毕业设计（论文）-室内全向吸顶天线设计.doc

南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)作 者： * * * 学 号： * * * 系 部： 康尼学院 专 业： 通信工程 题 目： 室内全向吸顶天线设计 指导者： * * * 教 授 评阅者： * * * 讲 师 2013 年 6月 南 京A Design of an Indoor Omni-directional Ceiling AntennaA Dissertation Submitted toNanjing Institute of TechnologyFor the Academic Degree of Bachelor of ScienceByAiya DaySupervised byProf. Qi WangCollege of Communication EngineeringNanjing Institute of Technology June 2013摘要本毕业设计在对天线基本理论、主要参数、工程应用进行详细阐述的基础上，采用基于有限元法的数值仿真技术HFSS，设计了一种全向辐射的吸顶天线。天线能够在双频带806960和17102500MHZ有效地工作，回波损耗小于-10dB，增益达到5dB。根据仿真优化数据制作了一个室内全向吸顶天线的实验模型，利用网络矢量分析仪、路由器、笔记本以及wireless Mon等软、硬件对天线进行测量，包括回波损耗、辐射方向性和增益等，与仿真结果比较具有很好的一致性。本文还对不同几何参数的吸顶天线物理性能的影响进行多方面的研究。最终所设计的天线具有较好的工程应用性。关键词：室内全向吸顶天线；Ansoft HFSS；回波损耗；增益方向图Abstract Based on the antennas fundamental theory and the main parameters, engineering application, this paper designed a ceiling antenna with omnidirectional radiation, which is based on the FEM numerical simulation technology of HFSS. The antenna can work in the double frequency band between 806960 and 17102500MHz effectively. The antennas return loss is less than -10db and the gain can reach 5dB. According to the simulation optimization data, I construct an experiment model of Omni-directional radiation ceiling antenna. By using software Wireless Mon and hardwares such as vector network analyzer, routers, laptop computer, the antennas return loss, radiation pattern and gain are measured. It is shown that the measured data has a good consistency with the simulation results. This paper also made all-round study to the antennas physical properties for different geometric parameters. The final designed antenna has good engineering application. Key words: Indoor Omni-directional ceiling antenna；Ansoft HFSS. Return loss； Gain pattern目录第1章 绪论- 1 -1.1引言- 1 -1.2选题背景与意义- 1 -1.3国内外现状- 2 -1.3.1国内现状- 2 -1.3.2国外现状- 2 -1.4毕业设计的主要内容- 3 -第2章 天线基本原理- 4 -2.1天线概述- 4 -2.2天线的基本概念- 4 -2.2.1电基本振子的辐射- 4 -2.2.2发射天线的电参数- 5 -2.3电磁场的有限元法- 7 -2.3.1有限元法基本原理- 7 -2.3.2 有限元法求解问题的基本步骤- 8 -第3章HFSS仿真技术- 9 -3.1 HFSS软件简介- 9 -3.2 HFSS仿真技术的主要功能- 9 -3.3 HFSS仿真设计解决思路- 9 -3.4 HFSS仿真软件的应用- 10 -第4章 室内全向吸顶天线的研究- 11 -4.1 天线的设计- 11 -4.1.1 天线设计的基本思路- 11 -4.1.2天线的设计要求- 11 -4.2 天线仿真模型的构建- 11 -4.3改变反射台的尺寸对天线各方面性能的影响- 29 -4.4实验模型的制作- 37 -第5章 天线模型的测量与分析- 38 -5.1 网络分析仪的概述- 38 -5.2 网络分析仪的测试步骤- 38 -5.2.1 开机和主菜单功能- 38 -5.2.2 测量方法- 39 -5.3室内全向吸顶天线的辐射特性的测试- 40 -第6章 总结与展望- 44 -致谢- 45 -参考文献- 46 -南京工程学院毕业设计说明书（论文）第1章 绪论1.1引言天线是实 现电磁波传 播的必备 器件：信号发射端通过天线实现电磁波辐射，信号接收端通过天线实现电磁波感应。所以，无论哪种通信系统，只要它的传输方式为无线传输，那么就必须使用天线，不必考虑该系统的工作频率为多少，在哪种频段，也不用考虑该系统用的何种多址技术或调制技术，无线品种繁多，以供不同工作频段、不同极化方式、不同覆盖范围、不同结构、不同功能以及不同用途等。 天线在移动通信网络中起着举足轻重的作用，如果天线的选择类型不好或是天线的参数设置不当，都会直接影响网络的质量。目前，在室内覆盖工程中大量使用的是传统的全向吸顶天线，其实在实际工程中暴露出了一些技术缺陷，如在高频段信号向正下方聚集、信号分布不均匀等。为解决这些问题，研究人员开发出了众多高效率的新型全向吸顶天线13。 本论文的重点就是研究双频带全向吸顶天线的方向性和实现形式。1.2选题背景与意义 随着城市里移动用户的飞速增加以及高层建筑物越来越多，话务密度和覆盖要求也不断上升。由于建筑本身具有屏蔽和吸收作用，使得无线电波有较大的损耗，造成移动信号的弱场强区或盲区，并且建筑物类似大型购物商场、会议中心，因为移动电话的使用密度比较大，局部网络容量不能满足用户的需求，无线信道会发生拥塞的现象。室内覆盖系统能够很好的解决上述问题。室内覆盖是针对室内使用群、作为改善建筑物内的移动通信环境的成功方案，全国各地的运营商对此方案都较为认同。该方案的原理是通过室内分布天线系统把移动基站的信号分布在室内各个角落，因而保证了室内区域的信号覆盖较为理想。就现代技术发展来看对天线的要求不仅仅体现在电气性能上，对其他指标：结构、质量、材料等很多方面的要求也越来越苛刻23。为了适应现代通信设 备的需求，天线 研发的主要方面有：减小尺寸，宽带和 多波段工作、只能方向控制等。由于电子设备的集成度越来越高，通信设备的体积 也越来越小，这是天线对于整个设备就显得过大，这就需要天线减小自身尺寸。然后，在不明显影响天线的增益以及天线的效率的同时减小天线的尺寸确实一项艰难的工作。电子设备集成度的提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需求。1.3国内外现状1.3.1国内现状 随着经济的发展，城市中高楼密度不断增大，地下设施 也不断增多。导致移动通信 的信号传播受到 严重影响。从而形成移动通 信的许多盲区和死区。为扩大基站 覆盖范围，提高移动通 信的质量，室内覆盖系统相 继在各个城市建立起来。不管是光纤，还是天线系统的 室内覆盖系统，吸顶天线是系统不可缺少 的重要组成部分2。针对于 传统的全向 吸顶天线 高频信号快速衰减 和信号不 均匀、不稳定等缺 陷，中国联通自 主研发出宽带广覆盖 新型全向吸顶 天线，使高频信号覆盖范围更广，信号分布均匀、稳定，解决了2G、3G无线网络的覆盖不同步的问题、改变了“小功率、多天线”的3G室内分布覆盖设计原则，并且工作频带更宽16。1.3.2国外现状有关吸顶天线的研究最早是由美国 的J.Q.Howell和 R.E.Munson 完成的。1973年，R.E.Munson 提出了一种 微带天线 单元的设计。 1974年，J.Q.Howell对 基本的微带贴片 天线（矩形和圆形）进 行了研究 和设计。从20世 纪80年代开始，吸顶天线理 论以及应用的 深度和广度 有了 长足的发展，并 逐渐 趋于成熟。时至今日，吸顶天线在室内有了大量的运用。1.4毕业设计的主要内容本论文主要对天线的基本参数、性能指标以及吸顶天线的理论基础、类型，性能仿真进行了介绍，对天线的方向性进行研究，主要包括了以下几个方面：用HFSS软件建模天线并进行仿真。对辐射方向图和回波损耗进行比较，找到内部的规律性。通过改变天线的口径大小和尺寸，研究天线口径在不同尺寸下方向图的特点，并观察比较，得出不同方向图的差异及原因。最后，就全文的成果加以总结，讨论了室内全向吸顶天线天线中遇到的难题及对进一步研究的展望。第2章 天线基本原理2.1天线概述日常生活中我们有关无线的工作都是基于电磁场电磁波基本理论的，同样，天线基本理论的核心内容也是电磁场基本理论。在无线通信中，需要解决的首要问题就是在一定边界条件和激励条件下麦克斯韦（Maxwell）方程组的求解问题。因此，天线问题的关键就是具有复杂边界条件的电磁场边值问题。这一章节我们主要阐述了电磁场的基本理论。天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信 8。2.2天线的基本概念2.2.1电基本振子的辐射电基本振子(Electric Short Dipole)又叫电流源，是一段理想的高频电流直导线，其长度远小于 波长 ,其半径远小于，同时振子沿线的电流处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础3。图2.1电基本振子坐标 如图2.1所示在电磁场理论中，已给出了在球坐标系原点O沿轴放置的电基本振子在无限大自由空间场强的表达式为： 2.2.2发射天线的电参数(1)天线的效率载有高频电 流的天线导 体和该天线的绝缘介质 都会产生损耗，所以输 入天线的实际功 率不能都转换成电磁 波能量123。我们常用天线效率(Efficiency) 来表示该能量转 换的有效程 度。天线效率一般定义为天线辐射功 率与输入 功率之比，记为， 即： (2)天线的增益系数增益系数(Gain)表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义：在同一距离和输入功率相等的前提下，天线在其最大辐射方向上产生的功率密度与理想的无方向性天线(理想点源)在同一点产生的辐射功率密度之比，记为G。用公式表示： (3)天线的极化所谓天线的极化通常是指天线辐射电磁波的方向，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。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239。 (4)天线的阻抗特性 天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配问题。天线和馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特点阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓1011。匹配的优劣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，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。(5)天线的驻波比驻波比：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0dB的到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。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。(6)天线的频带宽度根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。通常，相对带宽只有几百分之几的为窄带天线，例如引向天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如旋转天线；绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。(7)天线的波瓣图图2.2 天线的波瓣图波瓣宽度是矩形口径喇叭天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度(天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系)12。 图2.2为某天线的方向图，它有很多波瓣，其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其他波瓣统称为副瓣，位于主瓣正后方的波瓣称为后瓣。 2.3电磁场的有限元法2.3.1有限元法基本原理有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域化为有限个互不重叠的单元。每一个单元可以按照不同的方式进行组合，每一个单元又可以有不同的形状，所以可以形成不同几何形状的求解区域。在每个单元中，选择一些节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，利用加权余量法和变分原理，离散求解微分方程。使用不同的插值函数与权函数的形式，就构成了不同的有限元方法。2.3.2 有限元法求解问题的基本步骤通常我们解决天线问题。主要用有限元的以下几步骤：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，即有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 第3章HFSS仿真技术3.1 HFSS软件简介Ansoft HFSS4是一个计算电磁结构的交互软件包。计算模拟器包括在分析电磁结构细节问题时的后处理命令。使用Ansoft HFSS，我们可以计算出：l基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题。l端口特征阻抗和传输常数。lS参数和相应端口阻抗的归一化S参数。l一种结构的特征或谐振解。当通过该软件画出结构，明确每一个物体的介质参数，建立端口标识、源或者特别的表面特征，本系统就可以产生必要的场解。当建立一个问题时，Ansoft HFSS可以允许在指定频段内的一个或几个频率点。Ansoft HFSS可以有效地运行在UNIX 工作站和PC机的WINDOWS下。3.2 HFSS仿真技术的主要功能HFSS仿真软件充分的利用了自动匹配网格的产生及加密、切向矢量有限元ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)和模式节点转换（Mode-node）等先进技术，从而使操作人员可利用有限元法(FEM)在自己的电脑上对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。其基于Maxwell方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。3.3 HFSS仿真设计解决思路HFSS仿真设计解决思路1.在较低频段，由于天线工作波长或谐振波长比较长，相当于降低了系统的电尺寸，使得利用软件进行辅助计算成为可能。2.利用虚拟原型，通过精确的三维全波电磁仿真预测其电性能，可全面仿真分析不同布局下系统天线的阻抗和辐射特性、相互间耦合以及电磁场分布情况。3.研究系统各天线不同布局与各天线自身性能、天线间的互耦及电磁场分布之间的关系，并利用参数化、调谐试验、优化设计、敏感性和公差统计分析最终解决各种平台系统天线布局优化设计。3.4 HFSS仿真软件的应用HFSS适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真，是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，该软件彻底摆脱了传统的设计模式，大大减少了研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。第4章 室内全向吸顶天线的研究4.1 天线的设计4.1.1 天线设计的基本思路所设计的室内全向吸顶天线频率覆盖GSM/CDMA/PCS/3G/WLAN,工作频率在8062500MHz之间，能够实现室内覆盖。其主要特点：宽频带，低驻波，体积小，易于普通天花板的吸顶安装。4.1.2天线的设计要求 本设计所设计的室内全向吸顶天线要求是一个工作在806960/17102500MHz的双频段具有最佳增益的天线，且增益在25dBi之间，激励信号的输入阻抗为50的同轴线导入，极化方式为垂直极化。4.2 天线仿真模型的构建 1、新建工程（1）运行HFSS并新建工程 双击桌面上的HFSS快捷方式图标，启动HFSS软件。HFSS运行后，它会自动新建一个工程文件，选择主菜单栏中的【File】【Save As】命令，把工程文件另存为The whole antenna to the ceiling.hfss文件。（2）设置求解类型 设置当前设计为模式驱动求解类型。 从主菜单中选择【HFSS】【Solution Type】命令，打开如图4.1所示的Solution Type对话框，选中Driven Modal单选按钮，单选 按钮，完成设置。图4.1设置求解类型（3）设置模型长度单位设置当前设计在创建模型时所用的默认单位为毫米。 从主菜单栏中选择【Modeler】【Units】命令，打开如图4.2所示的Set Model Units 对话框。在Select units 下拉列表中选择mm，然后单击按钮，完成设置。 图4.2 设置长度单位2.添加和定义设计变量在HFSS中定义和添加如表所示的所有设计变量。在主菜单栏中选择【HFSS】【Design Properties】命令，打开设计属性对话框。再单击对话框中的按钮，打开Add Property对话框。在Add Property对话框的Name文本框中输入第一个变量名称length，在Value文本框中输入该变量的初始值6cm，然后单击按钮，即可添加变量length到设计属性对话框，使用相同的操作方法，分别定义天线的其他参数值，如图4.3所示。图4.3定义变量最后单击按钮，完成所有变量的定义和添加工作。3.设计建模(1)创建参考地 在空间三维坐标系中，创建一个中心位于坐标原点，半径为r1，高为h1的圆柱，并将其命名为GND。 从主菜单栏中选择【Draw】【Cylinder】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆柱的状态，然后在三维模型窗口上创建一个任意大小的圆柱，新建的圆柱会添加到Solids节点下，其默认名称为Cylinder1。 双击操作历史树Solids节点下的Cylinder1选项，打开新建圆柱属性对话框的Attribute选项卡。如图4.4所示，在该选项卡中将圆柱面的名称修改为GND，然后单击按钮退出。图4.4 Attribute选项卡再双击操作历史树GND节点下的CreateClyinder，打开新建圆柱属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置新建圆柱的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标为（0,0,0），在半径和高度文本框中分别输入r1、h1，如图4.5所示，然后单击按钮。图4.5 Command选项卡（2）创建反射圆台 在接地面上创建一个圆台模型，模型的底面位于xoy平面，中心位于坐标原点。模型的材质为pec，并将该模型命名为ground rt。在主菜单栏中选择【Draw】【Cone】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆台的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆台。新建的圆台会添加到操作历史书的Solids节点下，其默认名称为Cone1.双击操作历史树Solids节点下的Cone1，打开新建圆台属性对话框中的Attribute选项卡，把圆台的名称修改为ground rt，设置其材质为pec，如图4.6所示，然后单击按钮退出。图4.6 Attribute 选项卡 再双击操作历史树Cone1节点下的CreateCone，打开新建圆台属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置圆台的顶点坐标和尺寸。在Position文本框中输入顶点位置坐标为（0,0,0），在上表面半径和下表面半径文本框中分别输入r2、r3，在高度文本框中输入h2，如图4.7所示，然后单击按钮。图4.7 Command选项卡（3）创建辐射喇叭 在反射圆台上面创建一条线段，然后围绕z轴旋转，形成一个喇叭面，再创建一个中心在z轴上的圆与喇叭面相接。并将其命名为Patch。从主菜单栏中选择【Draw】 【line】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建线段的状态，然后在三维型窗口上创建一个任意大小的线段，新建的线段会添加到操作历史树Lines下，其默认的名称为Polyline1。双击操作历史树Lines节点下的Polyline1，打开新建线段属性对话框中的Attribute选项卡，如图4.8所示，把线段的名称修改为Patch，然后单击确定。图4.8 Attribute 选项卡 再双击历史树Patch节点下的CreateLine，打开新建线段属性对话框中的Segment选项卡，在该选项卡中设置线段的坐标，在point1和point2文本框中分别输入（0，a1，b1）和（0，a2，b2）。然后单击按钮退出。从主菜单栏中选择【Draw】【Sweep】【Around Axis】命令，默认其选项，单击 退出。如图4.9所示。图4.9 Sweep Around Axis选项卡再从主菜单栏中选择【Draw】【circle】命令，或者单击工具按钮，进入创建平面圆的状态，在三维模型中创建任意一个大小的圆，新建的圆会添加到操作历史树的Sheets节点下的Circle1，打开新建园属性对话框中的Attribute选项卡。把远的名称修改为round，如图4.10所示，然后单击退出。图4.10 Attribute 选项卡 再双击操作历史树Sheets节点下的CreateCircle，打开新建园属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆的半径及圆心坐标。在CenterPosition文本输入框中输入圆心坐标（0，0，b1），在Radius文本框中输入半径值a1，如图4.11所示，然后单击按钮完成辐射喇叭的创建。 图4.11 Command选项卡（4）创建同轴馈线 创建同轴线的外导体从主菜单栏中选择【Draw】【Cylinder】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆柱的状态，在三维模型窗口中创建任意大小的圆柱体。新建的圆柱体会添加到操作历史树Solids节点下，其默认名称为Cylinder1。双击操作历史树中Solids节点下的Cylinder1选项，打开新建圆柱体属性对话框的Attribute选项卡。将圆柱体的名称修改为Outer，如图4.12所示，然后单击按钮退出。图4.12 Attribute 选项卡 再双击操作历史树中Outer节点下的CreateClylinder选项卡，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。在Center Position文本框中输入其底面圆心为（0,0，0），在Radius文本框中输入半径值r4，在Height文本框中输入长度值为h3，如图4.13所示，然后单击按钮退出，完成圆柱体Outer的创建。图4.13 Command选项卡创建同轴线内导体使用和前面相同的操作方法，创建一个圆柱体。打开盖圆柱体属性对话框的Attribute选项卡，将其名称修改为inner，设置其材质为理想导体，如图4.14所示，打开属性对话框的Command选项卡，在Center Position文本框中输入其底面圆心坐标为（0,0,0），在Radius文本框中输入半径值r5，在Height文本框中输入其长度值h4，如图4.14所示。图4.14 Command选项卡（5）布尔操作(1) 执行合并操作上述模型都创建好了之后，使用布尔操作生成最终的室内全向吸顶天线模型。执行合并操作，将GND和groundrt两个模型合并成一个完整的物体模型。按住Ctrl键，在操作历史树下按先后次序单击GND和groundrt，同时选中这三个物体。然后选择主菜单栏中的【Modeler】【Boolean】【Unite】命令，或者直接单击工具栏上的按钮，执行合并操作，将选中的2个物体合并成一个整体。合并生成的物体的名称、属性与执行合并操作前第一个选中的物体的名称、属性相同。类似同样的方法，将Patch和round两个物体合并成一个物体。（2）执行相减操作。（消除groundrt和Outer，Outer和inner之间的重叠部分） 按住Ctrl键，在操作历史树下按先后次序单击groundrt和outer，同时选中这两个物体。然后选择主菜单栏中的【Modeler】【Boolean】【Subtract】命令，或者直接单击工具栏上的按钮，如图4.15所示。然后单击按钮，执行相减操作。类似同样的方法，将Outer和inner两个模型选中，执行相减操作。如图4.2.15所示。图4.15 Subtract对话框 (6)设置理想边界条件 把室内全向吸顶天线中的同轴线外导体的内表面设置成理想导体边界条件。在三维模型窗口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Select Faces】选项，进入悬着物体表面状态。然后，从主菜单栏中选择【Edit】【Select】【By Name】命令，打开如图4.16所示的Select Face对话框中，选中该对话框中左侧的模型名称Outer，在对话框中右侧的Face ID列表框中出现了Face170、Face56、Face57、Face58.选中Face56，然后单击，即选中该表面。图4.16 选择模型面对话框再次三维模型窗口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundry】【Perfect E】命令，打开如图4.17所示的Perfect E Boundary设置对话框，直接单击该对话框的按钮，将前面选中的表面的边界条件设置为理想导体条件。图4.17 理想导体边界条件对话框类似同样的方法，将模型Patch选中，设置为理想导体边界条件。(7)设置辐射边界条件 使用HFSS设计分析天线类问题时，我们需要设置PML边界条件或者辐射边界条件来模拟自由空间。本设计中使用的是辐射边界条件，辐射边界表面和辐射体的距离通常需要不少于1/4个工作波长。在这里，我们首先创建一个圆柱形模型，圆柱形模型的底面和吸顶天线的底面重合，其他表面与吸顶天线表面的距离都为1/4个工作波长，然后将圆柱体模型的所有表面都设置为辐射边界条件。从主菜单栏中选择【Draw】【Cylinder】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆柱体的状态，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，其默认名称为Cylinder1. 打开新建圆柱体属性对话框的Attribute 选项卡，将圆柱体名称修改为Air，其材质设为vacuum，如图4.18所示，然后单击按钮退出。图4.18 Attribute选项卡 再双击操作历史树中Air节点下的CreateCylinder选项，打开新建圆柱体属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。在CenterPosition文本框中输入其地面圆心坐标为（0，0，0），在Radius文本框中输入其半径值r1+length/4，在heigtht文本框中输入其长度值b1+length/4，如图4.19所示，然后单击按钮，完成圆柱体Air的创建。图4.19 Command选项卡圆柱体模型Air创建好之后，单击在操作历史树下的Air节点，选中该模型。然后在三维模型窗口中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Boundary】【Radiation】命令，打开如图4.20所示的辐射边界条件设置对话框。保留对话框中的默认设置不变，直接点击按钮，即可把圆柱体模型Air的表面设置为辐射边界条件。同时，设置的辐射边界条件的名称Rad1会添加到工程树的Boundaries节点下。图4.20辐射边界条件设置对话框 (8)设置端口激励 在室内全向吸顶天线的接地圆柱下创建一个圆面，该圆面中心点在（0，0，0），其半径大小跟同轴外导体半径大小相等。然后将该圆面设置为集中端口激励。 在接地圆柱下创建一个圆面 从主菜单栏中选择【Draw】【Circle】命令，或者单击工具栏上的按钮，进入创建圆面的状态，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆面。新建的圆面会添加到操作历史树的Sheets节点下，其默认的名称为Circle1.双击操作历史树中Sheets节点中的Circle1选项，打开新键圆面属性对话框的Attribute选项卡，将圆面的名称修改为Port，如图4.21所示，然后单击按钮退出。 图4.21 Attribute选项卡 再双击操作历史树中Port节点下的CreateCircle选项，打开新建圆面属性对话框的Command选项卡，在该选项卡中设置圆面的底面圆心坐标和半径。在Center Position文本框中输入其底面圆心坐标（0，0，0），在Radition文本框中输入其半径r4，如图4.22所示，然后单击按钮，完成圆面Port的创建。图4.22 Command选项卡设置端口激励。 单击工程树Sheets节点下的Port选项，选中该圆面。然后在其上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择【Assign Excitation】【lumped Port】命令，打开如图4.23所示的集中端口设置对话框，默认第一步设置，点击按钮，设置Mode1的积分校准线，单击Integration Line项下边的None，在其下拉列表中选择New Line选项，进入设置积分线状态。借助于鼠标捕捉功能，在Port面边缘移动鼠标指针，当鼠标指针变成三角形时，单击鼠标左键确认。再沿着X轴移动鼠标指针到Port面边缘处，当鼠标指针变成正方形时，再次单击鼠标左键确认。此时即可完成积分线的设置，返回到端口设置对话框。单击该对话框中的按钮直到结束，完成端口激励方式的设置。图4.23集总端口及里设置对话框4.求解设置设置求解频率为2.4GHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷键菜单中选择【Add Solution Setup】命令，打开Solution Setup对话框。在Solution Frequency文本框中输入求解频率2.4GHz，在Maximum Number of Passes文本框中输入最大迭代次数20，在Maximum Deltas文本框中输入收敛误差0.02，其他选项保留默认设置，如图4.24所示。然后单击按钮，完成求解设置。图4.24 求解设置5.设计检查 通过前面的操作，我已经完成了模型创建和求解设置等HFSS设计的前期工作，接下来就可以运行仿真计算并查看分析结果了。但在运行仿真计算之间，通常需要进行设计检查，确认设计的完整性和正确性。 从主菜单栏中选择【HFSS】【Validation】命令，或者单击工具栏上的按钮，进行设计检查。此时，会打开如图4.25所示的Validation Check对话框，该对话框中的每一个选项的前面都显示图标，表示当前的HFSS设计正确且完整。单击按钮，关闭对话框。图4.25 设计检查对话框下面，我们开始进行仿真计算 右键单击工程树下的Analysis节点，在弹出的快捷菜单中选择【Analyze All】命令，或者单击工具栏上的按钮，并开始运行仿真计算。在仿真计算过程中，工作界面右下方的进度条窗口中会显示出求解进度，信息管理窗口中也会有相应的信息说明，并在仿真计算完成后给出完成提示信息。6.数据后处理在仿真计算完成后，利用HFSS的数据后处理功能分别查看室内全向吸顶天线的以下分析结果：在工作频率为2.4GHz时，E面和H面上的增益方向图以及三位增益方向图，回波损耗S11 的扫频分析结果。（1）定义辐射表面要查看天线的远区场计算结果，首先需要定义辐射表面。在当前设计中，E面位于xz平面，即球坐标系下=00平面；H面位于yz平面，即球坐标系下=900的平面。定义=00和=900为辐射表面右键单击工程树下的Radiation节点，在弹出的快捷菜单中选择InSert Far Field SetupInfinite Sphere命令，打开Far Field Radiation Sphere Setup对话框，定义辐射表面，在Name文本框中输入辐射表面名称为E_Plane，在Phi角度对应的Start、Stop和Step Size文本框中分别输入0deg、90deg、90deg，在Theta角度对应的Start、Stop和Step Size文本框中分别输入-180deg、-180deg、1deg，然后单击“确定”按钮退出。此时，定义的辐射表面名称E_Plane会添加到工程树的Radiation节点下。定义三维立体球面为辐射表面使用和前面相同的操作方法，再次打开Far Field Radiation Sphere Setup对话框，在Name文本框中输入辐射表面名称为3D Plane，在Phi角度对应的Start、Stop和Step Size文本框中分别输入0deg、360deg、2deg，在Theta角度对应的Start、Stop和Step Size文本框中分别输入0deg、180deg、2deg，然后单击“确定”按钮退出。（2）查看E面和H面上的增益方向图右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择Create Far Fields ReportRectangleular Plot命令。打开报告设置对话框，在Geometry文本框中选择前面定义的EH Plane，在Category列表框中选择Gain选项，在Quantity列表框中选择GainTotal选项，在Function文本框中选择dB选项。然后单击“New Report”按钮，生成如图4.26所示的直角坐标系下E面和H面的增益方向图。图4.26 直角坐标系下E平面增益方向图 图4.26（b） 直角坐标系下H平面增益方向图分析结果可知，本次设计的天线在E面和H面上的最大增益在25dB之间，符合本次设计要求。另外，在HFSS中也可以查看极坐标系下表示E面和H面的增益方向图分析结果。右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择Create Far Fields ReportRadiation Pattern命令，打开报告设置对话框，对话框设置与直角坐标相同，单击“New Report”按钮，即可生成如图4.27所示的极坐标系下的E面和H面的增益方向图。图4.27 极坐标系下E面上的增益方向图 图4.27 极坐标系下E面上的增益方向图（3）查看三维增益方向图右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择Create Far Fields Report3D Polar Plot命令，打开报告设置对话框。在Geometry下拉列表中选择前面定义的辐射面3D Sphere,在Category文本框中选择Cain选项，在Quantity列表框中选择GainTotal选项，在Function选项选择dB选项。然后单击“New Report”按钮，生成如图4.28所示的三维增益方向图。图4.28 三维增益方向图（4）查看回波损耗S11扫频结果右键单击工程树下的Results节点，在弹出的快捷菜单中选择Create Model Solution Data ReportRectangular Plot命令，打开报告设置对话框。在Geometry下拉列表中选中S Parameter选项，在Quantity列表框中选择S(1,1)选项，在Function选项选择dB选项。然后单击“New Report”按钮生成结果报告，在单击“Close”按钮退出。此时，生成的S11随频率的变化曲线报告如图4.29所示，从分析结果中可以看出，在2.4GHz时，S11的值约为-12.55dB，小于-10dB，符合设计要求。图4.29 s11扫频结果4.3改变反射台的尺寸对天线各方面性能的影响（1）反射圆台的上表面半径大小对天线各方面性能的影响添加室内全向吸顶天线的反射圆台的上表面的半径r2为扫描变量，使用参数扫描分析功能仿真分析给出当变量r2在20mm30mm范围内变化时，天线的变化。1.研究当r2小于25mm时，在1925mm，间隔3mm时天线的各方面变化。添加扫描变量、运行参数扫描分析、查看分析结果，过程如图4.30所示。图4.30 s11扫频结果 从仿真结果可以看出，天线反射圆台上表面半径小于r2=25mm时的改变对天线的S参数的影响是中心频率1.2GHz时回波损耗明显变小，天线的性能变好。图4.31 极坐标下E面和H面方向图当变化上表面半径r2小于25mm后，天线的方向图在与图进行比较后，可以得到结论：r2的变化对天线在E面上的方向变化不大，辐射强度影响也不大。在H面上，r2变小，天线的增益方向发生改变，辐射强度开始变大。2.研究当r2大于25mm时，在2531mm，间隔3mm时天线的各方面变化。添加扫描变量、运行参数扫描分析、查看分析结果，过程如图4.32所示。图4.32 s11扫频结果 从仿真结果可以看出，天线反射圆台上表面半径大于r2=25mm时的改变