【正文】 quency Structure Simulator (HFSS) threedimensional electromagic simulation software halfwave dipole antenna design and simulation, optimization analysis method can save time and effort, designed to meet the requirements of the antenna. Papers from the background and purpose of the research, this paper introduces a halfwave dipole antenna basics design principles. Then from the design and implementation point of view, for the halfwave dipole antenna proposed optimal design, and make the simulation and verification. Finally simulation data in accordance with the physical design and verify its performance. Key Words： 3GHz。 HFSS10?，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]。 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。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)計的。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。制作簡單，成功率高，性能優(yōu)越的基礎(chǔ)天線也將會受 到需求者的青睞。 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。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)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(jié)構(gòu)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。 [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 。 圖 21 半波偶極子天線 Ansoft HFSS 10 仿真軟件簡介 本設(shè)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(jìn)行設(shè)計及仿真、優(yōu)化分析，下面介紹 下 HFSS 這個軟件。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。Ansoft HFSS 能用于諸如 S參數(shù)，諧振頻率和場等的參數(shù)計算。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 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 3 有限元法解決 EM 仿真問題。 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。使 用 HFSS 進(jìn)行天線設(shè)計時，可以選擇模式驅(qū)動（ driven modal）求解類型或者終端驅(qū)動（ driven terminal）求解類型。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)計模型。在半波偶極子天線的設(shè)計中，我使用輻射邊界條件，為了模擬出無限大的自由空間。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 。 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。 運行求解分析。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，則說明計算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。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。 本設(shè)計的方案思路 本設(shè)計采用文獻(xiàn)研究、軟件仿真、實物分析三種方法： 1文獻(xiàn)研究：對早進(jìn)入階段收集的與畢業(yè)設(shè)計有關(guān)的書籍、相關(guān)知識、參考資料進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和閱讀。 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。 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。所以在設(shè)計天線時，需要盡可能地把天線的輸入阻抗設(shè)計在 50Ω，在工作頻帶內(nèi)保證盡可能小得駐波比。工程中通常采用近似計算或者用實驗方法測量。在我們?nèi)粘＞S護(hù)中，用的較多的是駐波比和回波損耗。 駐波比：它是行 波系數(shù)的倒數(shù)，其值在 1 到無窮大之間。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于 ，但實際應(yīng)用中 VSWR 應(yīng)小于 。 回波損耗：它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示。 0 表示全反射，無窮大表示完全匹配。 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。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播 [13]。 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。天線增益對移動通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。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。天線效率為： （ 24） 即是表征天線將輸入高頻能量轉(zhuǎn)換為無線電波能量的有效程度。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]。建立直角坐標(biāo)系，令電流元位于坐標(biāo)原點，且沿 z軸放置，如圖 31所示。 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。 ② 電場與磁場同相，復(fù)能流密度僅有實部，能量不斷向外輻射，所以遠(yuǎn)區(qū)場又稱為輻射場。 ④ 遠(yuǎn)區(qū)場強(qiáng)振幅還與觀察點所處的方位有關(guān)，這種特性稱為天線的方向性。 z 方向電流元具有軸對稱特點，場強(qiáng)與方位角 ? 無關(guān)，即 。 ⑤ 電場及磁場的方向與時間無關(guān)，遠(yuǎn)區(qū)場為線極化。除了上述線極化特性外，其余四種特性是一切尺寸有限的天線天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 遠(yuǎn)區(qū)場的共性，即一切有限尺寸的天線，其遠(yuǎn)區(qū)場為 TEM 波，是一種輻射場，其場強(qiáng)振幅不僅與距離成反比，同時也與方向有關(guān)。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。但是由于交換部分的場強(qiáng)振幅至少與距離 r2 成反比，而輻射部分的場強(qiáng)振幅與距離 r 成反比，因此 ，遠(yuǎn)區(qū)中交換部分所占的比重很小，近區(qū)中輻射部分可以忽略 [8]。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。若導(dǎo)線直徑 d ?，電流沿線分布可以近似認(rèn)為具有正弦駐波特性。設(shè)對稱天線的半長為 L，在直角坐標(biāo)系中沿 z軸放置，中點位于坐標(biāo)原點，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。既然對稱天線的電流分布為正弦駐波，對稱天線可以看成是由很多電流振幅不等但相位相同的電流元排成一條直線形成的。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 P 的指向是相同的，即 與 平行，如圖 32所示。 作為一次近似可以認(rèn)為 圖 32 對稱天線的輻射 將這些結(jié)果代入式（ 311）中， 若認(rèn)為周圍介質(zhì)為真空或者空氣則對 稱天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射電場為 （ 312） 可見，對稱天線的方向性因子為 （ 313） 由上式可見，對稱天線的方向性因子與方位角 無關(guān)，僅為方位角 的函數(shù)。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。 天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 因為組成對稱天線的各個電流元在軸線方向上輻射為零，所以無論天線的長度怎么變化，在 及 的軸線方向上始終沒有輻射。當(dāng)天線全長大于全波長時，出現(xiàn)副葉。 圖 322 幾種對稱天線的方向圖 半波偶極子天線性能參數(shù)的理論計算 電流分布 對于半波偶極子天線而言，其長度 。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