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.doc

课程设计说明书目录引言11概述21.1 Ansoft HFSS 10仿真软件简介21.2 半波偶极子天线简述22 主要技术指标3 2.1天线的输入阻抗32.2天线的极化方式3 2.3天线的增益33理论分析53.1电基本振子的辐射场53.2 对称天线的辐射63.3 半波偶极子天线性能参数的理论计算63.3.1电流分布63.3.2 辐射场64 HFSS仿真设计74.1HFSS设计概述74.2 HFSS仿真设计84.2.1新建设计工程84.2.2添加和定义设计变量84.2.3设计建模84.2.4求解设置124.2.5设计检查和运行仿真计算13结论18参考文献19引言Radio frequency identification(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。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。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。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。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。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。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。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。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High Frequency Structure Simulator（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。1概述1.1 Ansoft HFSS 10仿真软件简介本设计主要采用Ansoft HFSS 10三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3D EM问题能快速而准确地求解。Ansoft HFSS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。Ansoft HFSS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（High Frequency Structure Simulator）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。 Ansoft HFSS是高生产力研究，发展和虚拟的工具之一。1.2 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。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。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。 2 主要技术指标2.1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。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。在射频微波频段，馈线通常使用50标准阻抗。所以在设计天线时，需要尽可能地把天线的输入阻抗设计在50，在工作频带内保证尽可能小得驻波比。天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频率和周围环境的影响。工程中通常采用近似计算或者用实验方法测量。匹配的好坏一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪种并没有明文规定，看个人的习惯来决定。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。本设计中也将主要使用驻波比和回波损耗，下面将介绍驻波比和回波损耗 。驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。 回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0do的到无穷大之间，回波损耗与匹配成反比，即回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越小表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。2.2天线的极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。2.3天线的增益 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是衡量天线性能好坏的重要的参数之一。 一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。3理论分析3.1电基本振子的辐射场电基本振子又称电流元或者电偶极子，这是一种最简单的天线。用这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础。 电流元得远区场具有以下特点：（1）传播方向为 r ，电场及磁场均与r 垂直，远区场为TEM波，电场与磁场的关系为。 （2）电场与磁场同相，复能流密度仅有实部，能量不断向外辐射，所以远区场 又称为辐射场。 （3）远区场强振幅与距离 r 一次方成反比，这种衰减不是介质的损耗引起的，而是球面波的自然扩散。 （4）远区场强振幅还与观察点所处的方位有关，这种特性称为天线的方向性。与方位角q 及f 有关的函数称为方向性因子，以 f (q, f ) 表示。z 方向电流元具有轴对称特点，场强与方位角f 无关，即。z 向电流元在 的轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的=90方向上辐射最强。 （5）电场及磁场的方向与时间无关，远区场为线极化。当然，在不同的方向上极化方向不同。除了上述线极化特性外，其余四种特性是一切尺寸有限的天线远区场的共性，即一切有限尺寸的天线，其远区场为TEM波，是一种辐射场，其场强振幅不仅与距离成反比，同时也与方向有关。天线的极化特性和天线的类型有关。接收天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致，称为极化匹配。远区场中也有电磁能量的交换部分。但是由于交换部分的场强振幅至少与距离r2 成反比，而辐射部分的场强振幅与距离 r 成反比，因此，远区中交换部分所占的比重很小，近区中辐射部分可以忽略。 由此可以看出，在远区内，电场只有分量，磁场只有分量，且电场和磁场的相位相同。此时，坡印廷矢量的平均值如3-1所示为： （3-1）对于自由空间而言，媒质的波阻抗如3-2所示为： （3-2）3.2 对称天线的辐射对称天线是一根中心馈电，长度可与波长相比拟的载流导线。其电流分布以中点为对称，因此称为对称天线。若导线直径 d l，电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性。因为两端开路，电流为零，形成电流驻波的波节，电流驻波的波腹位置取决于对称天线长度。设对称天线的半长为L，在直角坐标系中沿z轴放置，中点位于坐标原点，则电流空间分布函数可以表示为式3-3所示。 （3-3）式中, Im 为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流，位置取决于对称天线的长度。常数。既然对称天线的电流分布为正弦驻波，对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的。 因为组成对称天线的各个电流元在轴线方向上辐射为零，所以无论天线的长度怎么变化，在=0及=的轴线方向上始终没有辐射。当天线的全长小于一个波长时，方向图仅有两个主叶，且的方向为主射方向，因为在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，相位也相等，合成场强最强。当天线全长大于全波长时，出现副叶。尤其当全长等于两个波长时，即半长，原来的主射方向变成零射方向，因为虽然在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，但是一半电流元的时间相位与另一半电流元的时间相位相反，两者产生的场强彼此抵消，导致合成场强为零。3.3 半波偶极子天线性能参数的理论计算3.3.1电流分布对于半波偶极子天线，其长度。则半波偶极子天线的电流如3-4所示为： （3-4）3.3.2 辐射场已知半波偶极子天线上的电流分布，可以利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。半波偶极子天线可以看成是由长度为dz的电基本振子天线连接而以分贝表示如3-5所示为： （3-5）4 HFSS仿真设计4.1HFSS设计概述这里将要设计的是中心频率为3GHz的半波偶极子天线，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）。由此可知工作波长应设为100mm。天线的材质使用理想导体（pec）。天线的总长度按照半波偶极子天线的原理为L=2，但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度，目的就是我前面说的，实现谐振使输入阻抗接近纯电阻，经仿真经验得出，很多时候都是用其波长的0.475，当然0.48、0.49都可以的，但本设计经过多次仿真，确定值为0.4803时仿真值最准确。天线半径为。本设计天线在模型内部的馈电面的激励方式，因此采用集总端口激励方式。端口距离的设置，实际上是基于振子间隙的电压源激励模型，理论上是无限小间隙电压源，一般设为0.24mm左右就可以了。辐射边界和天线的距离设置，经实验得出，当辐射边界和偶极子天线之间的距离大于时，回波损耗分析结果一致，没有什么变化。所以，通常情况下，为保证计算结果的准确，辐射边界距离辐射体应不小于个工作波长。因此，辐射边界和天线的距离就设为。在HFSS上半波偶极子天线的设计模型如图4-1所示。天线沿z轴放置，中心位于坐标原点。图4-1 半波偶极子天线的HFSS分析模型实际数值由图4-2所示。图4-2 变量实际数值4.2 HFSS仿真设计4.2.1新建设计工程（1）新建工程文件，把工程文件存为li120.hfss文件。（2）设置求解类型【Solution Type】为“Driven Modal”（模式驱动求解类型）。（3）设置模型长度单位【Units】为“mm”（毫米），完成设置。4.2.2添加和定义设计变量选择【Design Properties】，打开设计属性对话框，打开Add Property对话框，添加变量。在Add Property对话框中Name文本框中输入第一个变量的名称lambda，在Value文本框中输入该变量的初始值100mm，然后单击OK按钮，添加变量lambda到设计属性对话框中。依次按照此方法增添新的变量，完成所有变量的定义和添加工作。4.2.3设计建模（1）创建偶极子天线模型选择【Draw】【Cylinder】，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体，新建的圆柱体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Cylinder1。设置Cylinder1的属性，名称设置为“Dipole”，材质设置为“pec”，如图4-3所示。双击“CreateCylinder”节点，打开“Command”选项卡，设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。如图4-4所示。在Center Position文本框中输入圆心坐标为（0，-dip_radius,-gap/2），在Radius文本框中输入dip_radius，在Height文本框中输入长度值dip_length，最后单击确定按钮退出。图4-3 Attribute选项卡图4-4 Command选项卡通过沿着坐标轴复制操作，生成偶极子天线的另一个臂。【Edit】【Duplicate】【Around Axis】，将框中Axis选择X，在Angle输入180，点击OK按钮。这样就将之前已完成的偶极子天线的按X轴旋转180复制出另一个极子，同时生成的模型自动命名为Dipole_1。（2）设置端口激励把当前工作平面设置为yz平面：在工具栏上的“XY”下拉列表框中选择“YZ”。在三维模型窗口的yz面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，把矩形面的名称设置为“Port”，如图4-5所示。设置矩形面的顶点坐标和大小，双击操作历史树中的Port下的CreateRectangle节点，在Command选项卡设置顶点坐标和大小。在Position文本框中输入顶点坐标为（0，-dip_radius,-gap/2）,在YSize和ZSize文本框中分别输入矩形面的长和宽为2dip_radius和gap,如图4-6所示。图4-5 Attribute选项卡图4-6 Command选项卡这样就完成激励端口的建立，接着设置激励方式。设置该矩形面的激励方式为集总端口激励：选中该矩形面，单击右键，选择【Assign Excitation】【Lumped Port】，打开集总端口设置对话框。由理论分析计算可知，半波偶极子天线的输入阻抗约为73.2。因此如图4-7所示设置数值，接着选择New Line选项，此时会进入三维模型进行端口积分设置。全屏显示矩形面Port，在矩形面的下边缘处移动鼠标指针，单击确定下边缘的中点位置（即积分线的起点），沿z轴向上移动鼠标指针，单击确定上边缘的中点位置（即积分线的终点）。自动返回到集总端口设置对话框，单击“下一步”，在对话框中选中“Do Not Renormalize”，完成设置。 图4-7 集总端口设置对话框(3)设置辐射边界条件创建辐射边界的圆柱体，并把圆柱体的名称设置为“Rad_air”，材质设 置为“air”，透明度设置为“0.8”，如图4-8所示。 图4-8 Attribute选项卡圆柱体的圆心坐标为（0，0，-rad_height），半径为rad_radius，高度为2*rad_height，如图4-9所示。设置辐射边界条件：选中该圆柱体模型，单击鼠标右键选择【Assign Boundary】【Radiation】。将Advanced Options打勾，然后选择“Radiating Only”。（当然，也可把辐射边界设置成长方体或其它形状，只要保持辐射边界距离辐射体应不小于1/4个工作波长即可，经过反复的实验发现圆柱体的辐射边界分析出的数值误差较小。） 图4-9 Command选项卡4.2.4求解设置分析半波偶极子天线的回波损耗和电压驻波比，可将求解频率设置为4.5GHz。添加4GHz5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频。求解频率和网格剖分设置：单击Analysis节点，选择【Add Solution Setup】。求解频率（Solution Frequency）为4.5GHz，最大迭代次数（Maximum Number of Passes）为20，收敛误差（Maximum Deltalmum S）为0.02，其他选项保持默认设置，如图4-10所示。设置完成后，求解设置项的名称Setup1会添加到工程树Analysis节点下。扫频设置：展开Analysis节点，右键单击前面添加的求解设置项Setup1，选择【Add Frequency Sweep】，打开“Edit Sweep”对话框，设置扫频类型为“Fast”，设置频率设置类型为“LinearStep”，起始频率（Start）为4GHz，终止频率（Stop）为5GHz，步进频率（Step Size）为0.001GHz，其他选项都保留默认设置。设置完成后，该扫频设置项的名称Sweep1会添加到工程的求解设置项Setup1节点下。图4-10 求解设置 图4-10 频率参数设置4.2.5设计检查和运行仿真计算在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。选择【Validation Check】进行设计检查。若打开的对话框中的每一项前面都显示对勾，表示当前的设计正确且完整。右键单击Analysis节点，选择【Analyze All】，开始运行仿真计算。如图4-11所示。HFSS拥有强大的数据后处理功能，仿真完成后，在数据后处理部分能够给出天线各项性能参数的仿真分析结果。 图4-11 设计检查结果对话框 回波损耗S11：右键单击“Results”节点，选择【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】,选择S（1,1），然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-12所示在4GHz5GHz频段内的回波损耗的分析结果。 图4-12 的扫频分析结果电压驻波比VSWR:查看天线电压驻波比的操作和查看回波损耗S11的操作相似。即是在报告设置对话框左侧的Solution下拉列表选择Setup1,在Category列表框中选择“VSWR”，在Quantity列表框中选择VSWR（1），在Function列表中选择。然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-13所示生成天线的电压驻波比分析结果。Smith圆图：借助于Smith圆图，能够方便地进行阻抗匹配，给出驻波比，归一化输入阻抗等各种信息。选择【Create Modal Solution Data Report】【Smith Chart】命令，打开报告设置对话框，在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1:Sweep1,在然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-14所示的在5GHz6GHz频段内的S11的Smith圆图显示结果。从图中可知，在中心频率为5GHz时归一化阻抗约为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。VSWR2的频率范围约为4.78GHz5.77GHz。 图4-13 半波偶极子天线的驻波比分析结果 图4-14 半波偶极子天线的的Smith圆图显示结果输入阻抗：查看输入阻抗有两种方法，除了前面Smith圆图结果外，也可以直接查看天线的输入阻抗值，其操作和查看回波损耗的操作类似，选择【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令, 在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1:Sweep1,在Category列表框中选择Z Parameter，在Quantity列表框中选择Z(1,1),在Function列表中同时选择im和re，即是同时选择查看输入阻抗的虚部（电抗部分）和实部（电阻部分），然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-15所示的半波偶极子天线的结果报告。从结果报告中可知，输入阻抗为（72.8，-j0.4），与前面的理论分析结果相符。图4-15 半波偶极子天线的输入阻抗结果报告方向图：（1）定义辐射表面：右键“Radiation”节点，选择【InsertFarFieldSetu【InfiniteSphere】，定义xz平面，设置“E_Plane”，同理定义xy平面，设置为“H_Plane”，定义三维立体球面，设置为“3D_Sphere”（2）查看xz面的增益方向图：右键“Results”节点，选择【Create Far Fields Report】【Radiation Pattern】，选择辐射表面“E_Plane”，在“Primary Sweep”中选择“Theta”，在“Category”中选择“Gain”，在“Quantity”中选择“GainTotal”，在“Function”中选择“dB”，然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-16所示的xz的增益方向图。 图4-16 极子天线xz的增益方向图（3）查看xy面的增益方向图:与前面相同的操作， Geomertry选择H_Plane，在Primary Sweep中选择Phi为