采用AnsoftHFSS 三維電磁仿真軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化分析

1、目錄引言11概述21.1 Ansoft HFSS 10仿真軟件簡(jiǎn)介21.2 半波偶極子天線簡(jiǎn)述22 主要技術(shù)指標(biāo)3 2.1天線的輸入阻抗32.2天線的極化方式3 2.3天線的增益33理論分析53.1電基本振子的輻射場(chǎng)53.2 對(duì)稱(chēng)天線的輻射63.3 半波偶極子天線性能參數(shù)的理論計(jì)算63.3.1電流分布63.3.2 輻射場(chǎng)64 HFSS仿真設(shè)計(jì)74.1HFSS設(shè)計(jì)概述74.2 HFSS仿真設(shè)計(jì)84.2.1新建設(shè)計(jì)工程84.2.2添加和定義設(shè)計(jì)變量84.2.3設(shè)計(jì)建模84.2.4求解設(shè)置124.2.5設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算13結(jié)論18參考文獻(xiàn)19引言Radio frequency identifi

2、cation(RFID)技術(shù)是一種利用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù),近年來(lái),RFID技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動(dòng)物體識(shí)別應(yīng)用中的主要技術(shù)?，F(xiàn)今有很多種RFID天線類(lèi)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。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(jiǎn)單,廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和探測(cè)等各種無(wú)線電設(shè)備中,適用于短波、超短波,甚至微波。它既可作為簡(jiǎn)單的天線單獨(dú)使用,又可作為天線陣的單元或面天線的饋源。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(jì)的。設(shè)計(jì)師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)確定天線的各參數(shù)，這樣做不僅花費(fèi)了大量的時(shí)

3、間和精力，而且費(fèi)用昂貴。近年來(lái)，無(wú)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量至關(guān)重要。制作簡(jiǎn)單，成功率高，性能優(yōu)越的基礎(chǔ)天線也將會(huì)受到需求者的青睞。如果能采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，使用三維電磁仿真軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真、優(yōu)化分析方法可以節(jié)省時(shí)間、精力以及費(fèi)用，設(shè)計(jì)出符合要求的半波偶極子天線。現(xiàn)今有很多種RFID天線類(lèi)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。這里著重研究RFID技術(shù)中的半波偶極子天線，即是對(duì)稱(chēng)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(zhǎng)縮短效應(yīng)，諧振特性等，它

4、既可作為簡(jiǎn)單的天線單獨(dú)使用,又可作為天線陣的單元或面天線的饋源。所以深入了解半波偶極子天線的設(shè)計(jì)理論與優(yōu)化技術(shù)是非常重要的。傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)方法是由設(shè)計(jì)師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)確定天線的各參數(shù)，這樣做不僅花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，而且費(fèi)用昂貴。本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，使用High Frequency Structure Simulator（HFSS）三維電磁仿真軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真、優(yōu)化分析方法可以節(jié)省時(shí)間和精力，設(shè)計(jì)出符合要求的天線。1概述1.1 Ansoft HFSS 10仿真軟件簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)主要采用Ansoft HFSS 10三維電磁仿真

5、軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真、優(yōu)化分析，下面介紹下HFSS這個(gè)軟件。HFSS是利用我們所熟悉的windows圖形用戶(hù)界面的一款高性能的全波電磁場(chǎng)(EM)段任意3D無(wú)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(dòng)控制的功能，使你的3D EM問(wèn)題能快速而準(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(wèn)題時(shí)得心應(yīng)手。Ansoft HFSS能用于諸如S-參數(shù)，諧振頻率和場(chǎng)等的參數(shù)計(jì)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(wèn)題，尤其是那些有復(fù)雜曲線和曲面的問(wèn)題，當(dāng)然在局部會(huì)利用

6、其他技術(shù)。 HFSS是高頻結(jié)構(gòu)仿真器（High Frequency Structure Simulator）的縮寫(xiě)。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(wèn)題。 Ansoft HFSS是高生產(chǎn)力研究，發(fā)展和虛擬的工具之一。1.2 半波偶極子天線簡(jiǎn)述半波偶極子天線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。半波偶極子天線由兩根直徑和長(zhǎng)度都相等的直導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線的長(zhǎng)度為1/4個(gè)工作波長(zhǎng)。但實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)情況下都要適當(dāng)縮短長(zhǎng)度，目的就是實(shí)現(xiàn)諧振使輸入阻抗接近純電阻，很多時(shí)候都是用工作波長(zhǎng)的0.48。導(dǎo)線的

7、直徑遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，天線的激勵(lì)是等幅反向的電壓信號(hào)，加在天線中間的兩個(gè)相鄰端點(diǎn)上，且天線中間兩個(gè)相鄰端點(diǎn)間的距離遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，可以忽略不計(jì)。2 主要技術(shù)指標(biāo)2.1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(shí)饋線終端功率反射為零，饋線上沒(méi)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。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(jì)天線時(shí)，需要盡可能地把天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)在50，在工作頻帶內(nèi)保證盡可能小

8、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?chē)h(huán)境的影響。工程中通常采用近似計(jì)算或者用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量。匹配的好壞一般用四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個(gè)參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪種并沒(méi)有明文規(guī)定，看個(gè)人的習(xí)慣來(lái)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(jì)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(wú)窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無(wú)窮大表示全反射，完全失配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實(shí)際應(yīng)用中VSWR應(yīng)小于1.2。過(guò)大的駐波比會(huì)減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)

9、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(duì)值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0do的到無(wú)窮大之間，回波損耗與匹配成反比，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(wú)窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。2.2天線的極化方式 所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱(chēng)為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱(chēng)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(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)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(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式

10、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(hào)的有效傳播。因此，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播方式。2.3天線的增益 天線增益是用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)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(lái)說(shuō)，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(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量極為重要，因?yàn)樗鼪Q定蜂窩邊緣的信號(hào)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(gè)雙向過(guò)程，增加天線的增益能同時(shí)減少雙向系統(tǒng)增益預(yù)算余量。3理論分析3.1電基本振子的輻射場(chǎng)電基本振子又稱(chēng)電流元

11、或者電偶極子，這是一種最簡(jiǎn)單的天線。用這樣的電基本振子可以組成實(shí)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)。 電流元得遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)具有以下特點(diǎn)：（1）傳播方向?yàn)?r ，電場(chǎng)及磁場(chǎng)均與r 垂直，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為T(mén)EM波，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系為。 （2）電場(chǎng)與磁場(chǎng)同相，復(fù)能流密度僅有實(shí)部，能量不斷向外輻射，所以遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng) 又稱(chēng)為輻射場(chǎng)。 （3）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)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。 （4）遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)振幅還與觀察點(diǎn)所處的方位有關(guān)，這種特性稱(chēng)為天線的方向性。與方位角q 及f 有關(guān)的函數(shù)稱(chēng)為方向性因子，以 f (q, f ) 表示。z 方向電流元具有軸

12、對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，場(chǎng)強(qiáng)與方位角f 無(wú)關(guān)，即。z 向電流元在 的軸線方向上輻射為零，在與軸線垂直的=90方向上輻射最強(qiáng)。 （5）電場(chǎng)及磁場(chǎng)的方向與時(shí)間無(wú)關(guān)，遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)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(chǎng)的共性，即一切有限尺寸的天線，其遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為T(mén)EM波，是一種輻射場(chǎng)，其場(chǎng)強(qiáng)振幅不僅與距離成反比，同時(shí)也與方向有關(guān)。天線的極化特性和天線的類(lèi)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(chēng)為極化匹配。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)中也有電磁能量的交換部分。但是由于交換部分的場(chǎng)強(qiáng)振幅至少與距離r2 成反比，而輻射部分的場(chǎng)強(qiáng)振幅與距離 r 成反比，因此，遠(yuǎn)區(qū)中

13、交換部分所占的比重很小，近區(qū)中輻射部分可以忽略。 由此可以看出，在遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)，電場(chǎng)只有分量，磁場(chǎng)只有分量，且電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位相同。此時(shí)，坡印廷矢量的平均值如3-1所示為： （3-1）對(duì)于自由空間而言，媒質(zhì)的波阻抗如3-2所示為： （3-2）3.2 對(duì)稱(chēng)天線的輻射對(duì)稱(chēng)天線是一根中心饋電，長(zhǎng)度可與波長(zhǎng)相比擬的載流導(dǎo)線。其電流分布以中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，因此稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)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?yàn)閮啥碎_(kāi)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(duì)稱(chēng)天線長(zhǎng)度。設(shè)對(duì)稱(chēng)天線的半長(zhǎng)為L(zhǎng)，在直角坐標(biāo)系中沿z軸放置，中點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則電流空間分布函數(shù)

14、可以表示為式3-3所示。 （3-3）式中, Im 為電流駐波的空間最大值或稱(chēng)為波腹電流，位置取決于對(duì)稱(chēng)天線的長(zhǎng)度。常數(shù)。既然對(duì)稱(chēng)天線的電流分布為正弦駐波，對(duì)稱(chēng)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。 因?yàn)榻M成對(duì)稱(chēng)天線的各個(gè)電流元在軸線方向上輻射為零，所以無(wú)論天線的長(zhǎng)度怎么變化，在=0及=的軸線方向上始終沒(méi)有輻射。當(dāng)天線的全長(zhǎng)小于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，方向圖僅有兩個(gè)主葉，且的方向?yàn)橹魃浞较?，因?yàn)樵诖朔较蛏细鱾€(gè)電流元產(chǎn)生的電場(chǎng)方向相同，相位也相等，合成場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)。當(dāng)天線全長(zhǎng)大于全波長(zhǎng)時(shí)，出現(xiàn)副葉。尤其當(dāng)全長(zhǎng)等于兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，即半長(zhǎng)，原來(lái)的主射方向變成零射方向，因?yàn)殡m然在此方向上各個(gè)

15、電流元產(chǎn)生的電場(chǎng)方向相同，但是一半電流元的時(shí)間相位與另一半電流元的時(shí)間相位相反，兩者產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)彼此抵消，導(dǎo)致合成場(chǎng)強(qiáng)為零。3.3 半波偶極子天線性能參數(shù)的理論計(jì)算3.3.1電流分布對(duì)于半波偶極子天線，其長(zhǎng)度。則半波偶極子天線的電流如3-4所示為： （3-4）3.3.2 輻射場(chǎng)已知半波偶極子天線上的電流分布，可以利用疊加原理來(lái)計(jì)算半波偶極子天線的輻射場(chǎng)。半波偶極子天線可以看成是由長(zhǎng)度為dz的電基本振子天線連接而以分貝表示如3-5所示為： （3-5）4 HFSS仿真設(shè)計(jì)4.1HFSS設(shè)計(jì)概述這里將要設(shè)計(jì)的是中心頻率為3GHz的半波偶極子天線，波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系，具體的計(jì)算公式是：波長(zhǎng)（單位

16、：米）=300/頻率（單位：MHz）。由此可知工作波長(zhǎng)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(zhǎng)度按照半波偶極子天線的原理為L(zhǎng)=2，但實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)情況下都要適當(dāng)縮短長(zhǎng)度，目的就是我前面說(shuō)的，實(shí)現(xiàn)諧振使輸入阻抗接近純電阻，經(jīng)仿真經(jīng)驗(yàn)得出，很多時(shí)候都是用其波長(zhǎng)的0.475，當(dāng)然0.48、0.49都可以的，但本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多次仿真，確定值為0.4803時(shí)仿真值最準(zhǔn)確。天線半徑為。本設(shè)計(jì)天線在模型內(nèi)部的饋電面的激勵(lì)方式，因此采用集總端口激勵(lì)方式。端口距離的設(shè)置，實(shí)際上是基于振子間隙的電壓源激勵(lì)模型，理論上是無(wú)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

17、，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)輻射邊界和偶極子天線之間的距離大于時(shí)，回波損耗分析結(jié)果一致，沒(méi)有什么變化。所以，通常情況下，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，輻射邊界距離輻射體應(yīng)不小于個(gè)工作波長(zhǎng)。因此，輻射邊界和天線的距離就設(shè)為。在HFSS上半波偶極子天線的設(shè)計(jì)模型如圖4-1所示。天線沿z軸放置，中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)。圖4-1 半波偶極子天線的HFSS分析模型實(shí)際數(shù)值由圖4-2所示。圖4-2 變量實(shí)際數(shù)值4.2 HFSS仿真設(shè)計(jì)4.2.1新建設(shè)計(jì)工程（1）新建工程文件，把工程文件存為li120.hfss文件。（2）設(shè)置求解類(lèi)型【Solution Type】為“Driven Modal”（模式驅(qū)動(dòng)求解類(lèi)型）。（3）設(shè)置模型長(zhǎng)度

18、單位【Units】為“mm”（毫米），完成設(shè)置。4.2.2添加和定義設(shè)計(jì)變量選擇【Design Properties】，打開(kāi)設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框，打開(kāi)Add Property對(duì)話框，添加變量。在Add Property對(duì)話框中Name文本框中輸入第一個(gè)變量的名稱(chēng)lambda，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(jì)屬性對(duì)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(jì)建模（1）創(chuàng)建偶極子天線模型選擇【Draw】【Cylinder】，在三維模型窗口中創(chuàng)建一個(gè)任意大小的圓柱體，新建的圓柱體會(huì)添加到操作歷史樹(shù)的Solid

19、s節(jié)點(diǎn)下，其默認(rèn)的名稱(chēng)為Cylinder1。設(shè)置Cylinder1的屬性，名稱(chēng)設(shè)置為“Dipole”，材質(zhì)設(shè)置為“pec”，如圖4-3所示。雙擊“CreateCylinder”節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)“Command”選項(xiàng)卡，設(shè)置圓柱體的底面圓心坐標(biāo)、半徑和長(zhǎng)度。如圖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(zhǎng)度值dip_length，最后單擊確定按鈕退出。圖4-3 Attribute選項(xiàng)卡圖4-4 Command選項(xiàng)卡通過(guò)沿著坐標(biāo)軸復(fù)制操作，生成偶極子天線的另一個(gè)

20、臂?！綞dit】【Duplicate】【Around Axis】，將框中Axis選擇X，在Angle輸入180，點(diǎn)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(gè)極子，同時(shí)生成的模型自動(dòng)命名為Dipole_1。（2）設(shè)置端口激勵(lì)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”。在三維模型窗口的yz面上創(chuàng)建一個(gè)任意大小的矩形面。新建的矩形面會(huì)添加到操作歷史樹(shù)的Sheets節(jié)點(diǎn)下，把矩形面的名稱(chēng)設(shè)置為“Port”，如圖4-5所示。設(shè)置矩形面的頂點(diǎn)坐標(biāo)和大小，雙擊操作歷史樹(shù)中的Port下的CreateRectangle節(jié)點(diǎn)，在Command選項(xiàng)卡設(shè)置

21、頂點(diǎn)坐標(biāo)和大小。在Position文本框中輸入頂點(diǎn)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(zhǎng)和寬為2dip_radius和gap,如圖4-6所示。圖4-5 Attribute選項(xiàng)卡圖4-6 Command選項(xiàng)卡這樣就完成激勵(lì)端口的建立，接著設(shè)置激勵(lì)方式。設(shè)置該矩形面的激勵(lì)方式為集總端口激勵(lì)：選中該矩形面，單擊右鍵，選擇【Assign Excitation】【Lumped Port】，打開(kāi)集總端口設(shè)置對(duì)話框。由理論分析計(jì)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(xiàng)，此時(shí)會(huì)進(jìn)入三維

22、模型進(jìn)行端口積分設(shè)置。全屏顯示矩形面Port，在矩形面的下邊緣處移動(dòng)鼠標(biāo)指針，單擊確定下邊緣的中點(diǎn)位置（即積分線的起點(diǎn)），沿z軸向上移動(dòng)鼠標(biāo)指針，單擊確定上邊緣的中點(diǎn)位置（即積分線的終點(diǎn)）。自動(dòng)返回到集總端口設(shè)置對(duì)話框，單擊“下一步”，在對(duì)話框中選中“Do Not Renormalize”，完成設(shè)置。 圖4-7 集總端口設(shè)置對(duì)話框(3)設(shè)置輻射邊界條件創(chuàng)建輻射邊界的圓柱體，并把圓柱體的名稱(chēng)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。 圖4-8 Attribute選項(xiàng)卡圓柱體的圓心坐標(biāo)為（0，0，-rad_height），半徑為rad_radius，

23、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】。將Advanced Options打勾，然后選擇“Radiating Only”。（當(dāng)然，也可把輻射邊界設(shè)置成長(zhǎng)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1/4個(gè)工作波長(zhǎng)即可，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)圓柱體的輻射邊界分析出的數(shù)值誤差較小。） 圖4-9 Command選項(xiàng)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4.5GHz。添加4GHz5GHz的掃頻設(shè)置，掃頻類(lèi)型選擇快速掃頻。求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置

24、：?jiǎn)螕鬉nalysis節(jié)點(diǎn)，選擇【Add Solution Setup】。求解頻率（Solution Frequency）為4.5GHz，最大迭代次數(shù)（Maximum Number of Passes）為20，收斂誤差（Maximum Deltalmum S）為0.02，其他選項(xiàng)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(xiàng)的名稱(chēng)Setup1會(huì)添加到工程樹(shù)Analysis節(jié)點(diǎn)下。掃頻設(shè)置：展開(kāi)Analysis節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊前面添加的求解設(shè)置項(xiàng)Setup1，選擇【Add Frequency Sweep】，打開(kāi)“Edit Sweep”對(duì)話框，設(shè)置掃頻類(lèi)型為“Fast”，設(shè)置頻率設(shè)置類(lèi)型為“

25、LinearStep”，起始頻率（Start）為4GHz，終止頻率（Stop）為5GHz，步進(jìn)頻率（Step Size）為0.001GHz，其他選項(xiàng)都保留默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置完成后，該掃頻設(shè)置項(xiàng)的名稱(chēng)Sweep1會(huì)添加到工程的求解設(shè)置項(xiàng)Setup1節(jié)點(diǎn)下。圖4-10 求解設(shè)置 圖4-10 頻率參數(shù)設(shè)置4.2.5設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算在運(yùn)行仿真計(jì)算之前，通常需要進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查，檢查設(shè)計(jì)的完整性和正確性。選擇【Validation Check】進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查。若打開(kāi)的對(duì)話框中的每一項(xiàng)前面都顯示對(duì)勾，表示當(dāng)前的設(shè)計(jì)正確且完整。右鍵單擊Analysis節(jié)點(diǎn)，選擇【Analyze All】，開(kāi)始運(yùn)行仿真計(jì)算。如圖

26、4-11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(xiàng)性能參數(shù)的仿真分析結(jié)果。 圖4-11 設(shè)計(jì)檢查結(jié)果對(duì)話框 回波損耗S11：右鍵單擊“Results”節(jié)點(diǎn)，選擇【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】,選擇S（1,1），然后單擊Done按鈕，再點(diǎn)擊Add Trace按鈕即可生成如圖4-12所示在4GHz5GHz頻段內(nèi)的回波損耗的分析結(jié)果。 圖4-12 的掃頻分析結(jié)果電壓駐波比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(bào)告設(shè)置對(duì)話框左側(cè)的Solution下拉列

27、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(diǎn)擊Add Trace按鈕即可生成如圖4-13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(kāi)報(bào)告設(shè)置對(duì)話框，在該對(duì)話框左側(cè)的Solution下拉列表中選擇Setup1:Sweep1,在然后單擊Done按鈕，再點(diǎn)擊A

28、dd Trace按鈕即可生成如圖4-14所示的在5GHz6GHz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5GHz時(shí)歸一化阻抗約為1，說(shuō)明天線的端口阻抗匹配良好。VSWR<2的頻率范圍約為4.78GHz5.77GHz。 圖4-13 半波偶極子天線的駐波比分析結(jié)果 圖4-14 半波偶極子天線的的Smith圓圖顯示結(jié)果輸入阻抗：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(lèi)似，選擇【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令, 在該對(duì)話框

29、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(shí)選擇im和re，即是同時(shí)選擇查看輸入阻抗的虛部（電抗部分）和實(shí)部（電阻部分），然后單擊Done按鈕，再點(diǎn)擊Add Trace按鈕即可生成如圖4-15所示的半波偶極子天線的結(jié)果報(bào)告。從結(jié)果報(bào)告中可知，輸入阻抗為（72.8，-j0.4），與前面的理論分析結(jié)果相符。圖4-15 半波偶極子天線的輸入阻抗結(jié)果報(bào)告方向圖：（1）定義輻射表面：右鍵“Radiation”節(jié)點(diǎn)，選擇【Insert Far 

30、;Field Setu【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”（2）查看xz面的增益方向圖：右鍵“Results”節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)擊Add Trace按鈕即可生成如圖4-16所示的xz的增益方向圖。 圖4-16 極子天線xz的增益方向圖（3）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