电波与天线报告
电波与天线实验报告
——半波偶极子天线的ＨＦＳＳ仿真设计
一、实验目的：
1. 2. 3. 4.
以一个简单的半波偶极子天线设计为例，加深对对称天线阵子的了解； 熟悉HFSS 软件分析和设计天线的基本方法及具体操作；
利用HFSS 软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理； 通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。
二、实验步骤：
本次实验设计一个中心频率为3GHz 的半波偶极子天线。天线沿着Z 轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm ，辐射边界和天线的距离为λ/4。 １、添加和定义设计变量
参考指导书后，在Add Property对话框中定义和添加如下变量：
２、 设计建模
１）、创建偶极子天线模型
首先创建一个沿Z 轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为（0，0，gap/2），半径为dip_radius，长度为dip_length，材质为理想导体，模型命名为Dipole ，如下：
然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。此时就创建出了偶极子的模型如下：
2）、设置端口激励
半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ 面的矩形面作为激励端口平面，并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，因此顶点坐标为（0，-dip_radius，-gap/2），长度和宽度分别为2*dip_radius和gap 。如下：
然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励。由之前的理论分析可得，半波偶极子天线的输入阻抗为73.2Ω，为了达到良好的阻抗匹配，将负载阻抗也设置为73.2 Ω。 随后进行端口积分线的设置。此处积分线为矩形下边缘中点到矩形上边缘中点。 3）、设置辐射边界条件
要再仿真软件中计算分析天线的辐射场，必须先设置辐射边界条件。本次设计中我采用辐射边界和天线的距离为1/4个工作波长。这里，我们先创建一个沿着Z 轴放置的
圆柱体模型，其材质为空气，底面圆心坐标为（0,0，-rad_height）, 半径为rad_radius，高度为2*rad_height。具体参数如下：
然后将圆柱体表面设置为辐射边界条件：
３、求解设置
分析的半波偶极子天线的中心频率在3GHz 左右，所以把求解频率设置为3GHz 。同时添加2.5~3.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频，分析天线在2.5~3.5GHz频段内的回波损耗和电压驻波比。 1） 、求解频率和网络剖分设置
设置求解频率为3GHz ，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。如下：
2）、扫频设置
扫频类型选择快速扫频，扫频范围为2.5~3.5GHz，扫频步进为0.001GHz 。如下：
４、设计检查和运行仿真计算
通过前面的操作，我已经基本完成了偶极子天线模型的创建个求解设置等ＨＦＳＳ设计的前期工作，现在开始运行仿真计算并查看分析结果。检查设计的完整性和正确性：
随后开始分析。
５、ＨＦＳＳ天线问题的数据后处理
在完成了模型的创建和检查后，现在开始对天线的各项性能参数进行仿真分析，主要有回波损耗、驻波比、Ｓｍｉｔｈ圆图、输入阻抗和方向图等。 １）、回波损耗
根据软件仿真结果，可以得到如下的在2.5~3.5GHz频段内的回波损耗S 11的分析结果：
从结果可以看出，设计的偶极子天线中心频率为3GHz 左右，S 11
如图所示：
3）、Smith 圆图
在天线的相关问题的分析中Smith 圆图是一个非常有用的工具，借助它可以方便的进行阻抗匹配，给出驻波比，归一化输入阻抗等各种信息。在HFSS 中得到的Smith 圆图如下：
从Smith 圆图中可以看出，在中心频率为3GHz 的归一化阻抗约为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。VSWR
4）、输入阻抗
输入阻抗是天线的一个重要性能参数，我们可以通过HFSS 直接查看天线的输入阻抗值。
从结果报告中可以看出，设计的半波偶极子天线在中心频率3GHz 上，输入阻抗为（72.8-j0.4）Ω，与理论分析比较接近。 5）、方向图
天线方向图是方向性函数的图形表示，它可以形象的描述天线的辐射特性随着空间方向坐标的变化。首先定义辐射表面如下：
E 面方向图参数设置：
H 面方向图参数设置：
3D 方向图参数设置：
随后可以查看xz ，xy 和三围增益方向图。
xz 增益方向图 xy 增益方向图
3D 增益方向
6）、其他参数
除了上述的个参数外，HFSS 还可以给出天线在辐射面上的最大辐射强度、方向性系数、最大场强及其所在方向等参数。如下：
三、实验总结：
通过这次实验，我先认识到HFSS 在处理天线仿真时的强大。基本了解了HFSS 软件分析和设计天线的基本操作，并且通过这个操作过程对对称偶极子天线的基本性能和频率、方向图和增益等参数有了基础认识，了解了其基本结构和工作原理。