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1、.对称振子天线的对称振子天线的 HFSSHFSS 仿真仿真摘要摘要：对称振子天线不仅是一种结构简单的天线，而且是一经典的，迄今为止使用最广泛的天线。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称为半波对称振子，单个半波对称振子可简单地独立使用或用作抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成的天线阵。其上电流呈驻波分布， 如果两线末端开，辐射将逐渐增强。本文用 hfss 仿真了一个简单的对称振子天线，得出了反射系数曲线和远场增益图，熟悉了 hfss 仿真软件的使用，学习了对称振子天线的原理。关键词关键词：对称振子，hfss, 反射系数，远场增益Abstract:Dipole anten
2、na is not only an antenna of simple structure, butalso is the most widely used antenna till now. The length of every armis 1/2 wavelength andthe whole length equal to a wavelength is defineddipoleantenna.Singlehalf-wavedipoleantennacanbesimplyindependently used or worked as feed of parabolic antenna
3、, severalhalf-wave dipole antennas can also constituteantenna array. The currenton it distribute as a standing wave. If twoends of the lines open,theradiation will gradually increased. This article simulated a simpledipole antenna with hfss,reflection coefficient curve and far field gaingraph are gi
4、ven, had a basic knowledge of hfss software, and the theoryof dipole antenna is studied.Key words: Dipole, hfss, reflection coefficient, far field gain0.0. 引言引言两部分长度相等而中心断开并接以馈电的导线， 可用作发射和接收天线，这样构成的天线叫做对称天线。因为天线有时也称为振子，所以对称天线又叫对称振子，或偶极天线。总长度为半个波长的对称振子，叫做半波振子，也叫做半波偶极天线。对称振子天线属于平衡天线，而亏点同轴电缆属于不平衡传输线，若将
5、天线与同轴电缆直接相连，则同轴线的外皮有高频电流流过，由于同轴线的屏1 / 8.蔽层外皮也参与了天线的辐射，这样会影响天线的辐射方向图，因此，在天线和馈电同轴之间加入平衡不平衡转换器， 把同轴外皮的高频电流抑制掉， 将其截断。对称振子天线是最基本的单元天线， 用得也最广泛， 很多复杂天线是由它组成的。作为对 hfss 软件的熟悉使用训练，因此选择了对称振子天线的仿真。1.1. 仿真过程与模型建立仿真过程与模型建立本次仿真是利用hfss软件设计一个靠近理想导电平面的UHF对称振子天线，此天线的中心频率选择为 0.55GHz,采用同轴馈电，并考虑了平衡馈电的巴伦结构。仿真过程先完成了在 hfss
6、中实现对称振子双臂和馈电机构的建模，然后完成了端口和边界的设置，最后生成了反射系数和二维辐射远场的仿真结果。1.11.1 对称振子天线的建立对称振子天线的建立先建立新的工程，并设置求解类型。在菜单栏中点击 HFSSSolution Type,选择类型为 Driven Modal。 在菜单栏中点击 ModelerUnits,设置模型单位为 in。然后在工具栏下拉菜单点击 Select,选择材料为 copper， 即设置天线的材料为铜质。接着创建对称振子模型。在菜单栏中点击DrawCylinder, 设置部圆柱。设置圆柱中心点坐标为（0，0，0） ，设置圆柱的半径为 0.31，圆柱的高度为 5.0
7、。再点击 DrawCylinder，设置圆柱中心点坐标为（0，0，0） ，设置圆柱的半径为0.37，圆柱的高度为 5.0，设置外部圆柱完毕。然后需完成两圆柱的相减。点击ModelerBooleanSubtract,完成两圆柱体的相减。创建振子天线的两臂。在菜单栏点击 DrawBox,在右下角输入长方体起始位置坐标，分别为X：-0.1,Y:-0.31,Z:5.0,再输入长方体的尺寸，分别为0.2，4.69 ， 0.065 ， 按 回 车 键 完 毕 。 按 Crtl+A 将 模 型 全 部 选 中 ， 点 击ModelerBooleanUnit,使已建立的模型组合起来。组合后的模型如图 1 所示
8、。2 / 8.图 1组合后的单臂振子模型接着创建中心探针。在菜单栏中点击DrawCylinder，在坐标输入栏输入圆柱中心点坐标（0，0，0）和圆柱半径 0.1，圆柱高度 5.1。都完成后点击 OK 完毕。在菜单栏点击 DrawBox,在右下角输入长方体起始位置坐标，分别为X：-0.1,Y:0,Z:5.1,再输入长方体的尺寸，分别为 0.2，5.0，0.065，按回车键完毕。最后创建接地针。在菜单栏中点击 DrawCylinder,，选择圆柱中心点坐标为（0，1，0） ，圆柱半径为0.0625，圆柱高度为5.1，完成后将已创建的模型组合起来。至此，振子天线双臂创建完毕，如图 2 所示。3 /
9、8.图 2 创建完毕的双臂对称振子模型1.21.2 波端口与辐射边界的建立波端口与辐射边界的建立接下来创建波端口。在菜单栏点击 DrawCircle，在坐标栏输入（0，0，0） ，圆半径 0.31， 点击 OK 完毕。 在菜单栏点击 HFSSExcitationAssignWave Port,在 Modes 标签中设置积分线，在 Integration Line 中点击 None,选择 New Line,在坐标栏输入（0.31，0，0） ，接着选择半径 dX 为-0.21。点击 Next 直至完毕。创建辐射边界。在工具栏中设置模型的默认材料为真空（vacuum） ，在菜单栏中点击DrawBox
10、,在右下角坐标输入栏输入长方体的起始点坐标位置，X:-5.0，Y:-10.0，Z:0.0 按回车键完毕输入。接着输入 X,Y,Z 三个方向尺寸，分别为 10.0，20.0，12.0。在菜单栏点击 EditSelectBy Name,在对话框选择Air,点击 OK 完毕，在菜单栏点击 HFSSBoundariesFinite Conductivity,在材料库中选择 copper,选中 Infinite Ground Plane，点击确定完毕。辐射场角度设置。在菜单栏点击 HFSSRadiationInsert Far FieldSetupInfinite Sphere。设置 Phi 起始 0，
11、完毕 90，步长 90，设置 Theta 起始-180，完毕 180，步长为 2。完成后点击 OK 完毕。设置完成后，如图 3 所示。4 / 8.图 3 设置完成后的对称振子天线1.31.3 求解设置求解设置在完成天线， 波端口已经辐射边界的设置后，为该问题设置求解频率与扫频围。在菜单栏中点击 HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup,在求解设置窗口中， 设置求解频率为 0.55GHz,Maximum Number of passes 为 10， Maximum Deltaof pass 为 0.02，点击 OK 完毕。设置扫频 HFSS Analysis Se
12、tupAdd Sweep,选择 Setup1,点击 OK。 设置扫频为快扫频， 起始频率 0.35GHz,截止频率 0.75GHz,一共 401 步。设置完成后，保存。全部完成后，点击 HFSSAnalyze,求解该工程。2.2. 后处理操作与结果分析后处理操作与结果分析2.12.1 S S 参数求解参数求解点击菜单栏 HFSSResults Create Modal Solution Data Report,接着选择RectanglePlot, 在Trace窗 口 中 点 击Y标 签 ， 选 择Category:S5 / 8.parameter;Quantity:S(p1,p1); Func
13、tion:dB。点击 New Report 完成，可得对称振子的反射系数曲线，如图 4 所示。图 4 对称振子的反射系数曲线由图可知，在天线工作的中心频率 0.55GHz,反射系数 S11 约为-16.03dB。换算成驻波比指标，约为 1.36，满足一般天线的设计需要。2.2 2D2.2 2D 辐射远场求解辐射远场求解点击菜单栏 HFSSResultsCreate Far Fields Report,接着选择 RadiationPattern,在 Context 窗口中设置 Geometry 为 ff_2d,在 Trace 窗口中，将 Ang 这一列中点击第一个变量Phi,在下拉菜单中选择Th
14、eta。选择： Category:GainTotal; Function:dB,点击 New Report 按钮。可得对阵振子远场增益方向图如图 5 所示。6 / 8.图 5 对阵振子远场增益方向图由图可知，由于理想导电平面的存在，在水平角为 0，90 时天线二维辐射图都被抬高了。最大辐射方向出现在俯仰角在0 处（正 Z 方向） ，其增益约为8.1462dB。3.3. 结果缺陷分析结果缺陷分析在运用 hfss 仿真时，出现了如下的警告，如图 6 所示图 6 仿真时的 hfss 警告提示辐射源和地面重叠。经分析，在设置辐射边界时，由于是直接加载了一个长方体，整块地面被加载上去，没有考虑在地面上挖出激励源的小孔，因此造成了和设置波源的重叠。在建立模型时，针对这点可以做出优化。4.4. 结论结论7 / 8.本次仿真主要目的是熟悉 hfss 仿真软件的使用，选取了简单的对称振子天线的仿真， 建立了一个对称振子天线在一个以空气为介质密闭空间的模型，得到了反射系数曲线和远场增益图，求出了最大辐射方向角和增益。经过本次仿真，基本熟悉了 hfss 软件的使用，但根据仿真的结果仍可以进一步对建立的模型进行优化，从而得到更精确的结果，仍需要进一步学习。8 / 8
