在primary sweep中選擇phi為90°，則生成如圖4-19所示xy面增益方向圖。 看三維增益方向圖：右鍵“resu