半波偶极子天线设计.docx

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半波偶极子天线设计

摘要

近年来,Radiofrequencyidentification（RFID）技术飞速发展并逐渐成为自动物体识别应用中的主要技术[1].现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等[2].这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线，即是对称振子天线，最常用的是半波振子，偶极子天线是研究天线的基础，具有很多特性，比如辐射特性阻抗特性，波长缩短效应，谐振特性等，它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源[3-4].所以深入了解半波偶极子天线的设计理论与优化技术是非常重要的.传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵.本设计采用现代计算机为基础，使用HighFrequencyStructureSimulator（HFSS）三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间和精力，设计出符合要求的天线.

论文从课题研究的背景和目的出发，介绍了半波偶极子天线的基本知识、设计原理.随后从设计和实现角度出发，针对半波偶极子天线提出了优化设计方案，并加以仿真并验证.最后依照仿真数据进行实物设计制作并验证其性能.

关键词：

3GHz；天线；HFSS10；偶极子天线

ABSTRACT

Inrecentyears,Radiofrequencyidentification（RFID）technologyandtherapiddevelopmentofautomaticobjectrecognitionhasbecomethemaintechnologyapplications.TodaytherearemanytypesofRFIDantennas,suchasdipoleantennas,fractalantennas[1],microstrippatchantennaandannulargrooveantenna[2].RFIDtechnologyherefocusesonthehalf-wavedipoleantenna,dipoleantennathatismostcommonlyusedisthehalf-wavedipole,dipoleantennaoftheantennabase,hasmanyfeatures,suchasradiationcharacteristicimpedance,thewavelengthreductioneffect,resonancecharacteristics,etc.itcanbeusedaloneasasimpleantenna,butalsoasaunitorantennaarrayantennafeedsurface[3-4].Therefore,in-depthunderstandingofahalf-wavedipoleantennadesigntheoryandoptimizationtechnologyisveryimportant.Traditionalantennadesignapproachisananalysisbythedesigneraccordingtotheantennatheoryandtheirownexperiencethroughtheprogrammingofnumericalcalculationmethodtodeterminetheparametersoftheantenna,sodonotspendalotoftimeandeffort,andexpensive.Thisdesignusesmoderncomputer-based,usingHighFrequencyStructureSimulator（HFSS）three-dimensionalelectromagneticsimulationsoftwarehalf-wavedipoleantennadesignandsimulation,optimizationanalysismethodcansavetimeandeffort,designedtomeettherequirementsoftheantenna.

Papersfromthebackgroundandpurposeoftheresearch,thispaperintroducesahalf-wavedipoleantennabasicsdesignprinciples.Thenfromthedesignandimplementationpointofview,forthehalf-wavedipoleantennaproposedoptimaldesign,andmakethesimulationandverification.Finallysimulationdatainaccordancewiththephysicaldesignandverifyitsperformance.

KeyWords：

3GHz;antenna;HFSS10;dipoleantenna

1绪论

1.1课题研究的背景

Radiofrequencyidentification（RFID）技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术,近年来,RFID技术飞速发展并逐渐成为自动物体识别应用中的主要技术[1].现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等[2].这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线.

由于它结构简单,广泛应用于通信、雷达和探测等各种无线电设备中,适用于短波、超短波,甚至微波.它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源[3-4].由于半波偶极子是基本的天线,很多天线都是在半波振子的基础上设计的.

1.2课题研究的意义

传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵.近年来，无线通信发展迅速，作为系统发射和接收电磁波的重要前段器件——天线，其性能对整个系统的通信质量至关重要.而半波偶极子天线这种基础天线在未来需求量巨大，便宜高质量基础天线将会是各生产厂家喜爱的产品.制作简单，成功率高，性能优越的基础天线也将会受到需求者的青睐.如果能采用现代计算机为基础，使用三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间、精力以及费用，设计出符合要求的半波偶极子天线.

1.3本次课题的主要工作

本次课题的主要工作是使用HFSS三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析，设计出符合要求的天线.最后依照仿真数据进行实物设计制作并验证其性能.

2概述

2.1半波偶极子天线简述

半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线，也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一.如图2-1所示，半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为1/4个工作波长.[5]但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度，目的就是实现谐振使输入阻抗接近纯电阻，很多时候都是用工作波长的0.48.导线的直径远小于工作波长，天线的激励是等幅反向的电压信号，加在天线中间的两个相邻端点上，且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长，可以忽略不计.

图2-1半波偶极子天线

2.2AnsoftHFSS10仿真软件简介

本设计主要采用AnsoftHFSS10三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析，下面介绍下HFSS这个软件.HFSS是利用我们所熟悉的windows图形用户界面的一款高性能的全波电磁场（EM）段任意3D无源器件的模拟仿真软件.它易于学习，有仿真，可视化，立体建模，自动控制的功能，使你的3DEM问题能快速而准确地求解.AnsoftHFSS使用有限元法（FEM），自适应网格划分和高性能的图形界面，能让你在研究所有三维EM问题时得心应手.AnsoftHFSS能用于诸如S-参数，谐振频率和场等的参数计算.

HFSS是基于四面体网格元的交互式仿真系统.这使你能解决任意的3D几何问题，尤其是那些有复杂曲线和曲面的问题，当然在局部会利用其他技术.

HFSS是高频结构仿真器（HighFrequencyStructureSimulator）的缩写.Ansoft公司最早在电磁仿真中使用如切线矢量有限元，自适应网格，和ALPS等有限元法解决EM仿真问题.AnsoftHFSS是高生产力研究，发展和虚拟的工具之一.

2.3AnsoftHFSS10仿真软件设计流程概述

本设计使用HFSSv10软件对半波偶极子天线进行仿真设计，设计流程如图2-2所示，设计流程中的各个步骤的功能分述如下.

设置求解类型.使用HFSS进行天线设计时，可以选择模式驱动（drivenmodal）求解类型或者终端驱动（driventerminal）求解类型.

图2-2HFSS天线设计流程

创建天线的结构模型.根据天线的初始尺寸和结构，在HFSS模型窗口中创建出天线的HFSS参数化设计模型.

设置边界条件.在半波偶极子天线的设计中，我使用辐射边界条件，为了模拟出无限大的自由空间.

设置激励方式.无线必须通过传输线或者波导传输信号，天线与传输线或者波导的连接处即为馈电面或者称为激励端口.半波偶极子天线的设计中，由于在模型内部馈电面的激励方式使用集总端口激励（LumpedPort）.

设置求解参数，包括设定求解频率和扫频参数，其中，求解频率通常设定为天线的中心工作频率.波长和频率的关系是倒数关系，具体的计算公式是：

波长（单位：

米）=300/频率（单位：

MHz）.

运行求解分析.上述操作完成后，整个仿真计算由HFSS软件自动完成.分析完成后，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求.

查看求解结果.求解分析完成后，子数据后处理部分可以查看HFSS分析出的天线各项性能参数，如回波损耗、电压驻波比VSWR、输入阻抗、天线方向图、电流分布等.如果仿真计算的天线性能满足设计要求，接下来可以着手天线的制作和调试工作[6].

2.4本设计的方案思路

本设计采用文献研究、软件仿真、实物分析三种方法：

1文献研究：

对早进入阶段收集的与毕业设计有关的书籍、相关知识、参考资料进行系统的学习和阅读.归纳整理与天线设计的相关理论，重点整理前人关于半波偶极子天线设计的研究.

2软件仿真：

学习HFSSv10软件，使用HFSSv10软件对半波偶极子天线进行设计仿真，查看求解结果，使用Optimetrics优化设计，使其满足天线设计要求.

3实物分析：

按照软件仿真的天线模型的尺寸大小制作天线，并调试.

2.5主要技术指标

2.5.1天线的输入阻抗

天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值.天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端功率反射为零，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较稳定，性能较好[12].天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗