半波偶极子天线的HFSS仿真设计

天线原理与设计 华中科技大学

半波偶极子天线的HFSS仿真设计

一、 实验目的

1、 学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法； 2、 了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法；

3、 通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图

特性等； 4、 通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法；

二、 实验仪器

1、 装有windows系统的PC一台 2、 HFSS13.0软件 3、 截图软件

三、 实验原理

1、 首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。

图1 对称振子对称结构及坐标

2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a，长度为l。两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。

3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为：

式中，Im为天线上波腹点的电流；k=w/c为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心点对称；超过半波长就会出现反相电流。

4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。

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半波偶极子天线设计

图2 对称振子辐射场的计算

如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为

其中

5、方向函数

四、 实验步骤

1、 设计变量

设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。 提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化

2、 创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。

其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。

3、 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。

4、 设置辐射边界条件

要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。这里创建一个沿Z轴

放置的圆柱模型，材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。

5、 外加激励求解设置

分析的半波偶极子天线的中心频率在3G Hz，同时添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。

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半波偶极子天线设计

6、 设计检查和运行仿真计算

7、 HFSS天线问题的数据后处理

具体在实验结果中阐释。

五、 实验结果

1、 回波损耗S11

回波损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是天线设计需要关注的参数之一。

图中所示是在2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的回波损耗，设计的偶极子天线中心频率约为3 G Hz，S11<-10dBd的相对带宽BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%

2、 电压驻波比

驻波比,一般指的就是电压驻波比,是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。

由图可以看到在3GHZ附近时，电压驻波比等于1，说明此处接近行波，传输特性比较理想。 3、 smith圆图

史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法。采用双线性变换，将z复平面上实部 r=常数和虚部 x＝常数 的两族正交直线变化为正交圆并与反射系数|G|=常数和虚部x＝常数 套印而成。

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半波偶极子天线设计

从smith圆图可以看到，在中心频率3GHz时的归一化阻抗约为1，说明端口的阻抗

特性匹配良好。 4、 输入阻抗

传输线等电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配。

图中所示的输入阻抗分别为实部和虚部，在中心频率3GHz时，输入阻抗比较的理想，容易实现匹配。 5、 方向图

方向图是方向性函数的图形表示，可以形象描绘天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系。辐射特性有辐射强度、场强、相位和极化。通常讨论在远场半径为常数的大球面上，天线辐射（或接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场强方向图。天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。 电场方向图：

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由图可以看到，电场方向以Z轴为对称轴，在XOY平面上电场最强，且沿四周均匀辐射。但沿着Z轴方向电场强度很弱。

磁场方向图：

磁场方向图在XOY平面上接近一个圆，虽然看上去有些误差。说明磁场在XOY平面上辐射较为均匀。

三维增益方向图：

这张图可以很具体的看出半波偶极子天线沿着Z轴对称辐射的情况。

6、 其他参数

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nru7.html