利用HFSS仿真对称振子天线

该天线的设计思路是: 用于野外设台的天线,方便携带,天线合拢以后,最长单节不超过1.5米,共5个单位组件.
天线为两个单元,通过装卸振子的单节改变振子长度,使得天线能分别工作在6M,10M,15M,17M,20M..
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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-$r)
xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+$l+2*$r
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
(-$r,$r,-0.5) dx=2*$r1, dz=1
Lumped port
表3 变量表
变量名 变量初始值（mm ）
变量变化范围（mm ）
步长（mm ）
$lbd 300 $l 25 [25,200] 25 $r
1
[1,5]
1
1 新建工程并命名新建工程并命名。

打开HFSS ，新建工程，点击工具，将工程保存为dipole 。

2 设置求解类型设置求解类型。

点击HFSS>Solution Type ，选择Driven Terminal 。

3 设置单位设置单位。

点击Modeler>Units ，选择mm 。

4 画对称振子对称振子的一的一的一支支臂，形状为圆柱体形状为圆柱体，，命名为 arm1，材料设置为理想导体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“Draw cylinder ”，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2 arm1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“Center Position”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4 arm1命令行
图5 arm1
4 建立建立对称振子对称振子对称振子的的另外一支臂另外一支臂。

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6 arm2命令行
图7 对称振子的两支臂
5 画馈电模型画馈电模型，，形状为zx 面上的面上的矩形矩形矩形，，命名为feed ，设置为lumped port 激励方式激励方式。

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lumped port 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8 feed 命令行
通过
放大图形局部，观察feed 图形（如图9）。

图9 feed 图形
选中feed ，点击鼠标右键，选择【Assign Excitation 】>Lumped Port ，出现如图10界面，将arm2设置为参考导体。

注意注意：：激励源的设置应激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后在所有导体边界设置完毕之后在所有导体边界设置完毕之后进行进行进行。

图10 lumped port 的参考导体设置界面
6 画辐射箱辐射箱，，命名为airbox ，形状为长方体形状为长方体，，材料为材料为真空真空真空，，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。

图11 airbox属性
图12 airbox命令行
选中airbox，点击鼠标右键选择【Assign Boundary】>Radiation，出现radiation boundary 界面，采用缺省值，点击OK。

7 设置求解频率1GHz，扫频0.5-1.5GHz。

在【HFSS】>Analysis Setup>Add Solution Setup中将频率设置为3GHz;，AdaptiveSolution 下的Maximum Number of设为6，Maximum deta S设为0.01（如图13）。

点击确定。

图13 设置单频
点击【HFSS】>Analysis Setup>Add Frequency Sweep,设置如图14。

图14 设置扫频8 检查及运行计算
点击检查无错后（如图15），点击计算。

图15 检查无错窗口
8画阻抗曲线
在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Creat Modal Solution Data Report>Rectangular Plot（如图16），出现报告设置界面“Report：dipole”如图17（a），点击New Report画出阻抗实部曲线；在Report：dipole界面继续按图17（b）设置，点击Add Trace，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18。

图16 Results>Creat Modal Solution Data Report>Rectangular Plot
(a) 阻抗实部
(b) 阻抗虚部
图17 输出阻抗报告设置界面
图19阻抗曲线
9 画S参数曲线
在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Creat Modal Solution Data Report>Rectangular Plot，出现“Report：dipole”界面，设置如图20。

点击New Report，得到的S11曲线如图21，然后点击close结束画图。

观察图21与图19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。

图20 画S参数设置
图21 |S11|曲线
10 画方向图
（1）设置立体角度
在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Radiation，点击鼠标右键，选择Inser Farm Field Setup>Infinite Sphere，出现远场辐射球设置界面，采用缺省值如图？，点击确定。

远场辐射球设置界面
（2）画立体方向图
在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择Create Far Fields Report>3D Polar Plot，出现画三维远场方向图设置界面，按图？设置，得到增益图如图？。

Create Far Fields Report>3D Polar Plot
画增益图设置
二分之一波长对称振子三维增益图
在Project Manager窗口中，双击dipole>HFSSDesign1>Results> 3D Polar Plot 1>dB (GainTotal)，点击Families，出现天线的参数列表。

频率Freq为3GHz，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偶极子。

（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Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键选择Create Far Fields Report>Radiation Pattern，出现画二维远场方向图设置界面，按图？(a)设置；点击(a)图中的Families，将Phai设为0deg（如图？（b）），点击new report（如图？），得到E面方向图，此方向图画出的是天线总增益的绝对值，与课本中给出的理论方向图一致。

(a)
(b)
设置E面（theta=90）
E面方向图
11 更改变量$r值
在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Optimetrics，点击鼠标右键选择Add>Radiation Pattern>Parametric，出现Setup Sweep Analysis界面（如图1），点击Add，出现Add/Edit Sweep界面，对于变量$r的设置如图2左下角，点击Add>>，形成图2右侧内容，点击OK，回到Setup Sweep Analysis界面；点击Add键增加变量$l的变化，再次进入Add/Edit Sweep界面，进行设置如图3，点击OK再次回到Setup Sweep Analysis界面，点击确定关闭Setup Sweep Analysis界面。

图1 Setup Sweep Analysis界面
图2 变量$r的变化范围
图3 变量$l的变化范围
点击，运行计算。

计算完成后，在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Creat Modal Solution Data Report>Rectangular Plot，进入Report：dipole界面，点击Families进行设置如图1。

点击New Report，得到图2。

图1 设置变量值$l=25mm的Report界面
在Report：dipole>Families界面设置如图3，点击New Report，得到图4.
图3设置变量值$r=1mm的Report界面
图42 $r=1mm，S参数随$l变化曲线。