微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线要点.docx
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微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线要点
增加对称振子馈电的理论描述
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=$r，height=$l
Pec
arm2
圆柱体
（0,0,-0.5）
radius=$r，height=-$l
Pec
airbox
长方体
（-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l）
xsize=2*$lbd/3+2*$r
ysize=2*$lbd/3+2*$r
zsize=2*$lbd/3+2*$l
vacuum
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
feed
xz
矩形
（-$r,0,-0.5）
dx=2*$r,dz=1
Lumpedport
表3变量表
变量名
变量初始值（mm）
变量值（mm）
$lbd
100
$l
25
25（50,75,100）
$r
1
1（2,3,4）
1新建工程并命名。
打开HFSS，新建工程，点击工具
，将工程保存为dipole。
2设置求解类型。
点击HFSS>SolutionType，选择DrivenTerminal。
3设置单位。
点击Modeler>Units，选择mm。
4画对称振子的一支臂，形状为圆柱体，命名为arm1，材料设置为理想导体，半径设置为变量$r，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，$l值为25mm（如图3（b）），编辑完的command窗口如图4，点击确定结束编辑。
点击工具
，将全部图形显示在窗口中（如图5）。
（a）
（b）
图3设置arm1尺寸变量窗口
图4arm1命令行
图5arm1
4建立对称振子的另外一支臂。
利用快捷键ctrl+a将arm1选中，利用ctrl+c与ctrl+v复制出arm2。
将其中心点设为（0,0，-0.5），高度设为-$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，形状为zx面上的矩形，命名为feed，设置为lumpedport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。
如果设置界面与图10不同，在HFSS>SolutionType中选择DrivenTerminal。
注意：
激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后进行。
图10lumpedport的参考导体设置界面
6画辐射箱，命名为airbox，形状为长方体，材料为真空，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，其中变量$lbd=100mm。
画出的天线及airbox如图13。
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。
图11airbox属性
图12airbox命令行
图13airbox及天线
7设置求解频率3GHz，扫频1-5GHz。
在【HFSS】>AnalysisSetup>AddSolutionSetup中将频率设置为3GHz;，AdaptiveSolution下的MaximumNumberof设为6，MaximumdetaS设为0.01（如图14）。
点击确定。
图14设置单频
点击【HFSS】>AnalysisSetup>AddFrequencySweep，设置如图15。
图15扫频设置
8检查及运行计算
点击
检查无错后（如图16），点击
计算。
图16检查无错窗口
9画电流分布
为了观察振子上的电流方便，先将airbox从图形窗口隐藏去。
点击工具
，将visibility下的一列airbox的√除掉（如图17）。
图17隐藏airbox
在图形窗口，通过ctrl间同时选择arm1与arm2，点击鼠标右键>PlotFields>J>MagJsurf出现CreateFieldPlot界面，采用缺省值，点击Done，出现振子上的电流分布图。
由于图形的颜色分布不明显，通过以下操作实现画电流幅度的对数值。
在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays>Jsurf，点击鼠标右键，选择ModifyAttributes，出现Jsurf选项界面，按照图18选择log，得到电流分布如图19。
在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays，点击鼠标右键>Animate>OK，可以观察电流分布随着时间变化规律。
图18Jsrurf选项
图19振子上电流幅度分布
10画S参数曲线
在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot（如图20），出现“Report：
dipole”界面，设置如图21。
点击NewReport，得到的|S11|曲线如图22，然后点击close结束画图。
图20Results>CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot
图21画S参数设置
图22|S11|曲线
11画阻抗曲线
在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，出现报告设置界面“Report：
dipole”如图23（a），点击NewReport画出阻抗实部曲线；在Report：
dipole界面继续按图23（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24。
（a）阻抗实部
（b）阻抗虚部
图23输出阻抗报告设置界面
图24阻抗曲线
观察图22与图24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。
12画方向图
（1）设置立体角度
在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Radiation，点击鼠标右键，选择InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere（如图25），出现远场辐射球设置界面“FarFieldRadiationSphere”，设置如图26，点击确定。
图25InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere
图26远场辐射球设置界面
（2）画立体方向图
在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot（如图27），出现画三维远场方向图设置界面，按图28设置，得到增益图如图29。
图27CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot
图28画增益图设置
图29二分之一波长对称振子三维增益图
在ProjectManager窗口中，双击dipole>HFSSDesign1>Results>3DPolarPlot1>dB（GainTotal），点击Families，出现参数列表（如图30）。
其中频率Freq为3GHz，对应的波长为100mm，振子单臂长为四分之一波长25mm，此振子为二分之一波长对称振子。
图30参数列表
（3）画E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dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>RadiationPattern，出现画二维远场方向图设置界面，按图31（a）设置；点击Families，将Phai设为0deg（如图31（b）），点击newreport，得到E面方向图如图32，与课本中给出的理论方向图一致。
（a）
（b）
图31画E面方向图设置
图32二分之一波长对称振子E面方向图
13扫描变量$r
点击Project>ProjectVariables出现变量设置界面，更改$r的值为2mm（如图33），点击确定，点击工具
运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量$r的值设为3mm，运行计算；计算完毕，将变量$r的值设为4mm，运行计算。
图33设置变量$r值
计算完毕在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，采用缺省值，画出|S11|参数曲线，双击曲线在属性窗口中的Linestyle项修改线型后得到图34。
由图可见，随着振子半径的减小，谐振频率右移，谐振点的损耗降低，当r=2mm时-10dB带宽最宽。
图34S参数随$r变化曲线
13扫描变量$l
（1）扫描变量
点击Project>ProjectVariables出现变量设置界面，先将变量$r的值设置为2mm，然后将变量$l的值设置为50mm，点击确定，运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量$l的值依次设为75mm、100mm，并运行计算。
（2）输出S参数曲线
计算完毕在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot，出现Report:
dipole界面，Trace界面采用默认值（如图35（a）），点击Report:
dipole界面中的Families，将$r值设置为2mm（如图35（b）），点击NewReport得到曲线报告，双击曲线在属性窗口中的Linestyle项修改线型以后得到图36。
从图36可见，随着振子长度增加谐振频率降低，当$l=75,100mm时，第一个谐振频率低于1GHz。
（a）
（b）
图35Report:
dipole界面
图36$r=2mm，S参数随$l变化曲线
（3）输出E面方向图
在ProjectManager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择CreateFarFieldReport>RadiationPattern，进入Report：
dipole界面设置如图37（a），点击Report：
dipole界面中的Families进行设置如图37（b）。
点击NewReport，得到随着振子染毒变化的E面方向图，与理论方向图一致。
（a）
（b）
图37设置变量输出方向图
图39扫描变量$l得到的方向图
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