【正文】 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。 方向性系數(shù) 將式（ 23）和式（ 24）代入式（ 316）可以得出半波偶極子天線的方向性系數(shù)為： （ 317） 以分貝表示為： （ 318） 輻射電阻 天線的平均功率密度可以用平均坡印廷矢量來(lái)表示，即： (319) 將半波偶極子天線的輻射電場(chǎng)和輻射磁場(chǎng)代入式（ 319）可得： (320) 則半波偶極子天線的輻射功率為： 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) 13 (321) 用 來(lái)表示輻射電阻，得： (322) 由式 (321)和式 (322)可以計(jì)算出半波偶極子天線的輻射電阻為： 輸入阻抗 根據(jù)基本的傳輸線理論，輸入阻抗一般同時(shí)包含實(shí)部和虛部?jī)刹糠?，即為? (323) 實(shí)部電阻 由輻射電阻和導(dǎo)體電阻組成，而導(dǎo)體電阻即是導(dǎo)體損耗所產(chǎn)生的電阻。 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) 14 4 HFSS 仿真設(shè)計(jì) HFSS 設(shè)計(jì)概述 這里將要設(shè)計(jì)的是 中心頻率為 3GHz 的半波偶極子天線，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）。天線的材質(zhì)使用理想導(dǎo)體（ pec）。天線半徑為 。端口距離的設(shè)置，實(shí)際上是基于振子間隙的電壓源激勵(lì)模型，理論上是無(wú)限小間隙電壓源，一般設(shè)為 左右就可以了。所以，通常情況下，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，輻射邊界距離輻射體應(yīng)不小于 個(gè)工作波長(zhǎng) [6]。在 HFSS上半波偶極子天線的設(shè)計(jì)模型如圖 41所示。 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(jì)中設(shè)置了一系列變量。 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) 15 表 41 變量定義 變量意義 變量名 變量值（單位： mm） 工作波長(zhǎng) lambda 100 天線總長(zhǎng)度 length lambda 端口距離 gap 單個(gè)極子長(zhǎng) 度 dip_length length/2 gap/2 天線半徑 dip_radius lambda/200 輻射邊界圓柱體半徑 rad_radius dip_radius+ lambda/4 輻射邊界圓柱體高度 /2 rad_height dip_length+gap/2+lambda/10 實(shí)際數(shù)值由圖 42 所示 。 （ 2） 設(shè)置求解類型 【 Solution Type】 為“ Driven Modal”（模式驅(qū)動(dòng)求解類型）。 添加和定義設(shè)計(jì)變量 選擇 【 Design Properties】 ，打開設(shè)計(jì)屬性對(duì)話框，打開 Add Property 對(duì)話框，添加變量。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。 ? 設(shè)置 Cylinder1 的屬性，名稱設(shè)置為 “Dipole”，材質(zhì)設(shè)置為 “pec”，如圖43所示。如圖 44所示。 圖 43 Attribute選項(xiàng)卡 圖 44 Command選項(xiàng)卡 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) 17 ? 通過(guò)沿著坐標(biāo)軸復(fù)制操作，生成偶極子天線的另一個(gè)臂。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(gè)極子，同時(shí)生成的模型自動(dòng)命名 為 Dipole_1。 ? 在三維模型窗口的 yz 面上創(chuàng)建一個(gè)任意大小的矩形面。 ? 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(xiàng)卡設(shè)置頂點(diǎn)坐標(biāo)和大小。 圖 45 Attribute選項(xiàng)卡 圖 46 Command選項(xiàng)卡 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) 18 這樣就完成激勵(lì)端口的建立，接著設(shè)置激勵(lì)方式。由理論分析計(jì)算可知，半波偶極子天線的輸入阻抗約為 。 ? 單擊工具欄 按鈕，全屏顯示矩形面 Port，在矩形面的下邊緣處移動(dòng)鼠標(biāo)指針，單擊確定下邊緣的中點(diǎn)位置（即積分線的起點(diǎn)），沿 z軸向上移動(dòng)鼠標(biāo)指針，單擊確定上邊緣的中點(diǎn)位置（即積分線的終點(diǎn)）。 (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。設(shè)置輻射邊界條件：選中該圓柱體模型，單擊鼠標(biāo)右鍵選擇 【 Assign Boundary】 →【 Radiation】 。（當(dāng)然，也可把輻射邊界設(shè)置成長(zhǎng)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(gè)工作波長(zhǎng)即可，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)圓柱體的輻射邊界分析出的數(shù)值誤差較小。添加 ～ 的掃頻設(shè)置，掃頻類型選擇快速掃頻。 ? 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(xiàng)保持默認(rèn)設(shè)置，如圖 410 所示。 掃頻設(shè)置：展開 Analysis 節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊前面添加的求解設(shè)置項(xiàng) Setup1，選擇 【 Add Frequency Sweep】 ，打開“ Edit Sweep” 對(duì)話框，設(shè)置掃頻類型為“ Fast”，設(shè)置頻率設(shè)置類型為“ LinearStep”，起始頻率（ Start）為 ，終止頻率（ Stop）為 ，步進(jìn)頻率（ Step Size）為 ，其他選項(xiàng)都保留默認(rèn)設(shè)置。如圖 411所示。 ? 選擇 【 Validation Check】 進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查。 右鍵單擊 Analysis 節(jié)點(diǎn)，選擇【 Analyze All】，開始運(yùn)行仿真計(jì)算。 HFSS 擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)后處理功能，仿真完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分能夠給出天線各項(xiàng)性能參數(shù)的仿真分析結(jié)果。 從分析結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的中心頻率為 3GHz 的半波偶極子天線，的相對(duì)帶寬 。即是在報(bào)告設(shè)置對(duì)話框左側(cè)的 Solution下拉列表選擇 Setup1,在 Category列表框中選擇“ VSWR”，在 Quantity 列表框中選擇 VSWR（ 1），在 Function列表中選擇 none。 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。從圖中可 知，在中心頻率為 3GHz 時(shí)歸一化阻抗約為 1，說(shuō)明天線的端口阻抗匹配良好。 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(jì) 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(duì)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(shí)選擇 im和 re，即是同時(shí)選擇查看輸入阻抗的虛部（電抗部分）和實(shí)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(bào)告。 圖 416 半波偶極子天線的輸入阻抗結(jié)果報(bào)告 ? 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(jì) 23 ① 定 義輻射表面：右鍵“ Radiation”節(jié)點(diǎn)，選擇 【 Insert Far Field Setup】 →【 Infinite Sphere】 ，定義 xz 平面，設(shè)置“ E_Plane”，同理定義 xy 平面，設(shè)置為“ H_Plane”，定義三維立體球面，設(shè)置為“ 3D_Sphere” 如圖 417 所示。 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。 ④ 看三維增益方向圖：右鍵“ Results”節(jié)點(diǎn)，選擇 【 Create Far Fields Report】→ 【 3D Polar Plot】 , Geomertry 選擇 3D_ Sphere， 在“ Category”中選擇“ Gain”，在“ Quantity”中選擇“ GainTotal”，在“ Function”中選擇“ dB” 。 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) 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(jì) 25 5 天線實(shí)物 通過(guò) HFSS 的仿真分析，驗(yàn)證了我設(shè)計(jì)的正確性。如圖 51 示。 圖 51 半波偶極子天線實(shí)物 結(jié) 論 26 結(jié) 論 通過(guò)本文的分析設(shè)計(jì)和仿真，完成了論文的主要內(nèi)容分兩個(gè)部分：半波偶極子天線的設(shè)計(jì)和測(cè)量。通過(guò)仿真得到了天線回波損耗、電壓駐波比天線的輸入阻抗及設(shè)計(jì)要求的參數(shù)。在天線功能越來(lái)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。從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少同學(xué)、網(wǎng)友給了我熱心的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯謝意！ 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我大學(xué)學(xué)習(xí)中遇到過(guò)的時(shí)段最長(zhǎng)、涉及內(nèi)容最廣、工作量最大的一次課程設(shè)計(jì)。雖說(shuō)導(dǎo)師說(shuō)此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)看起來(lái)不是那么的可怕，但是當(dāng)我真的開始著手時(shí)，還的確是困難重重。 網(wǎng)友 是我這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 順利 完成的一大助力，與他們的交流使我受益頗多，他們對(duì)我提出的問(wèn)題的熱心回答使我少走了許多彎路，節(jié)省了許多時(shí)間。