【正文】 ,近年來 ,RFID 技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動物體識別應(yīng)用中的主要技術(shù)[1]。最后依照仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實物設(shè)計制作并驗證其性能。傳統(tǒng)的天線設(shè)計方法是由設(shè)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(jìn)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(fèi)了大量的時間和精力，而且費(fèi)用昂貴。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) Tianjin University of Technology and Education 畢 業(yè) 設(shè) 計 專 業(yè)： 班級學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 二 ○ 一 三 年 六 月 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 半波偶極子天線設(shè)計 The Design of the Half Wave Dipole Antenna 專業(yè)班級： 學(xué) 生姓名： 指導(dǎo)教師： 系 別： 2020 年 6 月 I 摘 要 近年來 ,Radio frequency identification(RFID)技術(shù)飛速發(fā)展并逐漸成為自動物體識別應(yīng)用中的主要技術(shù) [1]。所以深入了解半波偶極子天線的設(shè)計理論與優(yōu)化技術(shù)是非常重要的。隨后從設(shè)計和實現(xiàn)角度出發(fā)，針對半波偶極子天線提出了優(yōu)化設(shè)計方案，并加以仿真并驗證。 HFSS10。 由于它結(jié)構(gòu)簡單 ,廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)和探測等各種無線電設(shè)備中 ,適用于短波、超短波 ,甚至微波。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(zhì)量至關(guān)重要。 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(jìn)行設(shè)計及仿真、優(yōu)化分析，設(shè)計出符合要求的天線。 [5]但實際應(yīng)用中大多數(shù)情況下都要適當(dāng)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 。它易于學(xué)習(xí)，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(zhǔn)確地求解。這使你能解決任意的 3D 幾何問題，尤其是那些有復(fù) 雜曲線和曲面的問題，當(dāng)然在局部會利用其他技術(shù)。 Ansoft HFSS 10 仿真軟件設(shè)計流程概述 本設(shè)計使用 HFSS v10 軟件對半波偶極子天線進(jìn)行仿真設(shè)計，設(shè)計流程如圖22所示，設(shè)計流程中的各個步驟的功能分述如下。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)計模型。無線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號，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端口 。 運(yùn)行求解分析。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。 2軟件仿真：學(xué)習(xí) HFSS v10 軟件，使用 HFSS v10軟件對半波偶極子天 線進(jìn)行設(shè)計仿真，查看求解結(jié)果，使用 Optimetrics 優(yōu)化設(shè)計，使其滿足天線設(shè)計要求。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。工程中通常采用近似計算或者用實驗方法測量。 駐波比：它是行 波系數(shù)的倒數(shù)，其值在 1 到無窮大之間。 回波損耗：它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示。 天線的 極化方式 所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強(qiáng)度方向。 方向性系數(shù) 天線的方向性系數(shù) D 是指在遠(yuǎn)區(qū)場的某一球面上 天線的輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度之比，即： （ 21） 實際等于輻射功率除以球面積，得： （ 22） 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 方向性系數(shù)是最大輻射方向上的方向性系數(shù)，即： （ 23） 天線的增益 天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是衡量天線性能好壞的重要的參數(shù)之一。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統(tǒng)增益預(yù)算余量。用這樣的電基本振子可以組成實際的復(fù)雜天線，所以電基本振子的輻射特性是研究復(fù)雜天線輻射特性的基礎(chǔ) [8]。 由于本文主要討論天線的輻射場，所以這里只計算遠(yuǎn)區(qū)場。 ④ 遠(yuǎn)區(qū)場強(qiáng)振幅還與觀察點(diǎn)所處的方位有關(guān)，這種特性稱為天線的方向性。 ⑤ 電場及磁場的方向與時間無關(guān)，遠(yuǎn)區(qū)場為線極化。接收天線的極化特性必須與被接收的電磁波的極化特性一致，稱為極化匹配。此時，坡印廷矢量的平均值為： （ 37） 對于自由空間而言，媒質(zhì)的波阻抗為： （ 38） 對稱天線的輻射 對稱天線是一根中 心饋電，長度可與波長相比擬的載流導(dǎo)線。設(shè)對稱天線的半長為 L，在直角坐標(biāo)系中沿 z軸放置，中點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，則電流空間分布函數(shù)可以表示為 （ 39） 式中 , Im 為電流駐波的空間最大值或稱為波腹電流，位置取決于 對稱天線的長度。電流元 產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場強(qiáng)度應(yīng)為 (310) 由 于 ，可以認(rèn)為組成對稱天線的每個電流元對于觀察點(diǎn) P 的指向是相同的，即 與 平行，如圖 32所示。如圖 322所示，不同長度的對稱天線所在平面內(nèi)的方向圖也不同。當(dāng)天線全長大于全波長時，出現(xiàn)副葉。半波偶極子天線可以看成是由長度為 dz 的電基本振子天線連接而天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 成的， dz 這一小段天線上的電流等幅同相，但沿著 z 軸的電流幅度是按式（ 310）給出的正弦分布的。 天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 14 4 HFSS 仿真設(shè)計 HFSS 設(shè)計概述 這里將要設(shè)計的是 中心頻率為 3GHz 的半波偶極子天線，波長和頻率的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系，具體的計算公式是：波長（單位：米） =300/頻率（單位： MHz）。天線半徑為 。所以，通常情況下，為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確，輻射邊界距離輻射體應(yīng)不小于 個工作波長 [6]。 圖 41 半波偶極子天線的 HFSS分析模型 為了方便后面的建模，在本設(shè)計中設(shè)置了一系列變量。 （ 2） 設(shè)置求解類型 【 Solution Type】 為“ Driven Modal”（模式驅(qū)動求解類型）。依次按照此方法增添新的變量，完成所有變量的定義和添加工作。如圖 44所示。這樣就將之前已完成的偶極子天線的按 X 軸旋轉(zhuǎn) 180 復(fù)制出另一個極子，同時生成的模型自動命名 為 Dipole_1。 ? 設(shè)置矩形面的頂點(diǎn)坐標(biāo)和大小，雙擊操作歷史樹中的 Port 下的CreateRectangle 節(jié)點(diǎn)，在 Command 選項卡設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)和大小。由理論分析計算可知，半波偶極子天線的輸入阻抗約為 。 (3）設(shè)置輻射邊界條件 ? 創(chuàng)建輻射邊界的圓柱體，并把圓柱體的名稱設(shè)置為“ Rad_air”，材質(zhì)設(shè) 置為“ air”，透明度設(shè)置為“ ”，如圖 48 所示。（當(dāng)然，也可把輻射邊界設(shè)置成長方體或其它形狀，只要保持輻射邊界距離輻射體應(yīng)不小于個工作波長即可，經(jīng)過反復(fù)的實驗發(fā)現(xiàn)圓柱體的輻射邊界分析出的數(shù)值誤差較小。 ? 求解頻率 （ Solution Frequency） 為 3GHz，最大迭代次數(shù) （ Maximum Number of Passes） 為 20，收斂誤差 （ Maximum Deltalmum S） 為 ，其他選項保持默認(rèn)設(shè)置，如圖 410 所示。如圖 411所示。 右鍵單擊 Analysis 節(jié)點(diǎn)，選擇【 Analyze All】，開始運(yùn)行仿真計算。 從分析結(jié)果可以看出，設(shè)計的中心頻率為 3GHz 的半波偶極子天線，的相對帶寬 。 Smith 圓圖：借助于 Smith 圓圖，能夠方便地進(jìn)行阻抗匹配，給出駐波比，歸一化輸入阻抗等各種信息。 圖 414 半波偶極子天線的駐波比分析結(jié)果 天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 22 圖 415 半波偶極子天線的 的 Smith圓圖顯示結(jié)果 ? 輸入阻抗：查看輸入阻抗有兩種方法，除了前面 Smith 圓圖結(jié)果外，也可以直接查看天線的輸入阻抗值，其操作和查看回波損耗的操作類似，選擇【 Create Modal Solution Data Report】 → 【 Rectangular Plot】 命令 , 在該對話框左側(cè)的 Solution 下拉列表中選擇 Setup1:Sweep1,在 Category 列表框中選擇 Z Parameter，在 Quantity列表框中選擇 Z(1,1),在 Function列表中同時選擇 im和 re，即是同時選擇查看輸入阻抗的虛部（電抗部分）和實部（電阻部分），然后單擊Done 按鈕，再點(diǎn)擊 Add Trace 按鈕即可生成如圖 416所示的半波偶極子天線的輸入阻抗結(jié)果報告。 ③ 查看 xy面的增益方向圖 :與前面相同的操作， Geomertry 選擇 H_Plane，在 Primary Sweep 中選擇 Phi 為 90176。 天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 24 圖 418 極子天線 xz的增益方向圖 圖 419波偶極子天線 xy的增益方向圖 圖 420波偶極子三維增益方向圖 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 25 5 天線實物 通過 HFSS 的仿真分析，驗證了我設(shè)計的正確性。 圖 51 半波偶極子天線實物 結(jié) 論 26 結(jié) 論 通過本文的分析設(shè)計和仿真，完成了論文的主要內(nèi)容分兩個部分：半波偶極子天線的設(shè)計和測量。在天線功能越來越豐富的今天，該天線作為基礎(chǔ)天線可以在一定程度上滿足用戶的需求。雖說導(dǎo)師說此次的畢業(yè)設(shè)計看起來不是那么的可怕，但是當(dāng)我真的開始著手時，還的確是困難重重。