1、半波偶極子天線設計半波偶極子天線的HFSS仿真設計一、 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、 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；二、 實驗儀器1、 裝有windows系統的PC一臺2、 HFSS13.0軟件3、 截圖軟件三、 實驗原理1、 首先明白一點：半波偶極子天線就是對稱陣子天線。 圖1 對稱振子對稱結構及坐標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

2、天線。一臂的導線半徑為a，長度為l。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=2l。對稱振子的長度與波長相比擬，本身已可以構成實用天線。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；k=w/c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點對稱；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

3、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)所產生的輻射場為其中5、方向函數四、 實驗步驟1、 設計變量設置求解類型為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化2、 創建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。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。3、 設置端口激勵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

4、的表面設置為輻射邊界條件。5、 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 Hz，同時添加2.5 G Hz 3.5 G Hz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具體在實驗結果中闡釋。五、 實驗結果1、 回波損耗S11回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產生的反射，是天線設計需要關注的參數之一。圖中所示是在2.5 G Hz 3.5 G Hz頻段內的回波損耗，設計的偶極子天線中心頻率約為3 G Hz，S11<-10dBd的相對帶寬BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%2、 電壓駐波比駐波比,一般指的就

5、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3GHZ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 的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3GHz時的歸一化阻抗約為1，說明端口的阻抗特性匹配良好。4、 輸入阻抗傳輸線等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

6、Hz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，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強方向圖。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

7、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。 六、 實驗分析設計一個天線，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。這里也主要就上述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好，從而可以實現較大效率的功率傳輸；5、 通過對實驗