对称振子天线的hfss仿真

对称振子天线的HFSS仿真摘 要：对称振子天线不仅是一种结构简单的天线，而且是一经典的，迄今为止使用最广泛的天线。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称为半波对称振子，单个半波对称振子可简单地独立使用或用作抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成的天线阵。其上电流呈驻波分布，如果两线末端张开，辐射将逐渐增强。本文用hfss仿真了一个简单的对称振子天线，得出了反射系数曲线和远场增益图，熟悉了hfss仿真软件的使用，学习了对称振子天线的原理。关键词：对称振子，hfss, 反射系数，远场增益Abstract: Dipole antenna is not only an antenna of simple structure, but also is the most widely used antenna till now. The length of every arm is 1/2 wavelength and the whole length equal to a wavelength is defined dipole antenna. Single half-wave dipole antenna can be simply independently used or worked as feed of parabolic antenna, several half-wave dipole antennas can also constitute antenna array. The current on it distribute as a standing wave. If two ends of the lines open, the radiation will gradually increased. This article simulated a simple dipole antenna with hfss, reflection coefficient curve and far field gain graph are given, had a basic knowledge of hfss software, and the theory of dipole antenna is studied.Key words: Dipole, hfss, reflection coefficient, far field gain0. 引言两部分长度相等而中心断开并接以馈电的导线，可用作发射和接收天线，这样构成的天线叫做对称天线。因为天线有时也称为振子，所以对称天线又叫对称振子，或偶极天线。总长度为半个波长的对称振子，叫做半波振子，也叫做半波偶极天线。对称振子天线属于平衡天线，而亏点同轴电缆属于不平衡传输线，若将天线与同轴电缆直接相连，则同轴线的外皮有高频电流流过，由于同轴线的屏蔽层外皮也参与了天线的辐射，这样会影响天线的辐射方向图，因此，在天线和馈电同轴之间加入平衡不平衡转换器，把同轴外皮的高频电流抑制掉，将其截断。对称振子天线是最基本的单元天线，用得也最广泛，很多复杂天线是由它组成的。作为对hfss软件的熟悉使用训练，因此选择了对称振子天线的仿真。1. 仿真过程及模型建立本次仿真是利用hfss软件设计一个靠近理想导电平面的UHF对称振子天线，此天线的中心频率选择为0.55GHz,采用同轴馈电，并考虑了平衡馈电的巴伦结构。仿真过程先完成了在hfss中实现对称振子双臂和馈电机构的建模，然后完成了端口和边界的设置，最后生成了反射系数和二维辐射远场的仿真结果。1.1 对称振子天线的建立先建立新的工程，并设置求解类型。在菜单栏中点击HFSSSolution Type,选择类型为Driven Modal。在菜单栏中点击ModelerUnits,设置模型单位为in。然后在工具栏下拉菜单点击Select,选择材料为copper，即设置天线的材料为铜质。接着创建对称振子模型。在菜单栏中点击DrawCylinder, 设置内部圆柱。设置圆柱中心点坐标为（0，0，0），设置圆柱的半径为0.31，圆柱的高度为5.0。再点击DrawCylinder，设置圆柱中心点坐标为（0，0，0），设置圆柱的半径为0.37，圆柱的高度为5.0，设置外部圆柱完毕。然后需完成两圆柱的相减。点击ModelerBooleanSubtract,完成两圆柱体的相减。创建振子天线的两臂。在菜单栏点击DrawBox,在右下角输入长方体起始位置坐标，分别为X：-0.1,Y:-0.31,Z:5.0,再输入长方体的尺寸，分别为0.2，4.69，0.065，按回车键结束。按Crtl+A将模型全部选中，点击ModelerBooleanUnit,使已建立的模型组合起来。组合后的模型如图1所示。图1 组合后的单臂振子模型接着创建中心探针。在菜单栏中点击DrawCylinder，在坐标输入栏输入圆柱中心点坐标（0，0，0）和圆柱半径0.1，圆柱高度5.1。都完成后点击OK结束。在菜单栏点击DrawBox,在右下角输入长方体起始位置坐标，分别为X：-0.1,Y:0,Z:5.1,再输入长方体的尺寸，分别为0.2，5.0，0.065，按回车键结束。最后创建接地针。在菜单栏中点击DrawCylinder,，选择圆柱中心点坐标为（0，1，0），圆柱半径为0.0625，圆柱高度为5.1，完成后将已创建的模型组合起来。至此，振子天线双臂创建完毕，如图2所示。图2 创建完毕的双臂对称振子模型1.2 波端口及辐射边界的建立接下来创建波端口。在菜单栏点击DrawCircle，在坐标栏输入（0，0，0），圆半径0.31，点击OK结束。在菜单栏点击HFSSExcitationAssignWave Port,在Modes标签中设置积分线，在Integration Line中点击None,选择New Line,在坐标栏输入（0.31，0，0），接着选择半径dX为-0.21。点击Next直至结束。创建辐射边界。在工具栏中设置模型的默认材料为真空（vacuum），在菜单栏中点击DrawBox,在右下角坐标输入栏输入长方体的起始点坐标位置，X:-5.0，Y:-10.0，Z:0.0 按回车键结束输入。接着输入X,Y,Z三个方向尺寸，分别为10.0，20.0，12.0。在菜单栏点击EditSelectBy Name,在对话框选择Air,点击OK结束，在菜单栏点击HFSSBoundariesFinite Conductivity,在材料库中选择copper,选中Infinite Ground Plane，点击确定结束。辐射场角度设置。在菜单栏点击HFSSRadiationInsert Far Field SetupInfinite Sphere。设置Phi起始0，结束90，步长90，设置Theta起始-180，结束180，步长为2。完成后点击OK结束。设置完成后，如图3所示。图3 设置完成后的对称振子天线1.3求解设置在完成天线，波端口已经辐射边界的设置后，为该问题设置求解频率及扫频范围。在菜单栏中点击HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup,在求解设置窗口中，设置求解频率为0.55GHz,Maximum Number of passes为10，Maximum Delta of pass为0.02，点击OK结束。设置扫频HFSS Analysis SetupAdd Sweep,选择Setup1,点击OK。设置扫频为快扫频，起始频率0.35GHz,截止频率0.75GHz,一共401步。设置完成后，保存。全部完成后，点击HFSSAnalyze,求解该工程。2. 后处理操作及结果分析2.1 S参数求解点击菜单栏HFSSResults Create Modal Solution Data Report,接着选择Rectangle Plot,在Trace窗口中点击Y标签，选择Category: S parameter;Quantity:S(p1,p1); Function:dB。点击New Report完成，可得对称振子的反射系数曲线，如图4所示。图4 对称振子的反射系数曲线由图可知，在天线工作的中心频率0.55GHz,反射系数S11约为-16.03dB。换算成驻波比指标，约为1.36，满足一般天线的设计需要。2.2 2D辐射远场求解点击菜单栏HFSSResultsCreate Far Fields Report,接着选择Radiation Pattern,在Context窗口中设置Geometry为ff_2d,在Trace窗口中，将Ang这一列中点击第一个变量Phi,在下拉菜单中选择Theta。选择：Category: GainTotal; Function:dB,点击New Report按钮。可得对阵振子远场增益方向图如图5所示。图5 对阵振子远场增益方向图由图可知，由于理想导电平面的存在，在水平角为0，90时天线二维辐射图都被抬高了。最大辐射方向出现在俯仰角在0处（正Z方向），其增益约为8.1462dB。 3. 结果缺陷分析在运用hfss仿真时，出现了如下的警告，如图6所示图6 仿真时的hfss警告提示辐射源和地面重叠。经分析，在设置辐射边界时，由于是直接加载了一个长方体，整块地面被加载上去，没有考虑在地面上挖出激励源