微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线.doc
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增加对称振子馈电的理论描述
表1对称振子天线三维体模型
名称
形状
顶点(x,y,z)(mm)
尺寸(mm)
材料
arm1
圆柱体
(0,0,0.5)
radius=$r,height=$l
Pec
arm2
圆柱体
(0,0,-0.5)
radius=$r,height=-$l
Pec
airbox
长方体
(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l)
xsize=2*$lbd/3+2*$r
ysize=2*$lbd/3+2*$r
zsize=2*$lbd/3+2*$l
vacuum
表2对称振子天线二维面模型
名称
所在面
形状
顶点(mm)
尺寸(mm)
边界/源
feed
xz
矩形
(-$r,0,-0.5)
dx=2*$r,dz=1
Lumpedport
表3变量表
变量名
变量初始值(mm)
变量值(mm)
$lbd
100
$l
25
25(50,75,100)
$r
1
1(2,3,4)
1新建工程并命名。
打开HFSS,新建工程,点击工具,将工程保存为dipole。
2设置求解类型。
点击HFSS>SolutionType,选择DrivenTerminal。
3设置单位。
点击Modeler>Units,选择mm。
4画对称振子的一支臂,形状为圆柱体,命名为arm1,材料设置为理想导体,半径设置为变量$r,臂长设置为变量$l。
将鼠标指向工具,出现文字“Drawcylinder”,点击,在画图窗口中拖动鼠标画出一个圆柱。
在图形左侧的窗口出现此工程的所有模型列表(如图1),“Solids”代表三维图形,“vacuum”代表图形内部填充材料为真空,“Cylinder1”为图形的缺省名字,“CreateCylinder”代表图形是圆柱体。
图1模型列表
双击Cylinder1,出现图形属性窗口“Properties:
dipole”,将name项改为arm1。
点击material右边一栏中的Edit如图2(a),出现材料库如图2(b),按字母顺序找到pec,点击确定将振子臂材料改为pec(如图2(c))。
(a)
(b)
(c)
图2arm1属性
双击模型列表中的arm1下的CreateCylinder,出现arm1命令行窗口“Command”。
将其中心位置“CenterPosition”设置为(0,0,0.5),半径设为变量$r,$r值为1mm(如图3(a));高度设为变量$l,$l值为25mm(如图3(b)),编辑完的command窗口如图4,点击确定结束编辑。
点击工具,将全部图形显示在窗口中(如图5)。
(a)
(b)
图3设置arm1尺寸变量窗口
图4arm1命令行
图5arm1
4建立对称振子的另外一支臂。
利用快捷键ctrl+a将arm1选中,利用ctrl+c与ctrl+v复制出arm2。
将其中心点设为(0,0,-0.5),高度设为-$l(如图6)。
点击工具,所有图形显示如图7。
图6arm2命令行
图7对称振子的两支臂
5画馈电模型,形状为zx面上的矩形,命名为feed,设置为lumpedport激励方式。
对称振子一般通过同轴馈电,可以看做在振子的两臂之间施加了集总电压。
在用HFSS仿真时,通过一个平面将振子两臂连接,在此平面上设置激励源lumpedport实现。
将这个激励源面画在xz平面,形状为矩形。
选择,点击,利用鼠标画出一个任意的矩形,将其名字改为feed,顶点坐标改为(-$r,0,-0.5),xsize=2*$r,zsize=1(如图8)。
图8feed命令行
通过放大图形局部,观察feed图形(如图9)。
图9feed图形
选中feed,点击鼠标右键,选择AssignExcitation>LumpedPort,出现如图10界面,将arm2设置为参考导体。
如果设置界面与图10不同,在HFSS>SolutionType中选择DrivenTerminal。
注意:
激励源的设置应在所有导体边界设置完毕之后进行。
图10lumpedport的参考导体设置界面
6画辐射箱,命名为airbox,形状为长方体,材料为真空,边界条件为radiation。
在HFSS天线仿真中,通过画一个辐射箱,并在辐射箱的表面设置吸收边界条件来模拟无界空间,箱体的外部为远场区域。
辐射箱的材料一般为空气,其边界距离天线整体结构为四分之一波长至二分之一波长。
在本例中我们采用三分之一波长。
点击,画出一任意尺寸的长方体,在模型列表中出现box1,双击打开attributes窗口中将其名字改为airbox,材料为缺省的vaccum,透明度(transparent)设为1(如图11),airbox的尺寸如图12,其中变量$lbd=100mm。
画出的天线及airbox如图13。
选中airbox,点击鼠标右键选择【AssignBoundary】>Radiation,出现radiationboundary界面,采用缺省值,点击OK。
图11airbox属性
图12airbox命令行
图13airbox及天线
7设置求解频率3GHz,扫频1-5GHz。
在【HFSS】>AnalysisSetup>AddSolutionSetup中将频率设置为3GHz;,AdaptiveSolution下的MaximumNumberof设为6,MaximumdetaS设为0.01(如图14)。
点击确定。
图14设置单频
点击【HFSS】>AnalysisSetup>AddFrequencySweep,设置如图15。
图15扫频设置
8检查及运行计算
点击检查无错后(如图16),点击计算。
图16检查无错窗口
9画电流分布
为了观察振子上的电流方便,先将airbox从图形窗口隐藏去。
点击工具,将visibility下的一列airbox的√除掉(如图17)。
图17隐藏airbox
在图形窗口,通过ctrl间同时选择arm1与arm2,点击鼠标右键>PlotFields>J>MagJsurf出现CreateFieldPlot界面,采用缺省值,点击Done,出现振子上的电流分布图。
由于图形的颜色分布不明显,通过以下操作实现画电流幅度的对数值。
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays>Jsurf,点击鼠标右键,选择ModifyAttributes,出现Jsurf选项界面,按照图18选择log,得到电流分布如图19。
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>FieldOverlays,点击鼠标右键>Animate>OK,可以观察电流分布随着时间变化规律。
图18Jsrurf选项
图19振子上电流幅度分布
10画S参数曲线
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>Results,点击鼠标右键,选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot(如图20),出现“Report:
dipole”界面,设置如图21。
点击NewReport,得到的|S11|曲线如图22,然后点击close结束画图。
图20Results>CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot
图21画S参数设置
图22|S11|曲线
11画阻抗曲线
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>Results,点击鼠标右键,选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot,出现报告设置界面“Report:
dipole”如图23(a),点击NewReport画出阻抗实部曲线;在Report:
dipole界面继续按图23(b)设置,点击AddTrace,在同一副图中画出阻抗虚部曲线;点击close,显示阻抗曲线如图24。
(a)阻抗实部
(b)阻抗虚部
图23输出阻抗报告设置界面
图24阻抗曲线
观察图22与图24可见,端口阻抗值接近50Ω的频率点,为反射系数的最低点,此频率称为天线的谐振频率。
一个天线有多个谐振频率,曲线中出现的谐振点的个数由扫频范围决定。
12画方向图
(1)设置立体角度
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>Radiation,点击鼠标右键,选择InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere(如图25),出现远场辐射球设置界面“FarFieldRadiationSphere”,设置如图26,点击确定。
图25InserFarmFieldSetup>InfiniteSphere
图26远场辐射球设置界面
(2)画立体方向图
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>Results,点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot(如图27),出现画三维远场方向图设置界面,按图28设置,得到增益图如图29。
图27CreateFarFieldsReport>3DPolarPlot
图28画增益图设置
图29二分之一波长对称振子三维增益图
在ProjectManager窗口中,双击dipole>HFSSDesign1>Results>3DPolarPlot1>dB(GainTotal),点击Families,出现参数列表(如图30)。
其中频率Freq为3GHz,对应的波长为100mm,振子单臂长为四分之一波长25mm,此振子为二分之一波长对称振子。
图30参数列表
(3)画E面方向图
对称振子的E面平行于振子轴,按照以下过程给出E面方向图。
在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>Results,点击鼠标右键选择CreateFarFieldsReport>RadiationPattern,出现画二维远场方向图设置界面,按图31(a)设置;点击Families,将Phai设为0deg(如图31(b)),点击newreport,得到E面方向图如图32,与课本中给出的理论方向图一致。
(a)
(b)
图31画E面方向图设置
图32二分之一波长对称振子E面方向图
13扫描变量$r
点击Project>ProjectVariables出现变量设置界面,更改$r的值为2mm(如图33),点击确定,点击工具运行计算;计算完毕,重复上述过程,将变量$r的值设为3mm,运行计算;计算完毕,将变量$r的值设为4mm,运行计算。
图33设置变量$r值
计算完毕在ProjectManager窗口中,选择dipole>HFSSDesign1>Results,点击鼠标右键,选择CreateTerminalSolutionDataReport>RectangularPlot,采用缺省值,画出|S11|参数曲线,双击曲线在属性窗口中的Linestyle项修改线型后得到图
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