【正文】 ............................. 9 半波偶極子天線性能參數(shù)的理論計(jì)算 ..................................................... 11 電流分布 ............................................................................................. 11 輻射場(chǎng)和方向圖 ................................................................................ 11 方向性系數(shù) ......................................................................................... 12 輻射電阻 ............................................................................................. 12 輸入阻抗 ............................................................................................. 13 4 HFSS 仿真設(shè)計(jì) ..................................................................................................... 14 HFSS 設(shè)計(jì)概述 .......................................................................................... 14 HFSS 仿真設(shè)計(jì) .......................................................................................... 15 新建設(shè)計(jì)工程 ..................................................................................... 15 添加和定義設(shè)計(jì)變量 ......................................................................... 15 設(shè)計(jì)建模 ............................................................................................. 16 求解設(shè)置 ............................................................................................. 19 設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算 ................................................................. 20 5 天線實(shí)物 ............................................................................................................... 25 結(jié) 論 ...................................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 27 致 謝 ...................................................................................................................... 28 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 課題研究的背景 Radio frequency identification(RFID)技術(shù)是一種利用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù) ,近年來(lái) ,RFID 技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動(dòng)物體識(shí)別應(yīng)用中的主要技術(shù)[1]?，F(xiàn)今有很多種 RFID 天線類型 ,如偶極子天線、分形天線、環(huán)形槽天線和微帶貼片天線等 [2]。這里著重研究 RFID 技術(shù)中的半波偶極子天線。 由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和探測(cè)等各種無(wú)線電設(shè)備中 ,適用于短波、超短波 ,甚至微波。它既可作為簡(jiǎn)單的天線單獨(dú)使用 ,又可作為天線陣的單元 或面天線的饋源 [34]。由于半波偶極子是基本的天線 ,很多天線都是在半波振子的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。 課題研究的意義 傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)方法是由設(shè)計(jì)師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)確定天線的各參數(shù)，這樣做不僅花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，而且費(fèi)用昂貴。近年來(lái)，無(wú)線通信發(fā)展迅速，作為系統(tǒng)發(fā)射和接收電磁波的重要前段器件 —— 天線，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量至關(guān)重要。而半波偶極子天線這種基礎(chǔ)天線在未來(lái)需求量巨大，便宜高質(zhì)量基礎(chǔ)天線將會(huì)是各生產(chǎn)廠家喜愛(ài)的產(chǎn)品。制作簡(jiǎn)單，成功率高，性能優(yōu)越的基礎(chǔ)天線也將會(huì)受 到需求者的青睞。如果能采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，使用三維電磁仿真軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真、優(yōu)化分析方法可以節(jié)省時(shí)間、精力以及費(fèi)用，設(shè)計(jì)出符合要求的半波偶極子天線。 本次課題的主要工作 本次課題的主要工作是使用 HFSS 三維電磁仿真軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真、優(yōu)化分析，設(shè)計(jì)出符合要求的天線。最后依照仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)制作并驗(yàn)證其性能。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 2 概述 半波偶極子天線簡(jiǎn)述 半波偶極子天線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基本線天線，也是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線之一。如圖 21所示，半波偶極子天線由兩根直徑和長(zhǎng)度 都相等的直導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線的長(zhǎng)度為 1/4 個(gè)工作波長(zhǎng)。 [5]但實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)情況下都要適當(dāng)縮短長(zhǎng)度，目的就是實(shí)現(xiàn)諧振使輸入阻抗接近純電阻，很多時(shí)候都是用工作波長(zhǎng)的 。導(dǎo)線的直徑遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，天線的激勵(lì)是等幅反向的電壓信號(hào)，加在天線中間的兩個(gè)相鄰端點(diǎn)上，且天線中間兩個(gè)相鄰端點(diǎn)間的距離遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，可以忽略不計(jì)。 圖 21 半波偶極子天線 Ansoft HFSS 10 仿真軟件簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)主要采用 Ansoft HFSS 10三維電磁仿真軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真、優(yōu)化分析，下面介紹 下 HFSS 這個(gè)軟件。 HFSS 是利用我們所熟悉的windows 圖形用戶界面的一款高性能的全波電磁場(chǎng) (EM)段任意 3D 無(wú)源器件的模擬仿真軟件。它易于學(xué)習(xí)，有仿真，可視化，立體建模，自動(dòng)控制的功能，使你的 3D EM 問(wèn)題能快速而準(zhǔn)確地求解。 Ansoft HFSS 使用有限元法 (FEM)，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和高性能的圖形界面，能讓你在研究所有三維 EM 問(wèn)題時(shí)得心應(yīng)手。Ansoft HFSS 能用于諸如 S參數(shù)，諧振頻率和場(chǎng)等的參數(shù)計(jì)算。 HFSS 是基于四面體網(wǎng)格元的交互式仿真系統(tǒng)。這使你能解決任意的 3D 幾何問(wèn)題，尤其是那些有復(fù) 雜曲線和曲面的問(wèn)題，當(dāng)然在局部會(huì)利用其他技術(shù)。 HFSS 是高頻結(jié)構(gòu)仿真器（ High Frequency Structure Simulator）的縮寫(xiě)。Ansoft 公司最早在電磁仿真中使用如切線矢量有限元，自適應(yīng)網(wǎng)格，和 ALPS 等天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 有限元法解決 EM 仿真問(wèn)題。 Ansoft HFSS 是高生產(chǎn)力研究，發(fā)展和虛擬的工具之一。 Ansoft HFSS 10 仿真軟件設(shè)計(jì)流程概述 本設(shè)計(jì)使用 HFSS v10 軟件對(duì)半波偶極子天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖22所示，設(shè)計(jì)流程中的各個(gè)步驟的功能分述如下。 設(shè)置求解類型。使 用 HFSS 進(jìn)行天線設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇模式驅(qū)動(dòng)（ driven modal）求解類型或者終端驅(qū)動(dòng)（ driven terminal）求解類型。 圖 22 HFSS天線設(shè)計(jì)流程 創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)天線的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在 HFSS 模型窗口中創(chuàng)建出天線的 HFSS 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。 設(shè)置邊界條件。在半波偶極子天線的設(shè)計(jì)中，我使用輻射邊界條件，為了模擬出無(wú)限大的自由空間。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 設(shè)置激勵(lì)方式。無(wú)線必須通過(guò)傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號(hào)，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱為激勵(lì)端口 。半波偶極子天線的設(shè)計(jì)中，由于在模型內(nèi)部饋電面的激勵(lì)方式使用集總端口激勵(lì)（ Lumped Port）。 設(shè)置求解參數(shù)，包括設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)，其中，求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系，具體的計(jì)算公式是：波長(zhǎng)（單位：米） =300/頻率（單位： MHz）。 運(yùn)行求解分析。上述操作完成后，整個(gè)仿真計(jì)算由 HFSS 軟件自動(dòng)完成。分析完成后，如果結(jié)果不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說(shuō)明計(jì)算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。 查看求解結(jié)果。求解分析完成后，子數(shù)據(jù)后處理部分可以查看 HFSS 分析出的天線各項(xiàng)性能參數(shù)，如回波損耗 、電壓駐波比 VSWR、輸入阻抗、天線方向圖、電流分布等。如果仿真計(jì)算的天線性能滿足設(shè)計(jì)要求，接下來(lái)可以著手天線的制作和調(diào)試工作 [6]。 本設(shè)計(jì)的方案思路 本設(shè)計(jì)采用文獻(xiàn)研究、軟件仿真、實(shí)物分析三種方法： 1文獻(xiàn)研究：對(duì)早進(jìn)入階段收集的與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的書(shū)籍、相關(guān)知識(shí)、參考資料進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和閱讀。歸納整理與天線設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，重點(diǎn)整理前人關(guān)于半波偶極子天線設(shè)計(jì)的研究。 2軟件仿真：學(xué)習(xí) HFSS v10 軟件，使用 HFSS v10軟件對(duì)半波偶極子天 線進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，查看求解結(jié)果，使用 Optimetrics 優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足天線設(shè)計(jì)要求。 3實(shí)物分析：按照軟件仿真的天線模型的尺寸大小制作天線，并調(diào)試。 主要技術(shù)指標(biāo) 天線的輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端功率反射為零，饋線上沒(méi)有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變