【正文】 ............................. 9 半波偶極子天線性能參數(shù)的理論計算 ..................................................... 11 電流分布 ............................................................................................. 11 輻射場和方向圖 ................................................................................ 11 方向性系數(shù) ......................................................................................... 12 輻射電阻 ............................................................................................. 12 輸入阻抗 ............................................................................................. 13 4 HFSS 仿真設計 ..................................................................................................... 14 HFSS 設計概述 .......................................................................................... 14 HFSS 仿真設計 .......................................................................................... 15 新建設計工程 ..................................................................................... 15 添加和定義設計變量 ......................................................................... 15 設計建模 ............................................................................................. 16 求解設置 ............................................................................................. 19 設計檢查和運行仿真計算 ................................................................. 20 5 天線實物 ............................................................................................................... 25 結 論 ...................................................................................................................... 26 參考文獻 ...................................................................................................................... 27 致 謝 ...................................................................................................................... 28 天津職業(yè)技術師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設計 1 1 緒論 課題研究的背景 Radio frequency identification(RFID)技術是一種利用射頻技術實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術 ,近年來 ,RFID 技術飛速發(fā)展并逐漸成為自動物體識別應用中的主要技術[1]。現(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 技術中的半波偶極子天線。 由于它結構簡單 ,廣泛應用于通信、雷達和探測等各種無線電設備中 ,適用于短波、超短波 ,甚至微波。它既可作為簡單的天線單獨使用 ,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上設計的。 課題研究的意義 傳統(tǒng)的天線設計方法是由設計師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗通過編程進行數(shù)值計算的方法來確定天線的各參數(shù)，這樣做不僅花費了大量的時間和精力，而且費用昂貴。近年來，無線通信發(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，其性能對整個系統(tǒng)的通信質量至關重要。而半波偶極子天線這種基礎天線在未來需求量巨大，便宜高質量基礎天線將會是各生產(chǎn)廠家喜愛的產(chǎn)品。制作簡單，成功率高，性能優(yōu)越的基礎天線也將會受 到需求者的青睞。如果能采用現(xiàn)代計算機為基礎，使用三維電磁仿真軟件對半波偶極子天線進行設計及仿真、優(yōu)化分析方法可以節(jié)省時間、精力以及費用，設計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半波偶極子天線進行設計及仿真、優(yōu)化分析，設計出符合要求的天線。最后依照仿真數(shù)據(jù)進行實物設計制作并驗證其性能。 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 2 2 概述 半波偶極子天線簡述 半波偶極子天線是一種結構簡單的基本線天線，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度 都相等的直導線組成，每根導線的長度為 1/4 個工作波長。 [5]但實際應用中大多數(shù)情況下都要適當縮短長度，目的就是實現(xiàn)諧振使輸入阻抗接近純電阻，很多時候都是用工作波長的 。導線的直徑遠小于工作波長，天線的激勵是等幅反向的電壓信號，加在天線中間的兩個相鄰端點上，且天線中間兩個相鄰端點間的距離遠小于工作波長，可以忽略不計。 圖 21 半波偶極子天線 Ansoft HFSS 10 仿真軟件簡介 本設計主要采用 Ansoft HFSS 10三維電磁仿真軟件對半波偶極子天線進行設計及仿真、優(yōu)化分析，下面介紹 下 HFSS 這個軟件。 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 (EM)段任意 3D 無源器件的模擬仿真軟件。它易于學習，有仿真，可視化，立體建模，自動控制的功能，使你的 3D EM 問題能快速而準確地求解。 Ansoft HFSS 使用有限元法 (FEM)，自適應網(wǎng)格劃分和高性能的圖形界面，能讓你在研究所有三維 EM 問題時得心應手。Ansoft HFSS 能用于諸如 S參數(shù)，諧振頻率和場等的參數(shù)計算。 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 幾何問題，尤其是那些有復 雜曲線和曲面的問題，當然在局部會利用其他技術。 HFSS 是高頻結構仿真器（ High Frequency Structure Simulator）的縮寫。Ansoft 公司最早在電磁仿真中使用如切線矢量有限元，自適應網(wǎng)格，和 ALPS 等天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 3 有限元法解決 EM 仿真問題。 Ansoft HFSS 是高生產(chǎn)力研究，發(fā)展和虛擬的工具之一。 Ansoft HFSS 10 仿真軟件設計流程概述 本設計使用 HFSS v10 軟件對半波偶極子天線進行仿真設計，設計流程如圖22所示，設計流程中的各個步驟的功能分述如下。 設置求解類型。使 用 HFSS 進行天線設計時，可以選擇模式驅動（ driven modal）求解類型或者終端驅動（ driven terminal）求解類型。 圖 22 HFSS天線設計流程 創(chuàng)建天線的結構模型。根據(jù)天線的初始尺寸和結構，在 HFSS 模型窗口中創(chuàng)建出天線的 HFSS 參數(shù)化設計模型。 設置邊界條件。在半波偶極子天線的設計中，我使用輻射邊界條件，為了模擬出無限大的自由空間。 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 4 設置激勵方式。無線必須通過傳輸線或者波導傳輸信號，天線與傳輸線或者波導的連接處即為饋電面或者稱為激勵端口 。半波偶極子天線的設計中，由于在模型內部饋電面的激勵方式使用集總端口激勵（ Lumped Port）。 設置求解參數(shù)，包括設定求解頻率和掃頻參數(shù)，其中，求解頻率通常設定為天線的中心工作頻率。波長和頻率的關系是倒數(shù)關系，具體的計算公式是：波長（單位：米） =300/頻率（單位： MHz）。 運行求解分析。上述操作完成后，整個仿真計算由 HFSS 軟件自動完成。分析完成后，如果結果不收斂，則需要重新設置求解參數(shù)；如果結果收斂，則說明計算結果達到了設定的精度要求。 查看求解結果。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。如果仿真計算的天線性能滿足設計要求，接下來可以著手天線的制作和調試工作 [6]。 本設計的方案思路 本設計采用文獻研究、軟件仿真、實物分析三種方法： 1文獻研究：對早進入階段收集的與畢業(yè)設計有關的書籍、相關知識、參考資料進行系統(tǒng)的學習和閱讀。歸納整理與天線設計的相關理論，重點整理前人關于半波偶極子天線設計的研究。 2軟件仿真：學習 HFSS v10 軟件，使用 HFSS v10軟件對半波偶極子天 線進行設計仿真，查看求解結果，使用 Optimetrics 優(yōu)化設計，使其滿足天線設計要求。 3實物分析：按照軟件仿真的天線模型的尺寸大小制作天線，并調試。 主要技術指標 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，這時饋線終端功率反射為零，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變