实验三_半波偶极子

实验三 半波偶极子

一、【实验目的】

1. 以一个简单的半波偶极子天线设计为例，熟悉HFSS 软件分析和设计天线的基本方法及具体操作；

2. 利用HFSS 软件仿真设计了解半波振子天线的结构和工作原理；

3. 通过仿真设计掌握天线的重要指标：回波损耗S11、3D 方向图

二、【实验仪器】

计算机一台、HFSS 软件

三、【实验内容】

1、对半波偶极子进行HFSS 建模

2、仿真计算其特性参数

四、【实验原理】

半波偶极子是工程中常用的一种经典天线，其全长为半个波长。

五、【实验步骤】

本次实验设计一个中心频率为915 MHz 的半波偶极子天线。根据f c /=λ可以计算出915MHz 在真空中对应的波长是328mm ，所以真空中放置的半波偶极子天线的长度为半个波长即164mm 。故天线的初始尺寸设置如下图所示，两侧82mm 长的矩形条为半波偶极子的两个臂，中间3mm*3mm 的矩形面用于模拟RFID 芯片。

1、初始步骤

（1）打开HFSS ，新建一个项目，将project 重命名为较规则的名字，如dipole 。

（2）设置求解类型：点击菜单栏HFSS/SolutionType ，在跳出窗口中选择Driven Modal ，再点击OK 按钮。

（3）为建立的模型设置单位：点击菜单栏3D Modeler/Units，在跳出窗口中选择mm，再点击OK按钮。

2、设计建模

1）创建偶极子天线模型

首先创建一个沿Y轴方向放置的矩形条作为偶极子天线的一个臂，矩形条线宽为3mm，长度为82mm。并将其改为铜黄色。

画好后，使用（视图旋转功能）、（放缩到合适大小）和（拖曳放缩）等功能按钮，将矩形面调整到合适的视图。

然后选中刚才画好的上臂，并利用（绕着坐标轴复制）操作生成偶极子天线的另一个臂。

由于天线是金属材质，需将矩形条设置为理想导体，选中两个矩形条，右键→assign boundary→Perfect E。

2）、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XY平面的矩形面作为激励端口平面，并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，长度和宽度均为3mm。

然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励：选中刚刚绘制好的矩形面，右键→assign e xcitation→lumped port，端口阻抗设置为50欧姆。单击None，在其下拉菜单中选择new line，进入设置积分线的状态，分别在矩形面的上下边缘的中点位置（鼠标在边缘移动至中点时会变成三角形）单击鼠标确定积分线的起点和终点。设置好积分线后自动回到“端口设置”对话框，此时None变成Defined。

随后进行端口积分线的设置。此处积分线为矩形下边缘中点到矩形上边缘中点。

3）、设置辐射边界条件

要在仿真软件中计算分析天线的辐射场，必须先设置辐射边界条件。本次设计中采用辐射边界和天线的距离为1/4个工作波长。

这里，我们创建一个长方体，X方向长度为2*82mm，Y方向长度为2*100mm，Z 方向长度为2*82mm。并让其关于原点中心对称。

为了不让空气盒子遮蔽其中的天线，将空气盒子设置为0.9的透明度，并将其材质为设置为air（空气）。

然后将长方体表面设置为辐射边界条件：选中刚刚绘制好的长方体，右键→assign boundary→Radiation。

3、求解设置

1）求解频率和网络剖分设置

分析的半波偶极子天线的中心频率在915MHz左右，所以设置求解频率为915MHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。

2）扫频设置

右键Setup1→Add Sweep，扫频类型Sweep Type选择快速扫频fast，扫频范围为800~1200MHz，扫频步进为1MHz。

4、设计检查和运行仿真计算

点击按钮进行检测，检测通过后点击进行仿真。仿真结束后，按照以下的步骤5、6输出实验结果。

5、输出回波损耗S11曲线

在Project工作区中选中Result项，右键→create report，report type为Modal Solution Data，display type为rectangular plot. 在跳出的窗口中，选择category为S parameter，function选择dB，点击add trace，最后点击done。即可看到回波损耗S11的曲线。

（1）将S11曲线的截图粘贴在以下空白处。

（2）从图上读出的S11曲线中心频率并不恰好落在915MHz，请修改天线尺寸（75），使S11中心频率达到915MHz，并将此时的S11曲线截图粘贴在以下空白处

6、输出3D方向图

在Project工作区中选中Radiation项→右键→insert far field setup→infinite sphere

在跳出的窗口中，设置Phi：（Start：0，Stop：360，StepSize：2），Theta：（Start：-180，Stop：180，StepSize：2）

在Project工作区中选中Result项，右键→create report，report type为far field，display type为3D polar plot。在跳出的窗口中，选择category为Gain，Quantity为GainTotal，function 为none，点击add trace，最后点击done。即可看到天线的3D方向图。将function由none 改为dB，即可看到以dB为单位的增益3D方向图。将其截图粘贴在以下空白处。