微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线

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

表2 对称振子天线二维面模型

表3 变量表

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>Solution Type，选择Driven Terminal。 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“Draw cylinder”，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2 arm1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“Center Position”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4 arm1命令行

图5 arm1

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6 arm2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lumped port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lumped port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8 feed命令行

通过

放大图形局部，观察feed图形（如图9）。

图9 feed图形

选中feed，点击鼠标右键，选择Assign Excitation>Lumped Port，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>Solution Type中选择Driven Terminal。

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10 lumped port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【Assign Boundary】>Radiation，出现radiation boundary界面，采用缺省值，点击OK。

图11 airbox属性

图12 airbox命令行

图13 airbox及天线

7 设置求解频率3GHz，扫频1-5GHz。 在【HFSS】>Analysis Setup>Add Solution Setup中将频率设置为3GHz;，Adaptive Solution下的Maximum Number of设为6，Maximum deta S设为0.01（如图14）。点击确定。

图14 设置单频

点击【HFSS】>Analysis Setup>Add Frequency Sweep，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visibility下的一列airbox的√除掉（如图17）。

，将

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>Plot Fields>J>Mag Jsurf出现Create Field Plot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Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Field Overlays>Jsurf，点击鼠标右键，选择Modify Attributes，出现Jsurf选项界面，按照图18选择log，得到电流分布如图19。

在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Field Overlays，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18 Jsrurf选项

图19 振子上电流幅度分布

10 画S参数曲线

在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot（如图20），出现“Report：dipole”界面，设置如图21。点击New Report，得到的

|S11|曲线如图22，然后点击close结束画图。

图20 Results>Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot

图21 画S参数设置

图22 |S11|曲线

11 画阻抗曲线

在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Results，点击鼠标右键，选择Create Terminal Solution Data Report>Rectangular Plot，出现报告设置界面“Report：dipole”如图23（a），点击New Report画出阻抗实部曲线；在Report：dipole界面继续按图23（b）设置，点击Add Trace，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