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1、课程设计说明书目录引言11概述21.1 Ansoft HFSS 10仿真软件简介21.2 半波偶极子天线简述22 主要技术指标3 2.1天线的输入阻抗32.2天线的极化方式3 2.3天线的增益33理论分析53.1电基本振子的辐射场53.2 对称天线的辐射63.3 半波偶极子天线性能参数的理论计算63.3.1电流分布63.3.2 辐射场64 HFSS仿真设计74.1HFSS设计概述74.2 HFSS仿真设计84.2.1新建设计工程84.2.2添加和定义设计变量84.2.3设计建模84.2.4求解设置124.2.5设计检查和运行仿真计算13结论18参考文献19引言Radio frequency i
2、dentification(RFID)技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术,近年来,RFID技术飞速发展并逐渐成为自动物体识别应用中的主要技术。现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等。这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线。由于它结构简单,广泛应用于通信、雷达和探测等各种无线电设备中,适用于短波、超短波,甚至微波。它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源。由于半波偶极子是基本的天线,很多天线都是在半波振子的基础上设计的。设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅
3、花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵。近年来，无线通信发展迅速，作为系统发射和接收电磁波的重要前段器件天线，其性能对整个系统的通信质量至关重要。制作简单，成功率高，性能优越的基础天线也将会受到需求者的青睐。如果能采用现代计算机为基础，使用三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间、精力以及费用，设计出符合要求的半波偶极子天线。现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等。这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线，即是对称振子天线，最常用的是半波振子，偶极子天线是研究天线的基础，具有很多特性，比如辐射特性阻抗特性，波长缩短效应，
4、谐振特性等，它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源。所以深入了解半波偶极子天线的设计理论与优化技术是非常重要的。传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵。本设计采用现代计算机为基础，使用High Frequency Structure Simulator（HFSS）三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间和精力，设计出符合要求的天线。1概述1.1 Ansoft HFSS 10仿真软件简介本设计主要采用Ansoft HFSS 1
5、0三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析，下面介绍下HFSS这个软件。HFSS是利用我们所熟悉的windows图形用户界面的一款高性能的全波电磁场(EM)段任意3D无源器件的模拟仿真软件。它易于学习，有仿真，可视化，立体建模，自动控制的功能，使你的3D EM问题能快速而准确地求解。Ansoft HFSS使用有限元法(FEM)，自适应网格划分和高性能的图形界面，能让你在研究所有三维EM问题时得心应手。Ansoft HFSS能用于诸如S-参数，谐振频率和场等的参数计算。HFSS是基于四面体网格元的交互式仿真系统。这使你能解决任意的3D几何问题，尤其是那些有复杂曲线和曲面的问题，当
6、然在局部会利用其他技术。 HFSS是高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator）的缩写。Ansoft公司最早在电磁仿真中使用如切线矢量有限元，自适应网格，和ALPS等有限元法解决EM仿真问题。 Ansoft HFSS是高生产力研究，发展和虚拟的工具之一。1.2 半波偶极子天线简述半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线，也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为1/4个工作波长。但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度，目的就是实现谐振使输入阻抗接近纯电阻，很多时候都是用工作波长的0
7、.48。导线的直径远小于工作波长，天线的激励是等幅反向的电压信号，加在天线中间的两个相邻端点上，且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长，可以忽略不计。 2 主要技术指标2.1天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端功率反射为零，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较稳定，性能较好。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。在射频微波频段，馈线通常使用50标准阻抗。所以在设计天线时，需要尽可能地把天线的输入阻抗设计在50，在工作频
8、带内保证尽可能小得驻波比。天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频率和周围环境的影响。工程中通常采用近似计算或者用实验方法测量。匹配的好坏一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪种并没有明文规定，看个人的习惯来决定。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。本设计中也将主要使用驻波比和回波损耗，下面将介绍驻波比和回波损耗 。驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的
9、覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。 回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0do的到无穷大之间，回波损耗与匹配成反比，即回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越小表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。2.2天线的极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减
10、，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。2.3天线的增益 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是衡量天线性能好坏的重要的参数之一。 一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。3理论分析3.1电基本振子的辐射场电基
11、本振子又称电流元或者电偶极子，这是一种最简单的天线。用这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础。 电流元得远区场具有以下特点：（1）传播方向为 r ，电场及磁场均与r 垂直，远区场为TEM波，电场与磁场的关系为。 （2）电场与磁场同相，复能流密度仅有实部，能量不断向外辐射，所以远区场 又称为辐射场。 （3）远区场强振幅与距离 r 一次方成反比，这种衰减不是介质的损耗引起的，而是球面波的自然扩散。 （4）远区场强振幅还与观察点所处的方位有关，这种特性称为天线的方向性。与方位角q 及f 有关的函数称为方向性因子，以 f (q, f ) 表示。z
12、方向电流元具有轴对称特点，场强与方位角f 无关，即。z 向电流元在 的轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的=90方向上辐射最强。 （5）电场及磁场的方向与时间无关，远区场为线极化。当然，在不同的方向上极化方向不同。除了上述线极化特性外，其余四种特性是一切尺寸有限的天线远区场的共性，即一切有限尺寸的天线，其远区场为TEM波，是一种辐射场，其场强振幅不仅与距离成反比，同时也与方向有关。天线的极化特性和天线的类型有关。接收天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致，称为极化匹配。远区场中也有电磁能量的交换部分。但是由于交换部分的场强振幅至少与距离r2 成反比，而辐射部分的场强振幅与距离 r 成反
13、比，因此，远区中交换部分所占的比重很小，近区中辐射部分可以忽略。 由此可以看出，在远区内，电场只有分量，磁场只有分量，且电场和磁场的相位相同。此时，坡印廷矢量的平均值如3-1所示为： （3-1）对于自由空间而言，媒质的波阻抗如3-2所示为： （3-2）3.2 对称天线的辐射对称天线是一根中心馈电，长度可与波长相比拟的载流导线。其电流分布以中点为对称，因此称为对称天线。若导线直径 d l，电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性。因为两端开路，电流为零，形成电流驻波的波节，电流驻波的波腹位置取决于对称天线长度。设对称天线的半长为L，在直角坐标系中沿z轴放置，中点位于坐标原点，则电流空间分布函数可
14、以表示为式3-3所示。 （3-3）式中, Im 为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流，位置取决于对称天线的长度。常数。既然对称天线的电流分布为正弦驻波，对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的。 因为组成对称天线的各个电流元在轴线方向上辐射为零，所以无论天线的长度怎么变化，在=0及=的轴线方向上始终没有辐射。当天线的全长小于一个波长时，方向图仅有两个主叶，且的方向为主射方向，因为在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，相位也相等，合成场强最强。当天线全长大于全波长时，出现副叶。尤其当全长等于两个波长时，即半长，原来的主射方向变成零射方向，因为虽然在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，但是一半电流元的时间相位与另一半电流元的时间相位相反，两者产生的场强彼此抵消，导致合成场强为零。3.3 半波偶极子天线性能参数的理论计算3.3.1电流分布对于半波偶极子天线，其长度。则半波偶极子天线的电流如3-4所示为： （3-4）3.3.2 辐射场已知半波偶极子天线上的电流分布，可以利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。半波偶极子天线可以看成是由长度为dz的电基本振子天线连接而以分贝表示如3-5所示为： （3-5）4 HFSS仿真设计4.1HFSS设计概述这里将要设计的是中心频率为3GHz的半波偶极子天线，波长和频率的关系是倒数关系，具体
