江苏大学通信系统天线综合课程设计.docx
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江苏大学通信系统天线综合课程设计
JIANGSUUNIVERSITY
通信系统天线综合课程设计
学院名称:
专业班级:
学生姓名:
学生学号:
1、课程设计目的
通过综合课程设计,在学习EDA仿真软件HFSS使用方法的基础上,掌握常见通信系统天线的仿真设计方法。
2、课程设计内容:
以“通信系统天线”课程课件“Ch4.1偶极和单极天线”、“Ch4.2常用振子天线和馈电技术”、“Ch5宽带天线_c”、“Ch6移动系统常用天线_c”为参考资料,分别仿真偶极子天线、UHFprobe振子天线、共面波导馈电领结天线和同轴馈电贴片天线,并对天线进行分析。
三、设计步骤及仿真结果
天线设计实例1:
偶极子天线
1)设计步骤
打开HFSS并保存一个新项目
打开File选项(alt+F),单击Saveas。
输入项目名hfss_dipole。
一.Step1创建模型
1、创建振子1
(1)选择cylinder图标
(2)输入参数:
切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置圆柱体的基坐标为(x=0mm,y=0mm,z=1.25mm);按下Enter键后输入半径和长度:
dx=2.5mm,dy=0mm,dz=73.75mm。
(3)设置振子1的名称和材料
在对象列表中双击cylinder1,
弹出如下属性窗口。
设置名称:
将Name改为“pole1”。
设置材料:
单击Material的Value,在如下对话框中输入“pec”并确定。
2、创建振子2
(1)选择cylinder图标
(2)输入参数:
切换到参数设置区,设置圆柱体的基坐标为(x=0mm,y=0mm,z=-1.25mm);按下Enter键后输入半径和长度:
dx=2.5mm,dy=0mm,dz=-73.75mm。
注意此时坐标的选取。
(3)设置名称和材料
设置名称为“pole2”,材料同为“pec”。
设置完毕,如下图所示。
3、创建空气腔(规定计算的区域)
(1)选择box图标
(2)输入参数:
切换到参数设置区,设置长方体的基坐标为(x=-115mm,y=-115mm,z=-185mm);按下Enter键后输入三边的长度:
dx=230mm,dy=230mm,dz=370mm。
(3)设置名称和材料
双击对象列表中的“Box1”,设置名称为“air”,材料为“vacuum”,透明度Transparent为0.9。
同时按下ctrl和D键(ctrl+D),将视图调整一下。
二.Step2设定边界条件
1、将air设置成辐射边界条件;
在对象列表中选中air,单击鼠标右键,进入AssignBoundary选项,点击Raditation选项。
并此边界命名为air。
3.Step3设置激励
1、绘制激励所在的矩形
(1)在绘图区域中切换为yz平面。
(2)绘制矩形
选择rectangle图标
切换到参数设置区,设置长方形的基坐标为(x=0mm,y=-2.5mm,z=-1.25mm);按下Enter键后输入长度:
x方向0mm,y方向5mm,z方向2.5mm。
3)更改名称
把矩形名称更改为“port1”。
2、添加激励
在对象列表中,右键单击“port1”,按下图所示添加激励“LumpedPort”。
四.Step4设定求解的参数
1、选择一种求解方式
(1)在HFSS菜单上,点击SolutionType选项。
(2)选择源激励方式,在SolutionType对话框中选中DrivenMode项。
2、添加求解设置
(1)在项目管理列表中,右键单击Analysis。
(2)选择AddSolutionSetup。
(3)设置求解频率为“0.9GHz”。
3、添加扫频设置
(1)在项目管理列表中,右键单击Analysis-Setup1。
(2)选择AddSweep。
(3)设置扫频类型为“Fast”,起止频率为“0.5GHz”-“1.5GHz”,取样点数101点。
4、添加远场设置
(1)在项目管理列表中,右键单击Radiation。
(2)选择InsertFarFieldSetup->InfiniteSphere。
(3)设置Phi:
0-360°,Theta:
-180-180°。
2)仿真结果及分析
五.Step5求解
1、在项目管理列表中,右键选择Analysis-Setup1。
2、选择Analyze选项。
可以看出已经收敛。
六.Step6后处理
1、S参数
定义S11<-10dB的频率范围为天线的频带范围
如该天线的带宽为0.85~0.95GHz
2、方向图
天线设计实例2:
UHFprobe振子天线
1)设计步骤
一.创建项目
1、加入一个新的HFSS设计
(1)在Project菜单,点击insertHFSSDesign选项。
2、选择一种求解方式
(1)在HFSS菜单上,点击SolutionType选项.
(2)选择源激励方式,在SolutionType对话框中选中DrivenTerminal项。
3、设置设计使用的长度单位
(1)在3DModeler菜单上,点击Units选项.
(2)选择长度单位,在SetModelUnits对话框中选中in项。
4、设置材料
(1)在3DModeler的材料选框中选择Select
(2)输入cooper并选中
二.构造模型
1、建立物理模型
(1)画圆柱体
在Draw菜单中,点击Cylinder选项
(2)输入圆柱体参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),圆柱体坐标基点圆心坐标:
:
X=0,Y=0,Z=0;半径:
dX=0.31,dY=0,dZ=0高度:
dX=0,dY=0,dZ=5(3)设置圆柱体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。
这里,我们把这个圆柱体命名为ring_inner。
设置完毕后,同时按下ctrl和D键(ctrl+D),将视图调整一下。
(4)继续画圆柱体
在Draw菜单中,点击Cylinder选项
(5)输入圆柱体参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),圆柱体坐标基点圆心坐标:
:
X=0,Y=0,Z=0;半径:
dX=0.37,dY=0,dZ=0高度:
dX=0,dY=0,dZ=5(6)设置圆柱体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为这个圆柱体命名为ring_1。
(7)在操作历史树中利用ctrl键先选中ring_1,再选中ring_inner;在3DModeler菜单上,点击Boolean选项,再选择Subtract项。
设置参数BlankParts:
ring_1ToolParts:
ring_inner
(8)创建ring2
选中ring_1,在Edit菜单中选中Copy,再选Paste。
在ring_2中改变半径为0.5
把ring_1的半径改为0.435
(9)画长方体。
在Draw菜单中,点击Box选项;
(10)输入参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x=-0.1,y=-0.31,z=5);按下Enter键后输入三边长度:
x方向0.2,y方向-4.69,z方向-0.065。
注意:
在设置时不要在绘图区中点击鼠标。
(11)设置长方体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。
这里,我们把这个长方体命名为Arm_1。
设置完毕后,同时按下ctrl和D键(ctrl+D),将视图调整一下。
(12)选择所有部件,在3DModeler菜单上,点击Boolean选项,再选择Unite项。
(13)继续画圆柱体
在Draw菜单中,点击Cylinder选项
(14)输入圆柱体参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),圆柱体坐标基点圆心坐标:
:
X=0,Y=0,Z=0;半径:
dX=0.1,dY=0,dZ=0高度:
dX=0,dY=0,dZ=5.1(15)设置圆柱体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为这个圆柱体命名为center_pin。
(16)继续画长方体。
在Draw菜单中,点击Box选项;
(17)输入参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x=-0.1,y=-0,z=5.1);按下Enter键后输入三边长度:
x方向0.2,y方向5,z方向-0.065。
注意:
在设置时不要在绘图区中点击鼠标。
(18)设置长方体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们把这个长方体命名为Arm_2。
(19)继续画圆柱体
在Draw菜单中,点击Cylinder选项
(20)输入圆柱体参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),圆柱体坐标基点圆心坐标:
:
X=0,Y=1,Z=0;半径:
dX=0.0625,dY=0,dZ=0高度:
dX=0,dY=0,dZ=5.1
(21)设置圆柱体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为这个圆柱体命名为pin。
(22)选择Arm_2,center_pin,pin,在3DModeler菜单上,点击Boolean选项,再选择Unite项。
(23)画圆形。
在Draw菜单中,点击Circle选项
(24)输入圆形参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置圆形的圆形基坐标为(x=0,y=8,z=0);按下Enter键后输入三边长度:
x方向0.31,y方向0,z方向0。
注意:
在设置时不要在绘图区中点击鼠标。
(25)输入圆形属性。
单击Attribute页,在Attribute页我们把这个圆形命名为p1。
(26)更改材料为vacuum
(27)继续画长方体。
在Draw菜单中,点击Box选项;
(28)输入参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置长方体的基坐(x=-5,y=-10,z=0);按下Enter键后输入三边长度:
x方向10,y方向20,z方向12。
注意:
在设置时不要在绘图区中点击鼠标。
(29)设置长方体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们把这个长方体命名为Air。
(30)将air设置成辐射边界条件;
在操作历史树中选中air,单击鼠标右键,进入AssignBoundary选项,点击Raditation选项。
此时HFSS系统提示你为此边界命名,我们把此边界命名为Rad1。
(31)在操作历史树中选中p1,单击鼠标右键,进入AssignExcitation选项,点击Waveport选项。
点击积分线(IntegrationLine)下的None选项并下拉,选择NewLine,会出现CreateLine消息框。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),输入起始点坐标(x=0.31,0,0),按下Enter键后输入激励源矢量(dx=-0.21,dy=0,dz=0)。
(32)选择Z=0的一面,单击鼠标右键,进入AssignBoundary选项,点击FiniteConductivity选项。
名称改为gnd_plane,前两个选框之前打钩,材料输入cooper。
(33)添加远场设置
在项目管理列表中,右键单击Radiation。
选择InsertFarFieldSetup->InfiniteSphere。
命名为ff_2d
设置Phi:
0-90°,StepSize:
90Theta:
-180-180°StepSize:
2。
(34)添加求解设置
在项目管理列表中,右键单击Analysis。
选择AddSolutionSetup。
设置求解频率为“0.55GHz”。
最大迭带次数10,最大误差0.02
(35)添加扫频设置
在项目管理列表中,右键单击Analysis-Setup1。
选择AddSweep。
设置扫频类型为“Fast”,起止频率为“0.35GHz”-“0.75GHz”,取样点数401点。
SaveFields打钩。
(36)打开File选项(alt+F),单击Saveas。
输入项目名hfss_uhf_probe。
(37)将求解的条件设好后,我们来看看HFSS的前期工作是否完成,在HFSS菜单下,点击validationcheck。
再次选中Project工作区的Analysis;点击鼠标右键,选中Analyze即可开始求解当求解过程结束后,在MessageManager窗口会有相应的提示。
2)仿真结果及分析
1、右击Results,SolutionData查看结果
2、S参数图
3、2D视图
天线设计实例3:
共面波导馈电领结天线
1)设计步骤
一.创建项目
1、加入一个新的HFSS设计
(1)在Project菜单,点击insertHFSSDesign选项。
2、选择一种求解方式
(1)在HFSS菜单上,点击SolutionType选项.
(2)选择源激励方式,在SolutionType对话框中选中DrivenModal项。
3、设置设计使用的长度单位
(1)在3DModeler菜单上,点击Units选项.
(2)选择长度单位,在SetModelUnits对话框中选中mm项。
4、设置材料
(1)在3DModeler的材料选框中选择Select
(2)输入并选中ArlonCuClad217(tm)
二.构造模型
1、建立物理模型
(1)画长方体。
在Draw菜单中,点击Box选项;
(2)输入参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x=-17,y=-32,z=0);按下Enter键后输入三边长度:
x方向34,y方向64,z方向-2。
注意:
在设置时不要在绘图区中点击鼠标。
(3)设置长方体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。
这里,我们把这个长方体命名为Sub1。
设置完毕后,同时按下ctrl和D键(ctrl+D),将视图调整一下。
(4)利用Rectangle创建金属层
在Draw菜单中,点击Rectangle选项
参数如下X=-17,Y=-32,Z=0
dX=34,dY=64,dZ=0
重命名为CuClad
(5)选中CuClad单击鼠标右键,进入AssignBoundary选项,点击FiniteConductivity选项。
名称改为Cu_bound,第一个选框之前打钩,材料输入cooper。
(6)利用Rectangle创建馈线(缝隙)
在Draw菜单中,点击Rectangle选项
参数如下X=-0.5,Y=0.5,Z=0
dX=13,dY=0.6,dZ=0
重命名为Rect1
(7)利用Line创建领结多边形
在Draw菜单中,点击Line选项
参数如下X=-0.5,Y=0.5,Z=0
X=-6.7,Y=21,Z=0
X=6,Y=21,Z=0
X=0.5,Y=1.1,Z=0
重命名为Bowtie
(8)利用Unite创建领结天线的一个臂
选中Bowtie和Rect1,在3DModeler菜单上,点击Boolean选项,再选择Unite项。
(9)利用Mirror创建另一个臂
选中Bowtie,在Edit菜单下选择Mirror
输入参数X=0,Y=0,Z=0
dX=0,dY=-1,dZ=0
(10)利用Subtract创建领结天线的对应的缝隙
选中Bowtie,Bowtie_1和CuClad,在3DModeler菜单上,点击Boolean选项,再选择Subtract项。
设置参数BlankParts:
CuCladToolParts:
Bowtie,Bowtie_1
在下面选框中打钩
(11)自定义网格剖分操作
选中Bowtie,Bowtie_1,在HFSS菜单下选择MeshOperation>Assign>OnSelection>LengthBased
重命名Length1,下面选框打钩,最大长度3mm
(12)修改默认材料为真空
(13)画长方体。
在Draw菜单中,点击Box选项;
(14)输入参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x=-17,y=-32,z=-9.5);按下Enter键后输入三边长度:
x方向34,y方向64,z方向19。
注意:
在设置时不要在绘图区中点击鼠标。
(15)设置长方体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。
这里,我们把这个长方体命名为AirBox。
(16)为空气腔设置辐射边界;
在操作历史树中选中AirBox,单击鼠标右键,进入AssignBoundary选项,点击Raditation选项。
此时HFSS系统提示你为此边界命名,我们把此边界命名为Rad1。
(17)为远场分析设置角度变化的范围
在项目管理列表中,右键单击Radiation。
选择InsertFarFieldSetup->InfiniteSphere。
命名为ff_all
设置Phi:
-90-90°,StepSize:
10Theta:
0-360°StepSize:
10。
(18)利用Circle创建馈电平面
参数如下X=12.5,Y=-0.5,Z=0
dX=-1,dY=1,dZ=0
重命名为P1
(19)添加激励
在对象列表中,右键单击“P1”,按下图所示添加激励“LumpedPort”。
(20)添加求解设置
在项目管理列表中,右键单击Analysis。
选择AddSolutionSetup。
设置求解频率为“10GHz”。
最大迭带次数6,最大误差0.01
(21)添加扫频设置
在项目管理列表中,右键单击Analysis-Setup1。
选择AddSweep。
设置扫频类型为“Fast”,起止频率为“8GHz”-“12GHz”,取样间隔0.02。
SaveFields打钩。
(22)打开File选项(alt+F),单击Saveas。
输入项目名hfss_cpwbotie。
(23)将求解的条件设好后,我们来看看HFSS的前期工作是否完成,在HFSS菜单下,点击validationcheck。
再次选中Project工作区的Analysis;点击鼠标右键,选中Analyze即可开始求解当求解过程结束后,在MessageManager窗口会有相应的提示。
2)仿真结果及分析
1、求解数据
2、创建S11参数报告
定义S11<-10dB的频率范围为天线的频带范围。
如该天线的带宽为10~11GHz。
3、创建阻抗参数报告
一般要求阻抗实部接近50欧姆,虚部接近0。
4、创建远场方向图报告
由方向图可以得到天线在空间辐射的分布情况,可以判断出天线的最大辐射方向。
如上述天线的最大辐射方向为Theta=40°方向。
颜色越红,表示该方向辐射越大。
天线设计实例4:
同轴馈电贴片天线
1)设计步骤
一.创建项目
1、加入一个新的HFSS设计
(1)在Project菜单,点击insertHFSSDesign选项。
2、选择一种求解方式
(1)在HFSS菜单上,点击SolutionType选项.
(2)选择源激励方式,在SolutionType对话框中选中DrivenTerminal项。
3、设置设计使用的长度单位
(1)在3DModeler菜单上,点击Units选项.
(2)选择长度单位,在SetModelUnits对话框中选中cm项。
4、设置材料
(1)在3DModeler的材料选框中选择Select
(2)输入并选中RogersRT/duriod5880(tm)
二.构造模型
1、建立物理模型
(1)利用Box创建微带天线的介质基板。
在Draw菜单中,点击Box选项;
(2)输入参数。
按下Tab键切换到参数设置区(在工作区的右下角),设置长方体的基坐标(x=-5,y=-4.5,z=0);按下Enter键后输入三边长度:
x方向10,y方向9,z方向0.32。
注意:
在设置时不要在绘图区中点击鼠标。
(3)设置长方体属性
单击Attribute页,在Attribute页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。
这里,我们把这个长方体命名为Sub1。
设置完毕后,同时按下ctrl和D键(ctrl+D),将视图调整一下。
(4)利用Rectangle创建微带天线的地
在Draw菜单中,点击Rectangle选项
参数如下X=-5,Y=-4.5,Z=0
dX=10,dY=9,dZ=0
重命名为inf_GND
(5)利用Circle创建与同轴外导体相同大小的圆
在Draw菜单中,点击Circle选项
参数如下X=-0.5,Y=0,Z=0
dX=0.16,dY=0,dZ=0
重命名为Cut_out
(6)利用Subtract创建过孔
同时选中待操作对象,进行相减操作
(7)利用Rectangle创建微带天线的贴片
在Draw菜单中,点击Rectangle选项
参数如下X=-2,Y=-1.5,Z=0.32
dX=4,dY=3,dZ=0
重命名为Patch
(8)修改默认材料为真空
(9)利用Cylinder创建同轴外导体
在Draw菜单中,点击Cylinder选项
参数如下X=-0.5,Y=0,Z=0
dX=0.16,dY=0,dZ=0
dX=0,dY=0,dZ=-0.5
重命名为Coax
(10)修改默认材料为PEC
(11)利用Cylinder创建同轴内导体
在Draw菜单中,点击Cylinder选项
参数如下X=-0.5,Y=0,Z=0
dX=0.07,dY=0,dZ=0
dX=0,dY=0,dZ=-0.5
重命名为Coax_Pin
(12)利用Cylinder创建馈电探针
在Draw菜
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