1、肇慶學院 12通信2班 楊桐爍 201224124202實驗一  T形波導的內場分析和優化設計實驗目的 1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及工作流程。     2、 掌握T型波導功分器的設計方法、優化設計方法和工作原理。 實驗儀器1、 裝有windows 系統的PC 一臺2、 HFSS13.0 或更高版本軟件3、 截圖軟件T形波導的內場分析實驗原理本實驗所要分析的器件是下圖所示的一個帶有隔片的T形波導。其中，波導的端口1是信號輸入端口，端口2和端口3是信號輸出端口。正對著端口1一側的波

2、導壁凹進去一塊，相當于在此處放置一個金屬隔片。通過調節隔片的位置可以調節在端口1傳輸到端口2，從端口1傳輸到端口3的信號能量大小，以及反射回端口1的信號能量大小。實驗步驟1、 新建工程設置：運行HFSS并新建工程、選擇求解類型、設置長度單位2、 創建T形波導模型：創建長方形模型、設置波端口源勵、復制長方體、合并長方體、創建隔片3、 分析求解設置：添加求解設置、添加掃頻設置、設計檢查4、 運行仿真分析5、 查看仿真分析計算結果內場分析結果1、 圖形化顯示S參數計算結果圖形化顯示S參數幅度隨頻率變化的曲線2、 查看表面電場分布 表面場分布圖3、動態演示場分布圖T形波導的優化設計實驗原理利用參數掃描

3、分析功能。分析在工作頻率為10GHz時，T形波導3個端口的信號能量大小隨著隔片位置變量Offset的變化關系。利用HFSS的優化設計功能，找出隔片的準確位置，使得在10GHz工作頻點，T形波導商品3的輸出功率是端口2輸出功率的兩倍。實驗步驟1、 新建一個優化設計工程2、 參數掃描分析設置和仿真分析：添加參數掃描分析項、定義輸出變量、運行參數掃描分析3、 優化設計：添加優化變量、添加目標函數、設置優化變量的取值范圍、運行優化分析。實驗結果1、 創建功率分配隨變量Offset變化的關系圖輸出變量隨變量Offset變化的關系圖分析：從上圖所示的圖可以看出，當變量Offset值逐漸變大時，即隔片位置向

4、端口2移動時，端口2的輸出功率逐漸減小，端口3的輸出功率逐漸變大；當隔片位置變量Offset超過0.3英寸時，端口1的反射明顯增大，端口3的輸出功率開始減小。因此，在后面的優化設計中，可以設置變量Offset優化范圍的最大值為0.3英寸。同時，在Offset=0.1英寸時，端口3的輸出功率約為0.65，端口2的輸出功率略大于0.3，此處端口3的輸出功率約為端口2輸出功率的兩倍。因此，在優化設計時，可以設置變量Offset的優化初始值為0.1英寸。另外，變量Offset優化范圍的最小值可以取0英寸。優化設計結果實驗總結通過本次HFSS 天線仿真實驗，使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活

5、中我們可以見到各種奇形怪狀的天線，卻不知其意義何在。在這次實驗過程中，我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻，對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識，對天線的各種參數也有了具體的理解，這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。實驗二 HFSS仿真對稱振子天線實驗目的 1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及工作流程。     2、 掌握對稱振子天線的設計方法、優化設計方法和工作原理。實驗儀器1、 裝有windows 系統的PC 一臺2、 HFSS13.0 或更高版本軟件3、 截圖軟件實驗步驟1、新建一個

6、優化設計工程2、參數掃描分析設置和仿真分析：添加參數掃描分析項、定義輸出變量、運行參數掃描分析3、優化設計：添加優化變量、添加目標函數、設置優化變量的取值范圍、運行優化分析。實驗數據表1 對稱振子天線三維體模型名稱形狀頂點(x,y,z) (mm)尺寸(mm)材料arm1圓柱體(0,0,0.5)radius=$r，height=$lPecarm2圓柱體(0,0,-0.5)radius =$r，height=-$lPecairbox長方體(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$rysize=2*$lbd/3+2*$rzsize=2*

7、$lbd/3+2*$lvacuum表2 對稱振子天線二維面模型名稱所在面形狀頂點(mm)尺寸(mm)邊界/源feedxz矩形(-$r,0,-0.5)dx=2*$r, dz=1Lumped port表3 變量表變量名變量初始值（mm）變量值（mm）$lbd 100$l2525 (50, 75, 100)$r11 (2, 3, 4)實驗步驟1、新建一個優化設計工程2、參數掃描分析設置和仿真分析：添加參數掃描分析項、定義輸出變量、運行參數掃描分析3、優化設計：添加優化變量、添加目標函數、設置優化變量的取值范圍、運行優化分析。實驗步驟1.打開HFSS，新建工程，將工程保存為dipole。2 設置求解類

8、型。3 設置單位。4 畫對稱振子的一支臂，形狀為圓柱體，命名為 arm1，材料設置為理想導體，半徑設置為變量$r，臂長設置為變量$l。 5 畫饋電模型，形狀為zx面上的矩形，命名為feed，設置為lumped port激勵方式。6 畫輻射箱，命名為airbox，形狀為長方體，材料為真空，邊界條件為radiation。7 設置求解頻率3GHz，掃頻1-5GHz。8 檢查及運行計算9 畫電流分布10 畫S參數曲線11 畫阻抗曲線12 畫方向圖13 掃描變量$l實驗結果圖airbox及天線圖 振子上電流幅度分布圖 |S11|曲線圖24阻抗曲線。圖29 二分之一波長對稱振子三維增益圖圖 二分之一波長對

9、稱振子E面方向圖圖 S參數隨$r變化曲線圖36 $r=2mm，S參數隨$l變化曲線圖39 掃描變量$l得到的方向圖實驗三 HFSS 微帶天線仿真設計實驗目的 1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及工作流程。     2、 掌握微帶天線仿真設計原理和方法。 實驗儀器1、 裝有windows 系統的PC 一臺2、 HFSS13.0 或更高版本軟件3、 截圖軟件實驗原理微帶天線的輻射機理實際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導體完全封閉，電路中的不連續處就會產生電磁輻射。例如微帶電路的開路端，結

10、構尺寸的突變、折彎等不連續處也會產生電磁輻射（泄漏）。當頻率較低時，這些部分的電尺寸很小，因此電磁泄漏小；但隨著頻率的增高，電尺寸增大，泄漏就大。再經過特殊設計，即放大尺寸做成貼片狀，并使其工作在諧振狀態。輻射就明顯增強，輻射效率就大大提高，而成為有效的天線。實驗步驟1、 創建微帶天線模型：設置默認的長度單位、建模相關選項設置、添加和定義設計變量、創建介質基片、創建輻射貼片、創建參考地、創建同軸饋線的內芯、創建信號傳輸端口面2、 設置邊界條件和激勵：設置邊界條件、設置輻射邊界條件、設置端口激勵3、 求解設置：求解頻率和網格剖分設置、掃頻設置4、 設計檢查和運行仿真分析：設計檢查、運行仿真分析5

11、、 參數掃描分析：添加參數掃描分析項、運行參數掃描分析、查看分析結果6、查看仿真分析結果實驗結果1、 查看天線回波損耗分析：從圖中可以看出設計的微帶天線諧振頻率在2.45GHz附近，且在2.45GHz頻點上的回波損耗值為20.7dB左右。2、分析諧振頻率隨輻射貼片長度L0的變化關系分析：從圖中可以看出，隨著長度L0值的增加，天線的諧振頻率逐漸降低。當L0=27.5mm時，諧振頻率為2.44GHz；當L0=28mm時，諧振頻率為2.48GHz；所以2.45GHz諧振頻率對應的L0長度介于27.5mm28.mm。3、分析諧振頻率隨輻射貼片長度W0的變化關系分析：從上圖所示分析結果可以看出，輻射貼片

12、寬度W0由30 mm變化到40 mm時，天線的諧振頻率變化很小，即天線的諧振頻率不隨輻射貼片寬度變化而變化。實驗總結通過本次HFSS 天線仿真實驗，使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線，卻不知其意義何在。在這次實驗過程中，我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻，對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識，對天線的各種參數也有了具體的理解，這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。實驗四 半波偶極子天線仿真實驗報告實驗目的1、學會簡單搭建天線仿真環境的方法，主要是熟悉日HFSS軟件的使用方法2、了解利用HFSS仿真軟件設計和仿真天線的原理、過程和方法3

13、、通過天線的仿真，了解天線的主要性能參數，如駐波比特性、smith圓圖特性、方向圖特性等4、通過對半波偶極子天線的仿真，學會對其他類型天線仿真的方法實驗儀器1、裝有windows系統的PC一臺2、HFSS 15.03、截圖軟件實驗原理 首先明白一點:半波偶極子天線就是對稱陣子天線。2, 對稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長導線構成的振子天線。一臂的導線半徑為。， 長度為I。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計，所以振子的總長度L=21。對稱振 子的長度與波長相比擬，本身己可以構成實用天線。3, 在計算天線的輻射場時，經過實踐證實天線上的電流可以近似認為是按正弦律分布。取圖1的坐標，并忽略振子

14、損耗，則其電流分布可以表示為: 式中，Im為天線上波腹點的電流;IC=WC為相移常數、根據正弦分布的特點，對稱振子的末端為電流的波節點;電流分布關于振子的中心店對稱;超過半波長就會出現反相電流。4,在分析計算對稱振子的輻射場時，可以把對稱振子看成是由無數個電流I(z),長度為dz的電流元件串聯而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理，對稱振子的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。圖2對稱振子輻射場的計算如圖2所示，電流元I(z)所產生的輻射場為5、方向函數實驗步驟1、設計變量(以表格的形式列出來) 設置求解類型為Driven Model類型，并設置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本參數并初始

15、化、創建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。(模型截圖貼在下面)其中偶極子天線的另外一個臂是通過坐標軸復制來實現的。設置端口激勵(附以截圖)半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創建一個平行于YZ面的矩形面作為激勵端口平面。4、設置輻射邊界條件(截圖) 要在HfSS中計算分析天線的輻射場，則必須設置輻射邊界條件。這里創建一個沿Z軸 放置的圓柱模型，材質為空氣。把圓柱體的表面設置為輻射邊界條件。 外加激勵求解設置分析的半波偶極子天線的中心頻率在3G日z，同時添加2.5 G日:3.5 G日:頻段內的掃頻設置，掃頻類型為快速掃頻。6、設計檢查和運行仿真計算7、HFSS天線問題的數據后處理

16、(截圖，并做相應的說明)具體在實驗結果中闡釋。實驗結果1、回波損耗S11 回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產生的反射，是一對線自身的反射，是天線設計需要關注的參數之一。圖中所示是在2.5 G日z 3.5 G日z頻段內的回波損耗，設計的偶極子天線中心頻率約為3GHz, S11<-10dBd的相對帶寬BW= (3.25-2.775) /3*1000/=15.83%2、電壓駐波比 駐波比，一般指的就是電壓駐波比，是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。由圖可以看到在3G赫茲附近時，電壓駐波比等于1，說明此處接近行波，傳輸特性比較理想。3, smith圓圖史密斯圓圖是一種計算阻抗、反射系數等

17、參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換， 將z復平面上。實部r=常數和虛部x=常數兩族正交直線變化為正交圓并與:反射系數|G|=常數和虛部X=常數套印而成。 從smith圓圖可以看到，在中心頻率3G赫茲時的歸一化阻抗約為1，說明端口的阻抗特性匹配良好。4,輸入阻抗傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現的阻抗。實質上是個等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進行阻抗匹配。 圖中所示的輸入阻抗分別為實部和虛部，在中心頻率3G赫茲時，輸入阻抗比較的理想，容易實現匹配。5、方向圖 方向圖是方向性函數的圖形表示，他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標的變化關系。輻射特性有輻射強度、場強、相位和極化。通常討論在遠

18、場半徑為常數的大球面上，天線輻射(或接收)的功率或者場強隨位置方向坐標的變化規律，并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠場區確定的，所以又叫遠場方向圖。 電場方向圖:由圖可以看到，電場方向以Z軸為對稱軸，在XOY平面上電場最強，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場強度很弱。磁場方向圖:磁場方向圖在XOY平面上接近一個圓，雖然看上去有些誤差。說明磁場在XOY平面上輻射較為均勻。三維增益方向圖:這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著Z軸對稱輻射的情況。6、其他參數利用HFSS軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強度、方向性系數、最大強度及其所在方向等參數。實驗分析設計一個天線

19、，無論是作為發射天線還是接收天線，我們都很關心其方向參數、輸入阻抗參數、增益參數、頻帶寬度等參數。這里也主要就上訴幾個參數來討論半波偶極子天線的優缺點。1、半波偶極子天線在軸向無輻射2、半波偶極子天線的輻射與其電長度密切相關。當電長度小于0.5時，波瓣寬度最窄，在 垂直與軸向的平面內輻射最強，隨著電長度的增加，開始出現副瓣，主瓣寬度變寬，最 大輻射方向發生偏移。3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈，說明寬頻帶時其較難實現負載匹配，所以相對應的頻帶寬度也較窄。4、在諧振頻率附近時，我們從圖中可以看到，天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗，實現匹配較易，而且在中心頻率附近，電波的傳輸特性也最

20、好，從而可以實現較大效率的功率傳輸。5、通過對實驗得到結果的分析，不難發現，半波偶極子天線的諸多特性與電長度關系很大，所以可以通過調整天線的電長度來實現不同功能和要求的半波偶極子天線應用。6、最后還要補充一點:半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細有關。實驗總結 通過本次日SS天線仿真實驗，使我更加真實、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線，卻不知其意義何在。在這次實驗過程中，我不停的操作、翻閱資料、上網查閱文獻，對天線仿真設計的各個環節有了一個較為清楚的認識，對天線的各種參數也有了具體的理解，這些東西對以后的相關學習和研究打下了基礎。另外，這次實驗中我感覺較難的部分在

21、與如何通過確定一種具體天線的參量模型來模擬設計天線模型，來仿真驗證天線特性。實驗五 微帶犬線實驗目的 1、 熟悉并掌握HFSS的工作界面、操作步驟及工作流程。     2、 掌握微帶犬線仿真設計原理和方法。 實驗儀器1、 裝有windows 系統的PC 一臺2、 HFSS13.0 或更高版本軟件3、 截圖軟件 實驗原理微帶犬線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的，它是在一塊厚度遠小于工作波長的介質基片的一面敷以金屬輻射片，一面全部敷以金屬薄層作接地板而成。輻射片可以根據不同的要求設計成各種

22、形狀·。微帶天線由于具有質量輕、休積小、易于制造等優點，現今已經廣泛應用于個人無線通信中。1微帶天線結構是一個簡單的微帶貼片天線的結構示意圖，由輻射元、介質層和參考地三部分組成。與天線性能相關的參數包括輻射元的長度L,輻射元的寬度W,、介質層的厚度h、介質的相對介電常數拭和損耗正切階次介質層的長度LG和寬度WG如果介質基片中的場同時沿寬度和長度方向變化，這時微帶天線應該用輻射貼片周用的4個縫隙的輻射來等效。2微帶天線的饋電 微帶天線有多種饋電方式，如微帶線饋電、同軸線饋電、藕合饋電C Coupled Feed )和縫G!饋電(Slot Feed )等，其中最常用的是微帶線饋電和同軸線

23、饋電兩種饋電方式。本章將要設計的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電。 同軸線鎖電又稱為背饋，已是將同軸插座安裝在接地板上，同軸線內導體穿過介質基片接在輻射貼l.f:.，如圖10.3所示，尋取正確的饋電點的位置就可以獲得良好的匹配。3矩形微帶天線的特性參數1.微帶輻射貼片尺寸估算 設計微帶大線的第·步是選擇合適的介質基片，然后再估算出輻射貼片的尺寸。假設介質的介電常數為Er，對一于工作頻率f的矩形微帶大線，可以用F式沒計出高效率輻射貼片的寬度*，即:式中，c是光速。輻射貼片的長度一般取為兒12，這里，凡是介質內的濘波波長，即:考慮到邊緣縮短效應后，實際_卜的輻射單元長度L應為:式中，s

24、e是有效介電常數，魷是等效輻射縫隙長度，可以分別用下式計算:2.同軸饋點位置的估算 對于同軸線饋電的微帶貼片天線，在確定了貼片長度L和寬度w之后，還需要確定同軸線饋點的位置，饋點的位置會影響天線的輸入阻抗。在主模TM10工作模式下，在寬度w方向上電場強度不變，因此饋電點在寬度、方向的位移對輸入阻抗的影響很小，但在寬度方向卜偏離中心位置時，會激發TM10模式，增加天線的交叉極化輻射，因此寬度方向r.饋電點的位置一般取在中心點(y=07饋電點在矩形輻射貼片長度L方向邊緣處(x= L12)的輸入阻抗最高，約為t Oa到400歐姆之間，而在輻射貼片的幾何中心點(x!0 y=0)處的輸入阻抗則為零，因此

25、在長度L方向上，從輻射貼片的幾何中心到兩側輸入阻抗由零逐漸增大:對于如圖10.3所示的同軸線饋電的微帶貼片天線，由下式可以近似v一算出輸入阻抗為50歐姆時的饋電點的位置:3.輻射場如前所述，矩形微帶天線可以視作一段長L為iJ2的低阻抗微帶傳輸線，它的輻射場被認為是由傳輸線兩端開路處的縫隙所形成的。因此，矩形微帶天線可以等效為長w.寬方、間距為L的二元縫隙天線陣。單個縫隙天線的方向性函數為:因此，矩形微帶天線的輻射場只需在單縫隙大線的表達式中乘以二元陣的陣因子就可以了。這樣，矩形微帶天線的方向性函數可以表示為: 工程設計中關心的多是F面（ =90)和H面（=90）方向圖，于是由式(10.1.10

26、)可得E面的力向性函數為:考慮到kh<<1 ,則式(4-1-9)可以近似寫為:H面的方向性函數為:4.方向性系數根據方向性系數的定義，可以給出微帶大線的方向性系數為: 本章設計的矩形微帶人線工作于ISM頌段，其中心頻率為2.45GHz;無線局域網( WLAN ),藍牙、ZigBee等無線網絡均1.作在該頻段上。介質摧片采用厚度為1.6mm的FIt4環氧樹脂(FR4 Epoxy)板，其相對介質常數=4.4，天線使用50歐姆同軸線饋電。下面根據10.1節給出的推導公式來計算微帶天線的幾何尺寸，包括貼片的長度L,寬度W和同軸線憤點的位置1. 矩形貼片的寬度W把c=3.Ox108m/s,f

27、0=2.45CrHz, =4.4代入式(10-1-1)可以計算出微帶天線矩形貼片的寬度，2.有效介電常數&把h=1.6mm, W= 37.26mm, =4.4代入式(10-1-4 )，可以計算出有效介電常數，即3.輻射縫隙的長度L把h=1.6mm, W=37.26mm, =4.08代入式( 10-1-5)，可以計算出微帶天線輻射縫隙的一長度，4.矩形貼片的長度L 把c=3.0x108m/s.f0=2.45GHz,=4.8, L=1.12mm代入式10-1-3),可以計算出微帶天線矩形貼片的長度，即5.同軸線饋點的位置 把=4.4 ,W=37.26mm, L=28.C37mm代入式(10-1-7)和式10-1-6)計算出50歐姆匹配點的近似位置，即實驗步驟1. 新建工程2. 添加自定義變量3. 設計建模4. 設置邊界條件5. 設置端口激勵6. 求解設置7. 設計檢查和運行仿真計算實驗結果及其截圖:1.原實驗結果 (1)建模完成：（2）