微波技術與天線實驗利用HFSS仿真對稱振子天線要點

增加對稱振子饋電的理論描述表1對稱振子天線三維體模型名稱形狀頂點(x,y,z)(mm)尺寸(mm)材料arm1圓柱體(0,0,0.5)radius=$r，height=$lPecarm2圓柱體(0,0,-0.5)radius=$r，height=-$lPecairbox長方體(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$rysize=2*$lbd/3+2*$rzsize=2*$lbd/3+2*$lvacuum表2對稱振子天線二維面模型名稱所在面形狀頂點(mm)尺寸(mm)邊界/源feedxz矩形(-$r,0,-0.5)dx=2*$r,dz=1Lumpedport表3變量表變量名變量初始值（mm）變量值（mm）$lbd100$l2525(50,75,100)$r11(2,3,4)1新建工程并命名。打開HFSS，新建工程，點擊工具，將工程保存為dipole。2設置求解類型。點擊HFSS>SolutionType，選擇DrivenTerminal。3設置單位。點擊Modeler>Units，選擇mm。4畫對稱振子的一支臂，形狀為圓柱體，命名為arm1，材料設置為理想導體，半徑設置為變量$r，臂長設置為變量$l。將鼠標指向工具，出現(xiàn)文字“Drawcylinder”，點擊，在畫圖窗口中拖動鼠標畫出一個圓柱。在圖形左側(cè)的窗口出現(xiàn)此工程的所有模型列表（如圖1），“Solids”代表三維圖形，“vacuum”代表圖形內(nèi)部填充材料為真空，“Cylinder1”為圖形的缺省名字，“CreateCylinder”代表圖形是圓柱體。圖1模型列表雙擊Cylinder1，出現(xiàn)圖形屬性窗口“Properties:dipole”，將name項改為arm1。點擊material右邊一欄中的Edit如圖2（a），出現(xiàn)材料庫如圖2（b），按字母順序找到pec，點擊確定將振子臂材料改為pec（如圖2（c））。(a)(b)(c)圖2arm1屬性雙擊模型列表中的arm1下的CreateCylinder，出現(xiàn)arm1命令行窗口“Command”。將其中心位置“CenterPosition”設置為（0,0,0.5）,半徑設為變量$r，$r值為1mm（如圖3（a））；高度設為變量$l，$l值為25mm（如圖3（b）），編輯完的command窗口如圖4，點擊確定結(jié)束編輯。點擊工具，將全部圖形顯示在窗口中（如圖5）。(a)(b)圖3設置arm1尺寸變量窗口圖4arm1命令行圖5arm14建立對稱振子的另外一支臂。利用快捷鍵ctrl+a將arm1選中，利用ctrl+c與ctrl+v復制出arm2。將其中心點設為（0,0，-0.5），高度設為-$l（如圖6）。點擊工具，所有圖形顯示如圖7。圖6arm2命令行圖7對稱振子的兩支臂5畫饋電模型，形狀為zx面上的矩形，命名為feed，設置為lumpedport激勵方式。對稱振子一般通過同軸饋電，可以看做在振子的兩臂之間施加了集總電壓。在用HFSS仿真時，通過一個平面將振子兩臂連接，在此平面上設置激勵源lumpedport實現(xiàn)。將這個激勵源面畫在xz平面，形狀為矩形。選擇，點擊，利用鼠標畫出一個任意的矩形，將其名字改為feed，頂點坐標改為（-$r,0,-0.5），xsize=2*$r，zsize=1（如圖8）。圖8feed命令行通過放大圖形局部，觀察feed圖形（如圖9）。圖9feed圖形選中feed，點擊鼠標右鍵，選擇AssignExcitation>LumpedPort，出現(xiàn)如圖10界面，將arm2設置為參考導體。如果設置界面與圖10不同，在HFSS>SolutionType中選擇DrivenTerminal。注意：激勵源的設置應在所有導體邊界設置完畢之后進行。圖10lumpedport的參考導體設置界面6畫輻射箱，命名為airbox，形狀為長方體，材料為真空，邊界條件為radiation。在HFSS天線仿真中，通過畫一個輻射箱，并在輻射箱的表面設置吸收邊界條件來模擬無界空間，箱體的外部為遠場區(qū)域。輻射箱的材料一般為空氣，其邊界距離天線整體結(jié)構(gòu)為四分之一波長至二分之一波長。在本例中我們采用三分之一波長。點擊，畫出一任意尺寸的長方體，在模型列表中出現(xiàn)box1，雙擊打開attributes窗口中將其名字改為airbox，材料為缺省的vaccum，透明度（transparent）設為1（如圖11），airbox的尺寸如圖12，其中變量$lbd=100mm。畫出的天線及airbox如圖13。選中airbox，點擊鼠標右鍵選擇【AssignBoundary】>Radiation，出現(xiàn)radiationboundary界面，采用缺省值，點擊OK。圖11airbox屬性圖12airbox命令行圖13airbox及天線7設置求解頻率3GHz，掃頻1-5GHz。在【HFSS】>AnalysisSetup>AddSolutionSetup中將頻率設置為3GHz;，AdaptiveSolution下的MaximumNumberof設為6，MaximumdetaS設為0.01（如圖14）。點擊確定。圖14設置單頻點擊【HFSS】>AnalysisSetup>AddFrequencySweep，設置如圖15。圖15掃頻設置8檢查及運行計算點擊檢查無錯后（如圖16），點擊計算。圖16檢查無錯窗口9畫電流分布為了觀察振子上的電流方便，先將airbox從圖形窗口隱藏去。點擊工具，將visibility下的一列airbox的√除掉（如圖17）。圖17隱藏airbox在圖形窗口，通過ctrl間同時選擇arm1與arm2，點擊鼠標右鍵>PlotFields>J>MagJsurf出現(xiàn)CreateFieldPlot界面，采用缺省值，點擊Done，出現(xiàn)振子上的電流分布圖。由于圖形的顏色分布不明顯，通過以下操作實現(xiàn)畫電流幅度的對數(shù)值。在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays>Jsurf，點擊鼠標右鍵，選擇ModifyAttributes，出現(xiàn)Jsurf選項界面，按照圖18選擇log，得到電流分布如圖19。在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays，點擊鼠標右鍵>Animate>OK，可以觀察電流分布隨著時間變化規(guī)律。圖18Jsrurf選項圖19振子上電流幅度分布10畫S參數(shù)曲線在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>Results，點擊鼠標右鍵，選擇CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot（如圖20），出現(xiàn)“Report：dipole”界面，設置如圖21。點擊NewReport，得到的|S11|曲線如圖22，然后點擊close結(jié)束畫圖。圖20Results>CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot圖21畫S參數(shù)設置圖22|S11|曲線11畫阻抗曲線在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>Results，點擊鼠標右鍵，選擇CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，出現(xiàn)報告設置界面“Report：dipole”如圖23（a），點擊NewReport畫出阻抗實部曲線；在Report：dipole界面繼續(xù)按圖23（b）設置，點擊AddTrace，在同一副圖中畫出阻抗虛部曲線；點擊close，顯示阻抗曲線如圖24。(a)阻抗實部(b)阻抗虛部圖23輸出阻抗報告設置界面圖24阻抗曲線觀察圖22與圖24可見，端口阻抗值接近50Ω的頻率點，為反射系數(shù)的最低點，此頻率稱為天線的諧振頻率。一個天線有多個諧振頻率，曲線中出現(xiàn)的諧振點的個數(shù)由掃頻范圍決定。12畫方向圖（1）設置立體角度在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>Radiation，點擊鼠標右鍵，選擇InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere（如圖25），出現(xiàn)遠場輻射球設置界面“FarFieldRadiationSphere”，設置如圖26，點擊確定。圖25InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere圖26遠場輻射球設置界面（2）畫立體方向圖在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>Results，點擊鼠標右鍵選擇CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot（如圖27），出現(xiàn)畫三維遠場方向圖設置界面，按圖28設置，得到增益圖如圖29。圖27CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot圖28畫增益圖設置圖29二分之一波長對稱振子三維增益圖在ProjectManager窗口中，雙擊dipole>HFSSDesign1>Results>3DPolarPlot1>dB(GainTotal)，點擊Families，出現(xiàn)參數(shù)列表（如圖30）。其中頻率Freq為3GHz，對應的波長為100mm，振子單臂長為四分之一波長25mm，此振子為二分之一波長對稱振子。圖30參數(shù)列表（3）畫E面方向圖對稱振子的E面平行于振子軸，按照以下過程給出E面方向圖。在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>Results，點擊鼠標右鍵選擇CreateFarFieldsReport>RadiationPattern，出現(xiàn)畫二維遠場方向圖設置界面，按圖31(a)設置；點擊Families，將Phai設為0deg（如圖31（b）），點擊newreport，得到E面方向圖如圖32，與課本中給出的理論方向圖一致。(a)(b)圖31畫E面方向圖設置圖32二分之一波長對稱振子E面方向圖13掃描變量$r點擊Project>ProjectVariables出現(xiàn)變量設置界面，更改$r的值為2mm（如圖33），點擊確定，點擊工具運行計算；計算完畢，重復上述過程，將變量$r的值設為3mm，運行計算；計算完畢，將變量$r的值設為4mm，運行計算。圖33設置變量$r值計算完畢在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>Results，點擊鼠標右鍵，選擇CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，采用缺省值，畫出|S11|參數(shù)曲線，雙擊曲線在屬性窗口中的Linestyle項修改線型后得到圖34。由圖可見，隨著振子半徑的減小，諧振頻率右移，諧振點的損耗降低，當r=2mm時-10dB帶寬最寬。圖34S參數(shù)隨$r變化曲線13掃描變量$l（1）掃描變量點擊Project>ProjectVariables出現(xiàn)變量設置界面，先將變量$r的值設置為2mm，然后將變量$l的值設置為50mm，點擊確定，運行計算；計算完畢，重復上述過程，將變量$l的值依次設為75mm、100mm，并運行計算。（2）輸出S參數(shù)曲線計算完畢在ProjectManager窗口中，選擇dipole>HFSSDesign1>Results，點擊鼠標右鍵，選擇CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，出現(xiàn)Report:dipole界面，Trace界面采用默認值（如圖35（a）），點擊Report:dipole界面中的Families，將$r值設置為2mm（如圖35（b）），點擊NewReport得到曲線報告，雙擊曲線在屬性窗口中的Linestyle項修改線型以后得到圖36。從圖36可見，隨著振子長度增加諧振頻率降低，當$l=75,100mm時，第一個諧振頻率低于1GHz。(a)(b)圖35Report:dipol