半波偶极子天线的HFSS仿真设计

天线原理与设计华中科技大学
半波偶极子天线的HFSS仿真设计
一、实验目的
1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法；
2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法；
3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图
特性等；
4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法；
二、实验仪器
1、装有windows系统的PC一台
2、HFSS13.0软件
3、截图软件
三、实验原理
1、首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。

图1 对称振子对称结构及坐标
2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。

一臂的导线半径为a，长度为l。

两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。

对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。

3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。

取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为：
式中，Im为天线上波腹点的电流；k=w/c为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心点对称；超过半波长就会出现反相电流。

4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。

利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。

图2 对称振子辐射场的计算
如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为
其中
5、方向函数
四、实验步骤
1、设计变量
设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。

提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化
2、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。

其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。

3、设置端口激励
半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。

4、设置辐射边界条件
要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。

这里创建一个沿Z轴放置的圆柱模型，材质为空气。

把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。

5、外加激励求解设置
分析的半波偶极子天线的中心频率在3G Hz，同时添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。

6、设计检查和运行仿真计算
7、HFSS天线问题的数据后处理
具体在实验结果中阐释。

五、实验结果
1、回波损耗S11
回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是天线设计需要关注的参数之一。

图中所示是在2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3 G Hz，S11<-10dBd的相对带宽BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%
2、电压驻波比
驻波比,一般指的就是电压驻波比,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由图可以看到在3GHZ附近时，电压驻波比等于1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。

3、smith圆图
史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。

采用双线性变换，将z复平面上实部r=常数和虚部x＝常数的两族正交直线变化为正交圆并与反射系数|G|=常数和虚部x＝常数套印而成。

从smith圆图可以看到，在中心频率3GHz时的归一化阻抗约为1，说明端口的阻抗特性匹配良好。

4、输入阻抗
传输线等电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。

实质上是个等效阻抗。

只有确定了输入
阻抗，才能进行阻抗匹配。

图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率3GHz时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配。

5、方向图
方向图是方向性函数的图形表示，可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化
关系。

辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。

通常讨论在远场半径为常数的大球面
上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率
方向图和场强方向图。

天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。

电场方向图：
由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。

但沿着Z轴方向电场强度很弱。

磁场方向图：
磁场方向图在XOY平面上接近一个圆，虽然看上去有些误差。

说明磁场在XOY平面上辐射较为均匀。

三维增益方向图：
这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着Z轴对称辐射的情况。

6、其他参数
利用HFSS软件仿真还可以得到天线在该辐射表面上得最大辐射强度、方向性系数、最大强度及其所在方向等参数。

六、实验分析
设计一个天线，无论是作为发射天线还是接收天线，我们都很关心其方向参数、输入阻抗参数、增益参数、频带宽度等参数。

这里也主要就上述几个参数来讨论半波偶极子天线的优缺点。

1、半波偶极子天线在轴向无辐射；
2、半波偶极子天线的辐射与其电长度密切相关。

当电长度小于0.5时，波瓣宽度最窄，在
垂直与轴向的平面内辐射最强，随着电长度的增加，开始出现副瓣，主瓣宽度变宽，最大辐射方向发生偏移；
3、半波偶极子天线的输入阻抗受频率影响很剧烈，说明宽频带时其较难实现负载匹配，所
以相对应的频带宽度也较窄；
4、在谐振频率附近时，我们从图中可以看到，天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗，实
现匹配较易，而且在中心频率附近，电波的传输特性也最好，从而可以实现较大效率的功率传输；
5、通过对实验得到结果的分析，不难发现，半波偶极子天线的诸多特性与电长度关系很大，
所以可以通过调整天线的电长度来实现不同功能和要求的半波偶极子天线应用；
6、最后还要补充一点：半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。

七、实验总结（略）。