微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线要点

1、增加对称振子馈电的理论描述表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=$r, height=$lPecarm2圆柱体(0,0,-0.5)radius =$r, height=-$lPecairbox长方体(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+2*$lvacuum表2对称振子天线二维面模型名称所在回形状顶点（mm）尺寸（mm）边界/源feedxz矩形(-$r,0,-0.5)dx

2、=2*$r, dz=1Lumped port表3变量表变量名变量初始值（mm）变量值（mm）$lbd100$l2525 (50, 75,100)$r11 (2, 3, 4)1新建工程并命名。o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。点击 HFSS>Solution Type ,选择 Driven Terminal。3设置单位。点击 Modeler>Units ,选择 mm。4画对称振子的一支臂，形状为圆柱体，命名为 arml,材料设置为理想导体，半径设置为 变量$r,臂长设置为变量$1。将鼠标指向工具",出现文字“Draw cylind

3、er",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。I B . Solids-9 vacuumU Ct已ateCylinder* L Coordinaie Systemsl+ 每 Planes+ / Lists图1模型列表双击 Cylinder ,出现图形属性窗口 " Properties:dipole”,将name项改为

4、arml。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)Selec t Def ini tionMaters als | 忸口工:&1 Fili er s |Saurch. pEU-anftcr-sMarch, by Van*Litraries p Fr&ject de fa ni tic l- Show all librariby PropartSearch Criteria by 口的修tlu a心否孕上! gOri e«rEelativeP

5、ernhi tti vc lyR.el alivePtrneabilityAp"SysLitrirM&terL ala11perfect eenduetorSysLitrarMateri als1LplatinumSysLibrarMateri al 9-11plexiglassSjfELs.brMateri all3.41polypi deSysLibrarMater i al s.4.31polyesterSjrsLibrarMater i al s3.Z1polyethyleneSysLibrarMater i als2.25-1Folflon Copper-Clad

6、ULTEM (tn)SyELibrarHateri als.3.吗1Folyflon CuJlon5SjrsLibraryMateri d.s2. 1i“1<i>./Edit UUlwrialis |&dd Nateri：al . .，|Material fs) |Jemoye Material (e) |import to Library确定 I 取梢帮助Proper!; ies: dipole WOairbox - HFSSDes ignl - ModelerXMmeVnitEvalnat VD«Ecripti 中油Rnd-glyHanearidrer i 业

7、¥A-pcc# p«crSolve* InsiderrOri entati4ArModalrDisplay li.rrColorEditrTr-tJigp-u* ant_5_1rShow Ki dden(c)图2 arml属性双击模型列表中的 arml下的CreateCylinder,出现arml命令行窗口 " Command”。将 其中心位置“Center Position”设置为(0,0，心5)，半径设为变量$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

8、击工具 ,将全部图形显示在窗口中(如图 5)。(a)(b)图3设置arml尺寸变量窗口图4 arml命令行回）Solids-野 pec § arml± L Coordinate Systeras* ® Pl antsF Lists1 .图 5 arml4建立对称振子的另外一支臂。利用快捷键ctrl+a将arml选中，利用ctrl+c与ctrl+v复制出arm2。将其中心点设为（0,0,微-0.5）,高度设为-$1 （如图6）。点击工具 ，所有图形显示如图 7。图6 arm2命令行0 日 Solidsw peeh 步 arml Creat eCyli nder 日国

9、ar m20 Creai eCyl inderffi 匕 Coordinate Systemsffi ® Planes事，Lists图7对称振子的两支臂5画馈电模型，形状为 zx面上的矩形，命名为 feed,设置为lumped port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。ZX 二 |XYLI将这个激励源面画在xz平面，形状为矩形。选择 ZX卜，点击口，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

10、=2*$r , zsize=1 （如图8）。图8 feed命令行通过啰：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10 不同，在 HFSS>Solution Type 中选择 Drivenarm2设置为参考导体。如果设置界面与图Terminal。注意：激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后进行。图10 lumped port的参考导体设置界面radiation。6画辐射箱，命名为 airbox,形状为长方体，材料为真空，边界条件为在HFSS天线仿

11、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3,画出一任意尺寸的长方体，在模型列表中出现boxl ,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,其中变量$lbd=100mm。画出的天线及 airbox如图13。选中 airbox ,点击鼠标右键选择 Assign Boundary >Radiatio

12、n ,出现 radiation boundary 界面，采用缺省值，点击OK。图11 airbox属性图12 airbox命令行7设置求解频率3GHz,扫频1-5GHz。在HFSS >Analysis Setup>Add Solution Setup 中将频率设置为 3GHz;, Adaptive Solution 下的 Maximum Number of 设为 6, Maximum deta S 设为 0.01 （如图 14）。点击确定。Solution SetupG&n«rsl | Options Advanced Expression Cache Deriv

13、atives DefaultsSetup Hame：歹 Enabled 厂 Solve Ports OnlSolution Frequ&ncjfjGHr -Adaj>tiva SolutionsMv£Llhum Number of6(* laximum Delta S|。- -Vse Matrix Convnrgsncc Fl -.,77.- +i r. e -r. i I- h - '-Vse Defaults确心| 取消 图14设置单频点击HFSS >Analysis Setup>Add Frequency Sweep ,设置如图 15。图15扫

14、频设置8检查及运行计算心口点击检查无错后（如图16）,点击*计算。图16检查无错窗口9画电流分布为了观察振子上的电流方便，先将airbox从图形窗口隐藏去。点击工具visibility 下的一列 airbox的，除掉（如图 17）。图17隐藏airbox在图形窗口，通过ctrl间同时选择arml与arm2,点击鼠标右键>Plot Fields>J>Mag Jsurf 出现Create Field Plot界面，采用缺省值，点击Done,出现振子上的电流分布图。由于图形的颜色分布不明显，通过以下操作实现画电流幅度的对数值。在 Project Manager 窗口中，选择 dip

15、ole>HFSSDesign1>Field Overlays>Jsurf ,点击鼠标 右键，选择Modify Attributes ,出现Jsurf选项界面，按照图18选才I log,得到电流分布如图 19。在 Project Manager 窗口中，选择 dipole>HFSSDesign1>Field Overlays,点击鼠标右 键>Animate>OK ,可以观察电流分布随着时间变化规律。图18 Jsrurf选项Jsur1:A_per_m1. 6519e+0001.0e97e+0008. gi37e-0014. 4728e-0012. 8937

16、0-0011.8721e-0011,2111E-0QL 7,3355e-002 5,0692e-002 3, 2795”血2. 1217e-00Z1, 3726e-0B26, 66015-0035. 750e-0033.71S7e-0032.40456-0031. 5S56e-003图19振子上电流幅度分布10画S参数曲线Project Manager你1 Eci tati obs 圈 Mesh OperationsKn al y3i5 Optimtrici" dipole - HFSSDesignl - Modeler3 0 SolidsP-IE1 固%x+ .牛：即Paste+

17、_| Defim, pecI* 夕 arinl,I flCtrl+VCreate Terminal SolutiEtfi Data ReportProjectCreateCreateCreateCreateModal Solution Data ReportFields ReportFar Fields ReportEoiissicKn Test RepcirtPF 耳iSrHfeSdelete All ReportsReport lenplatesQutput Variables. Update All Reports Open All ReportsReel angular PlotRec

18、tangular Stacked PlotPolar PlatData TableSmith Chart3D Rectangular Plot3D Polar PlolRectangular Contour Pl atSmith Contour PlatCreate guick Report.曷 Sdlutitin Data.une Reports Browse Sdlutiotis.Clean Up Solutions., Xmpcrl SfllutitKna. ipply Solved Variation.在 Project Manager 窗口中，选择 dipole>HFSSDes

19、ign1>Results ,点击鼠标右键，选择 Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot （如图 20）,出现"Report: dipole”界 面，设置如图21。点击New Report,得到的岛|曲线如图22,然后点击close结束画图。图 20 Results>Create Terminal Solution Data Report>Rectangular PlotS Report: dipole 一 HFSSDes ignl - New Report 一 New Trace(s)Solu

20、tion:Domain:Categwy;QuanlSty： fiker-textFuftCticn：Update Report 口施巨历圆WVariablesOutput ViablBEStffeed TUeed II)1<TOne> ang_deg *ng_rad ara cang_deg 匚己nq_rsdTerminal 5 PdrameterITerminal Y Parameter Terminal Z Pram&tr TerrfflnalVSWR Terminal Port Zo Group Delay Active S Parameter Active Y Pa

21、rameter Active £ Parameter Active V5WR Passivty Design曲iJBllOnormalize dB20Tiormalize dBc E m*g norniaize 懂N.ew Report I口ose |Qutput Variable?图21画S参数设置Ansott LLGXY Plot 1HFSSDesignTkLI-8.D0-tDO ,1.SO'' 2.W' 2.SO'F昌阳叫&朋佃5X)0图22 |Sii|曲线11画阻抗曲线在 Project Manager 窗口中，选择 dipole>

22、;HFSSDesign1>Results ,点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot ,出现报告设置界面“ Report: dipole” 如图23 (a),点击 New Report画出阻抗实部曲线；在 Report: dipole界面继续按图 23 (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 24。(a)阻抗实部(b)阻抗虚部图23输出阻抗报告设置界面Anson LLCXY HlOt 2HbSSDesignldipole_try - H

23、FSSDesignl - XY Plot 2 50 00 Project ManagerExcitations闸 Mesh Operations+ 01 Analy5i3 0ptimstric5+ 四 RiiaLts+ 国 Fort Fi«ld Display夕 Solidsdipole - HFSSDesiField OverlaysRadi+ _J Defim tProjectInsert Far Field Seti4j Insert Near Field Setup Antenna Array Setka)».Infinite Sphere, *»j| A

24、nsoft LLC150 00-50.00-Curve Inrore(Ztfeed T1rfeed 11)Setup 1: Sweepi "-150.00-250 00图24阻抗曲线观察图22与图24可见，端口阻抗值接近 50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。12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>Infin

25、ite Sphere (如图 25),出现远场辐射球设置界面“ Far Field Radiation Sphere”,设置如图 26,点击确定。图 25 Inser Farm Field Setup>Infinite SphereFar Field Radiation Sphere SetupInfinite Sphere Coordinate System Radiation SurfaceHane Infinite SpherelPhiStar0degStop360degStep Siz|iIdeg色i l i e il aStarM。1deg二JStop180deg句Step S

26、iz|1deg士Save As Defaults lew Sweep Points.确定取消帮助图26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 (如图27),出现画三维远场方向图设置界面，按图 28设置， 得到增益图如图 29。Project Manager+ ® Ex ci tati ons 画 Msh Optrtti pm+1 n And.ysis Optir*

27、71;tris士因丁引回Port段Haste国XACreate Terminal Solution Data ReportCreate lodal Sulutiuri Data Rep or 1 Create Fields Report哙 Yitlt嗣守Badi* C") DftfitiitiCreate Far Fields Report Create Emissitm Test Report Delete All Reports Report Teirplates Qutput Variables., Update All Reports Open AU ReportsRecta

28、ngular Plot Rectangular Stacked Plot Radiation Pattern Data Table 3C Rectangular Plot 3D Polar PlotRectangular Contmir PlotGester 4 !.GreatP Quick Report.屯 Solution Data.lune Reports .Broivse Solutions Clean Up Solutions.Iwart Solutions,.Apply Solved Variation.502.002 503.00Freq fGHz|lie 2do 2.io s.

29、boFreq GlX图 27 Create Far Fields Report>3D Polar Plot图28画增益图设置dB(GajnTotal)2.5973+000 -6.7333C-0S1 -3.9440E+00O -7.21H7e+S0S 1.04850+001 -1.3756e+001 -1.70276+001!-2.0297e+001 -2.35686+001 -2.B439s+0Qi -3,01096+001 -31十驼 1-3.6651e+001 7.9921e+001 -4.319；e+001-4.64S3e+001-4.9733e+ll图29二分之一波长对称振子三维

30、增益图在 Project Manager 窗口中，双击 dipole>HFSSDesign1>Results> 3D Polar Plot 1>dB (GainTotal)，点击Families,出现参数列表(如图 30)。其中频率 Freq为3GHz,对应的波 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对称振子。图30参数列表(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 Cr

31、eate Far Fields Report>Radiation Pattern ,出现画二维远场方向图设置界面，按图31(a)设置；点击Families,将Phai设为0deg (如图31 (b),点击new report,得到E面方向图如图 32,与课本中给出的理论方向图一致。(a)(b)图31画E面方向图设置Kadiation Pattern 1图32二分之一波长对称振子E面方向图13扫描变量$r点击Project>Project Variables出现变量设置界面，更改 $r的值为2mm （如图33）,点击确定，点击工具。运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量 $的值设为

32、3mm,运行 计算；计算完毕，将变量 $的值设为4mm,运行计算。Project Variables IntTinslc Variables | Const.ants |用 5talue OptiMiEiiti Tuning C Sensitivi 厂 StatisticNaMBValueUnit Evaluat. u s DeaeriptlcinHidden$125nnflbd.100nnF Shor Hidden25nntlOOni.dd |Edit | len&we图33设置变量$r值计算完毕在 Project Manager 窗 口中，选择 dipole>HFSSDesi

33、gn1>Results ,点击鼠标右键，选择 Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot ,采用缺省值，画出 |Si|参数曲线，双击曲线在属性窗口中的Linestyle项修改线型后得到图34。由图可见，随着振子半径的减小，谐振频率右移，谐振点的损耗降低，当 r=2mm时-10dB带宽最宽。Ansott LLCXY Plot 2UTSSUesigrrlK LL1和二 1和一)a-cop图34 S参数随$变化曲线13扫描变量$1(1)扫描变量点击Project>Project Variables出现变量设置界面，先将

34、变量 $r的值设置为2mm,然后 将变量$l的值设置为 50mm,点击确定，运行计算；计算完毕，重复上述过程，将变量 $l 的值依次设为75mm、100mm,并运行计算。(2)输出S参数曲线计算完毕在 Project Manager 窗 口中，选择 dipole>HFSSDesign1>Results ,点击鼠标右 键，选择 Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot ,出现 Report:dipole 界面，Trace 界面采用默认值(如图 35 (a),点击Report:dipole界面中的Families

35、,将$值设置为2mm (如图35 (b),点击New Report得到曲线报告，双击曲线在属性窗口中的Linestyle项修改线型以后得到图 36。从图36可见，随着振子长度增加谐振频率降低，当$l=75,100mm时，第一个谐振频率低于1GHz。Update Report m Real timeTrace Families | Fanilies Display!PiE 口邛 Sv/Eep:工阿|d0St(fed_Tlrfeed_Tl)p DefaultCategory:variablesOutput期agbl厄5 Tenninfil S Pargmeter Terminal Y Parame

36、ter Terminal z Parameter Terminal VSVsflR Terrninal Port Za Group DglayS Parameter ACtrve Y Parameter Active Z Parameter Actwe VSWR Passivity DesignQuantity:JF- &!, - , 一 . 一 tiltEr-tExtFunctjon:Strfeed_TlJeed.Tl)<none> ang_deg 已 ng_sd arg。日叫_胡g cacg.zd d6 dBlOnonnali dENOniOrmah 工。 dBc im

37、mg normalizerejjew Report .Apply Jrace £dd TraceQutput Variables. Options.®Report: dipole - HFSSDesignl - New Report - Kew Trace(s)X(a)SReport: dipole - HFSSDesignl - XY Plot 3 - dB(St(feed Tl.r ContextTraceFanilies FaAllles DisplaySolution:Setupl : SweeplDomain:| SweepTER Dpt»ori

38、3;vanabl-eMaluRsr2mm甲All.IFamilies: 4 available(i Sweeps C fivadable variationsUpdate Report “ Real tuneNominal: |$lbdOutput Variable.o曲口的New ReportApply TraceAdd TraceClose图37设置变量输出方向图(b)图 35 Report:dipole 界面匚dipole - HFSSDesignl Ansoft L L CXY Plot 3XY Plot 3HFSSDesignl-15 00-”o''鬲-2 50-4001 1 ' '4' ' ' '500Curv 电 InfoJ1.feed_T1Bim|mm-斯红mm'一二二 二二二二二- UU500