半波偶极子天线的HFSS

半波偶极子天线的ＨＦＳＳ仿真设计

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一、实验目的：

1.以一个简单的半波偶极子天线设计为例，加深对对称阵子天线的了解；

2.熟悉HFSS软件分析和设计天线的基本方法及具体操作；

3.利用HFSS软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理；

4.通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。

二、实验步骤：

本次实验设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4。

１、添加和定义设计变量

参考指导书，在Add Property对话框中定义和添加如下变量：

２、设计建模

１）、创建偶极子天线模型

首先创建一个沿Z轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为（0，0，gap/2），半径为dip_radius，长度为dip_length，材质为理想导体，模型命名为Dipole，如下：

然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。此时就创建出了偶极子的模型如下：

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YZ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，因此顶点坐标为（0，-dip_radius，-gap/2），长度和宽度分别为2*dip_radius和gap。如下：

然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励。由之前的理论分析可得，半波偶极子天线的输入阻抗为73.2Ω，为了达到良好的阻抗匹配，将负载阻抗也设置为73.2 Ω。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，我们先创建一个沿着Z轴放置的圆

柱体模型，其材质为空气，底面圆心坐标为（0,0，-rad_height）,半径为rad_radius，高度为2*rad_height。具体参数如下：

然后将圆柱体表面设置为辐射边界条件：

３、求解设置

分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz左右，所以把求解频率设置为3GHz。同时添加2.5~3.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频，分析天线在2.5~3.5GHz频段内的回波损耗和电压驻波比。

1）、求解频率和网络剖分设置

设置求解频率为3GHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。如下：

2）、扫频设置

扫频类型选择快速扫频，扫频范围为2.5~3.5GHz，扫频步进为0.001GHz。如下：

４、设计检查和运行仿真计算

通过前面的操作，我已经基本完成了偶极子天线模型的创建求解设置等ＨＦＳＳ设计的前期工作，现在开始运行仿真计算并查看分析结果。检查设计的完整性和正确性：

随后开始分析。

５、ＨＦＳＳ天线问题的数据后处理

在完成了模型的创建和检查后，现在开始对天线的各项性能参数进行仿真分析，主要有回波损耗、驻波比、Ｓｍｉｔｈ圆图、输入阻抗和方向图等。

１）、回波损耗

根据软件仿真结果，可以得到如下的在2.5~3.5GHz频段内的回波损耗S11的分析结果：

从结果可以看出，设计的偶极子天线中心频率为3GHz左右，S11 <-10dB的相对带宽为BW=（3.24-2.789）/3=15.3%.

2）、电压驻波比VSWR

如图所示：

3）、Smith圆图

在天线的相关问题的分析中Smith圆图是一个非常有用的工具，借助它可以方便的进行阻抗匹配，给出驻波比，归一化输入阻抗等各种信息。在HFSS中得到的Smith圆图如下：

从Smith圆图中可以看出，在中心频率为3GHz的归一化阻抗约为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。VSWR<2（即反射系数的模小于三分之一）的频率范围约为2.78GHz~3.27GHz。

4）、输入阻抗

输入阻抗是天线的一个重要性能参数，我们可以通过HFSS直接查看天线的输入阻抗值。

从结果报告中可以看出，设计的半波偶极子天线在中心频率3GHz上，输入阻抗为（72.8-j0.4）Ω，与理论分析比较接近。

5）、方向图

天线方向图是方向性函数的图形表示，它可以形象的描述天线的辐射特性随着空间方向坐标的变化。首先定义辐射表面如下：

E面方向图参数设置：

随后可以查看xz，xy和三围增益方向图。

xz增益方向图xy增益方向图

3D增益方向

6）、其他参数

除了上述参数外，HFSS还可以给出天线在辐射面上的最大辐射强度、方向性系数、最大场强及其所在方向等参数。如下：