半波偶极子天线毕业设计论文

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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二一三 年 六 月天津职业技术师范大学本科生毕业设计半波偶极子天线设计The Design of the Half Wave Dipole Antenna专业班级：学生姓名：指导教师：系 别：2013年6月摘 要近年来,Radio frequency identification(RFID)技术飞速发展并逐渐成为自动物体识别应用中的主要技术1。现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等2

2、。这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线，即是对称振子天线，最常用的是半波振子，偶极子天线是研究天线的基础，具有很多特性，比如辐射特性阻抗特性，波长缩短效应，谐振特性等，它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线阵的单元或面天线的馈源3-4。所以深入了解半波偶极子天线的设计理论与优化技术是非常重要的。传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵。本设计采用现代计算机为基础，使用High Frequency Structure Simulator（HFSS）三维电磁仿真软件对半波偶极子

3、天线进行设计及仿真、优化分析方法可以节省时间和精力，设计出符合要求的天线。论文从课题研究的背景和目的出发，介绍了半波偶极子天线的基本知识、设计原理。随后从设计和实现角度出发，针对半波偶极子天线提出了优化设计方案，并加以仿真并验证。最后依照仿真数据进行实物设计制作并验证其性能。关键词：3GHz；天线；HFSS10；偶极子天线ABSTRACTIn recent years, Radio frequency identification (RFID) technology and the rapid development of automatic object recognition has be

4、come the main technology applications. Today there are many types of RFID antennas, such as dipole antennas, fractal antennas1, microstrip patch antenna and annular groove antenna2. RFID technology here focuses on the half-wave dipole antenna, dipole antenna that is most commonly used is the half-wa

5、ve dipole, dipole antenna of the antenna base, has many features, such as radiation characteristic impedance, the wavelength reduction effect, resonance characteristics, etc. it can be used alone as a simple antenna, but also as a unit or antenna array antenna feed surface3-4. Therefore, in-depth un

6、derstanding of a half-wave dipole antenna design theory and optimization technology is very important. Traditional antenna design approach is an analysis by the designer according to the antenna theory and their own experience through the programming of numerical calculation method to determine the

7、parameters of the antenna, so do not spend a lot of time and effort, and expensive. This design uses modern computer-based, using High Frequency Structure Simulator (HFSS) three-dimensional electromagnetic simulation software half-wave dipole antenna design and simulation, optimization analysis meth

8、od 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 half-wave dipole antenna basics design principles. Then from the design and implementation point of view, for the half-wave dipole antenna pro

9、posed optimal design, and make the simulation and verification. Finally simulation data in accordance with the physical design and verify its performance.Key Words： 3GHz; antenna; HFSS10; dipole antennaII目 录1绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的意义11.3本次课题的主要工作12概述22.1半波偶极子天线简述22.2Ansoft HFSS 10仿真软件简介22.3Ansoft HFS

10、S 10仿真软件设计流程概述32.4本设计的方案思路42.5主要技术指标42.5.1天线的输入阻抗42.5.2天线的极化方式52.5.3方向性系数52.5.4天线的增益62.5.5天线的效率63理论分析73.1电基本振子的辐射场73.2对称天线的辐射93.3半波偶极子天线性能参数的理论计算113.3.1电流分布113.3.2 辐射场和方向图113.3.3方向性系数123.3.4辐射电阻123.3.5输入阻抗134HFSS仿真设计144.1HFSS设计概述144.2HFSS仿真设计154.2.1新建设计工程154.2.2添加和定义设计变量154.2.3设计建模164.2.4求解设置194.2.5

11、设计检查和运行仿真计算205天线实物25结 论26参考文献27致 谢28天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计1 绪论1.1 课题研究的背景Radio frequency identification(RFID)技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术,近年来,RFID技术飞速发展并逐渐成为自动物体识别应用中的主要技术1。现今有很多种RFID天线类型,如偶极子天线、分形天线、环形槽天线和微带贴片天线等2。这里着重研究RFID技术中的半波偶极子天线。由于它结构简单,广泛应用于通信、雷达和探测等各种无线电设备中,适用于短波、超短波,甚至微波。它既可作为简单的天线单独使用,又可作为天线

12、阵的单元或面天线的馈源3-4。由于半波偶极子是基本的天线,很多天线都是在半波振子的基础上设计的。1.2 课题研究的意义传统的天线设计方法是由设计师根据天线的分析理论以及自己的经验通过编程进行数值计算的方法来确定天线的各参数，这样做不仅花费了大量的时间和精力，而且费用昂贵。近年来，无线通信发展迅速，作为系统发射和接收电磁波的重要前段器件天线，其性能对整个系统的通信质量至关重要。而半波偶极子天线这种基础天线在未来需求量巨大，便宜高质量基础天线将会是各生产厂家喜爱的产品。制作简单，成功率高，性能优越的基础天线也将会受到需求者的青睐。如果能采用现代计算机为基础，使用三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行

13、设计及仿真、优化分析方法可以节省时间、精力以及费用，设计出符合要求的半波偶极子天线。1.3 本次课题的主要工作本次课题的主要工作是使用HFSS三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析，设计出符合要求的天线。最后依照仿真数据进行实物设计制作并验证其性能。25天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计2 概述2.1 半波偶极子天线简述半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线，也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。如图2-1所示，半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为1/4个工作波长。5但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度，目的就是实现谐振使

14、输入阻抗接近纯电阻，很多时候都是用工作波长的0.48。导线的直径远小于工作波长，天线的激励是等幅反向的电压信号，加在天线中间的两个相邻端点上，且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长，可以忽略不计。图2-1 半波偶极子天线2.2 Ansoft HFSS 10仿真软件简介本设计主要采用Ansoft HFSS 10三维电磁仿真软件对半波偶极子天线进行设计及仿真、优化分析，下面介绍下HFSS这个软件。HFSS是利用我们所熟悉的windows图形用户界面的一款高性能的全波电磁场(EM)段任意3D无源器件的模拟仿真软件。它易于学习，有仿真，可视化，立体建模，自动控制的功能，使你的3D EM问题能快速

15、而准确地求解。Ansoft HFSS使用有限元法(FEM)，自适应网格划分和高性能的图形界面，能让你在研究所有三维EM问题时得心应手。Ansoft HFSS能用于诸如S-参数，谐振频率和场等的参数计算。HFSS是基于四面体网格元的交互式仿真系统。这使你能解决任意的3D几何问题，尤其是那些有复杂曲线和曲面的问题，当然在局部会利用其他技术。 HFSS是高频结构仿真器（High Frequency Structure Simulator）的缩写。Ansoft公司最早在电磁仿真中使用如切线矢量有限元，自适应网格，和ALPS等有限元法解决EM仿真问题。 Ansoft HFSS是高生产力研究，发展和虚拟的

16、工具之一。2.3 Ansoft HFSS 10仿真软件设计流程概述本设计使用HFSS v10软件对半波偶极子天线进行仿真设计，设计流程如图2-2所示，设计流程中的各个步骤的功能分述如下。设置求解类型。使用HFSS进行天线设计时，可以选择模式驱动（driven modal）求解类型或者终端驱动（driven terminal）求解类型。 图2-2 HFSS天线设计流程创建天线的结构模型。根据天线的初始尺寸和结构，在HFSS模型窗口中创建出天线的HFSS参数化设计模型。设置边界条件。在半波偶极子天线的设计中，我使用辐射边界条件，为了模拟出无限大的自由空间。设置激励方式。无线必须通过传输线或者波导传

17、输信号，天线与传输线或者波导的连接处即为馈电面或者称为激励端口。半波偶极子天线的设计中，由于在模型内部馈电面的激励方式使用集总端口激励（Lumped Port）。设置求解参数，包括设定求解频率和扫频参数，其中，求解频率通常设定为天线的中心工作频率。波长和频率的关系是倒数关系，具体的计算公式是：波长（单位：米）=300/频率（单位：MHz）。运行求解分析。上述操作完成后，整个仿真计算由HFSS软件自动完成。分析完成后，如果结果不收敛，则需要重新设置求解参数；如果结果收敛，则说明计算结果达到了设定的精度要求。查看求解结果。求解分析完成后，子数据后处理部分可以查看HFSS分析出的天线各项性能参数，如

18、回波损耗、电压驻波比VSWR、输入阻抗、天线方向图、电流分布等。如果仿真计算的天线性能满足设计要求，接下来可以着手天线的制作和调试工作6。2.4 本设计的方案思路本设计采用文献研究、软件仿真、实物分析三种方法：1文献研究：对早进入阶段收集的与毕业设计有关的书籍、相关知识、参考资料进行系统的学习和阅读。归纳整理与天线设计的相关理论，重点整理前人关于半波偶极子天线设计的研究。2软件仿真：学习HFSS v10软件，使用HFSS v10软件对半波偶极子天线进行设计仿真，查看求解结果，使用Optimetrics优化设计，使其满足天线设计要求。3实物分析：按照软件仿真的天线模型的尺寸大小制作天线，并调试。

19、2.5 主要技术指标2.5.1天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端功率反射为零，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较稳定，性能较好12。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。在射频微波频段，馈线通常使用50标准阻抗。所以在设计天线时，需要尽可能地把天线的输入阻抗设计在50，在工作频带内保证尽可能小得驻波比。天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频率和周围环境的影响。工程中通常采用近似计算或者用实验方法测量。匹配的好坏一般用四个

20、参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪种并没有明文规定，看个人的习惯来决定。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。本设计中也将主要使用驻波比和回波损耗，下面将介绍驻波比和回波损耗 。驻波比：它是行波系数的倒数，其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。 回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0do的到无穷大之间，回波损耗与匹

21、配成反比，即回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越小表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。2.5.2天线的极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播13。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。

22、2.5.3方向性系数天线的方向性系数D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度之比，即： （2-1）实际等于辐射功率除以球面积，得： （2-2）方向性系数是最大辐射方向上的方向性系数，即： （2-3）2.5.4天线的增益 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是衡量天线性能好坏的重要的参数之一。 一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天

23、线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。 2.5.5天线的效率由于天线存在各种损耗，因此实际辐射到空间内的电磁波功率比发射机输送到天线的功率小。天线效率为： （2-4）即是表征天线将输入高频能量转换为无线电波能量的有效程度。天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计3 理论分析3.1 电基本振子的辐射场电基本振子又称电流元或者电偶极子，这是一种最简单的天线。用这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础8。设电流元位于无限大的空间，周围介质是均匀线性且各向同性的理想性质。建立直角坐标系，令电流元位于坐标原点，且沿z轴放置，如图3-1所示。电基本

24、振子上的电流大小使用I表示，则矢量位A可以表示为：图3-1 电流元的辐射场 (3-1)在球面坐标系中 （3-2） (3-3)于是，可以求得辐射的磁场强度为： (3-4)再利用麦克斯韦方程，可以求得电场强度为： （3-5）式中，E为电场强度，单位为V/m；H为磁场强度，单位为A/m；下标r、分别表示球坐标系的各个方向分量；为自由空间的介电常数，单位为；为自由空间导磁率，单位为H/m；k是自由空间相位常数，是自由空间波长。由于本文主要讨论天线的辐射场，所以这里只计算远区场。的区域称为远区，此时,则式（3-4）和（3-5）可以近似为： （3-6）上式表明，电流元得远区场具有以下特点： 传播方向为 r

25、 ，电场及磁场均与r 垂直，远区场为TEM波，电场与磁场的关系为。 电场与磁场同相，复能流密度仅有实部，能量不断向外辐射，所以远区场又称为辐射场。 远区场强振幅与距离 r 一次方成反比，这种衰减不是介质的损耗引起的，而是球面波的自然扩散。 远区场强振幅还与观察点所处的方位有关，这种特性称为天线的方向性。与方位角q 及f 有关的函数称为方向性因子，以 f (q, f ) 表示。z 方向电流元具有轴对称特点，场强与方位角f 无关，即。z 向电流元在 的轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的方向上辐射最强。 电场及磁场的方向与时间无关，远区场为线极化。当然，在不同的方向上极化方向不同。除了上述线极化特性

26、外，其余四种特性是一切尺寸有限的天线远区场的共性，即一切有限尺寸的天线，其远区场为TEM波，是一种辐射场，其场强振幅不仅与距离成反比，同时也与方向有关。天线的极化特性和天线的类型有关。接收天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致，称为极化匹配。远区场中也有电磁能量的交换部分。但是由于交换部分的场强振幅至少与距离r2 成反比，而辐射部分的场强振幅与距离 r 成反比，因此，远区中交换部分所占的比重很小，近区中辐射部分可以忽略8。 由此可以看出，在远区内，电场只有分量，磁场只有分量，且电场和磁场的相位相同。此时，坡印廷矢量的平均值为： （3-7）对于自由空间而言，媒质的波阻抗为： （3-8）

27、3.2 对称天线的辐射对称天线是一根中心馈电，长度可与波长相比拟的载流导线。其电流分布以中点为对称，因此称为对称天线。若导线直径 d l，电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性。因为两端开路，电流为零，形成电流驻波的波节，电流驻波的波腹位置取决于对称天线长度。设对称天线的半长为L，在直角坐标系中沿z轴放置，中点位于坐标原点，则电流空间分布函数可以表示为 （3-9）式中, Im 为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流，位置取决于对称天线的长度。常数。既然对称天线的电流分布为正弦驻波，对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的。这样，利用电流元的远区场公式即可直接计算

28、对称天线的辐射场。电流元产生的远区电场强度应为 (3-10)由于，可以认为组成对称天线的每个电流元对于观察点P 的指向是相同的，即与平行，如图3-2所示。各个电流元在 P 点产生的远区电场方向相同，合成电场为各个电流元远区电场的标量和，即对称的远区电场为 （3-11）考虑到，可以近似认为。作为一次近似可以认为图3-2 对称天线的辐射 将这些结果代入式（3-11）中，若认为周围介质为真空或者空气则对称天线的远区辐射电场为 （3-12）可见，对称天线的方向性因子为 （3-13）由上式可见，对称天线的方向性因子与方位角无关，仅为方位角的函数。此外，显然长度不同的对称天线，其方向性因子也不同。如图3-

29、2-2所示，不同长度的对称天线所在平面内的方向图也不同。这些平面方向图绕天线轴线旋转一周即构成空间方向图。因为组成对称天线的各个电流元在轴线方向上辐射为零，所以无论天线的长度怎么变化，在及的轴线方向上始终没有辐射。当天线的全长小于一个波长时，方向图仅有两个主叶，且的方向为主射方向，因为在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，相位也相等，合成场强最强。当天线全长大于全波长时，出现副叶。尤其当全长等于两个波长时，即半长，原来的主射方向变成零射方向，因为虽然在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，但是一半电流元的时间相位与另一半电流元的时间相位相反，两者产生的场强彼此抵消，导致合成场强为零。 图3-

30、2-2 几种对称天线的方向图3.3 半波偶极子天线性能参数的理论计算3.3.1电流分布对于半波偶极子天线而言，其长度。把上述参数代入到式（3-9）中，则半波偶极子天线的电流为： （3-14）3.3.2 辐射场和方向图已知半波偶极子天线上的电流分布，可以利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。半波偶极子天线可以看成是由长度为dz的电基本振子天线连接而成的，dz这一小段天线上的电流等幅同相，但沿着z轴的电流幅度是按式（3-10）给出的正弦分布的。由式（3-12），（3-13）经整理可得： (3-15)式中， (3-16)称为半波偶极子天线的方向性函数。3.3.3方向性系数将式（2-3）和式（2-

31、4）代入式（3-16）可以得出半波偶极子天线的方向性系数为： （3-17）以分贝表示为： （3-18）3.3.4辐射电阻天线的平均功率密度可以用平均坡印廷矢量来表示，即： (3-19)将半波偶极子天线的辐射电场和辐射磁场代入式（3-19）可得： (3-20)则半波偶极子天线的辐射功率为： (3-21)用来表示辐射电阻，得： (3-22)由式(3-21)和式(3-22)可以计算出半波偶极子天线的辐射电阻为：3.3.5输入阻抗根据基本的传输线理论，输入阻抗一般同时包含实部和虚部两部分，即为： (3-23)实部电阻由辐射电阻和导体电阻组成，而导体电阻即是导体损耗所产生的电阻。对于良导体来说，导体电阻

32、是可以忽略的，此时实部电阻仅有辐射电阻，即是： (3-24)由此可知，对于半波偶极子天线而言，虚部电抗，输入阻抗可近似为： （3-25）可见，半波偶极子天线的输入阻抗是纯电阻，易于和馈线匹配，这也是它被较多采用的原因之一。4 HFSS仿真设计4.1 HFSS设计概述这里将要设计的是中心频率为3GHz的半波偶极子天线，波长和频率的关系是倒数关系，具体的计算公式是：波长（单位：米）=300/频率（单位：MHz）。由此可知工作波长应设为100mm。天线的材质使用理想导体（pec）。天线的总长度按照半波偶极子天线的原理为L=2，但实际应用中大多数情况下都要适当缩短长度，目的就是我前面说的，实现谐振使输

33、入阻抗接近纯电阻，经仿真经验得出，很多时候都是用其波长的0.475，当然0.48、0.49都可以的，但本设计经过多次仿真，确定值为0.4803时仿真值最准确。天线半径为。本设计天线在模型内部的馈电面的激励方式，因此采用集总端口激励方式。端口距离的设置，实际上是基于振子间隙的电压源激励模型，理论上是无限小间隙电压源，一般设为0.24mm左右就可以了。辐射边界和天线的距离设置，经实验得出，当辐射边界和偶极子天线之间的距离大于时，回波损耗分析结果一致，没有什么变化。所以，通常情况下，为保证计算结果的准确，辐射边界距离辐射体应不小于个工作波长6。因此，辐射边界和天线的距离就设为。在HFSS上半波偶极子

34、天线的设计模型如图4-1所示。天线沿z轴放置，中心位于坐标原点。图4-1 半波偶极子天线的HFSS分析模型为了方便后面的建模，在本设计中设置了一系列变量。变量名称以及对应的天线结构尺寸如表4-1所示。 表4-1 变量定义变量意义变量名 变量值（单位：mm）工作波长lambda100天线总长度length0.483lambda端口距离gap0.24单个极子长度dip_lengthlength/2- gap/2天线半径dip_radiuslambda/200辐射边界圆柱体半径rad_radiusdip_radius+ lambda/4辐射边界圆柱体高度/2rad_heightdip_length+

35、gap/2+lambda/10实际数值由图4-2所示。图4-2 变量实际数值4.2 HFSS仿真设计4.2.1新建设计工程（1） 新建工程文件，把工程文件存为dipole.hfss文件。（2） 设置求解类型【Solution Type】为“Driven Modal”（模式驱动求解类型）。（3） 设置模型长度单位【Units】为“mm”（毫米），完成设置。4.2.2添加和定义设计变量选择【Design Properties】，打开设计属性对话框，打开Add Property对话框，添加变量。在Add Property对话框中Name文本框中输入第一个变量的名称lambda，在Value文本框中输

36、入该变量的初始值100mm，然后单击OK按钮，添加变量lambda到设计属性对话框中。依次按照此方法增添新的变量，完成所有变量的定义和添加工作。4.2.3设计建模（1）创建偶极子天线模型l 选择【Draw】【Cylinder】，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体，新建的圆柱体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Cylinder1。l 设置Cylinder1的属性，名称设置为“Dipole”，材质设置为“pec”，如图4-3所示。l 双击“CreateCylinder”节点，打开“Command”选项卡，设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。如图4-4所示。在Center

37、 Position文本框中输入圆心坐标为（0，-dip_radius,-gap/2），在Radius文本框中输入dip_radius，在Height文本框中输入长度值dip_length，最后单击确定按钮退出。图4-3 Attribute选项卡图4-4 Command选项卡l 通过沿着坐标轴复制操作，生成偶极子天线的另一个臂。【Edit】【Duplicate】【Around Axis】，将框中Axis选择X，在Angle输入180，点击OK按钮。这样就将之前已完成的偶极子天线的按X轴旋转180复制出另一个极子，同时生成的模型自动命名为Dipole_1。（2）设置端口激励l 把当前工作平面设置为

38、yz平面：在工具栏上的“XY”下拉列表框中选择“YZ”。l 在三维模型窗口的yz面上创建一个任意大小的矩形面。新建的矩形面会添加到操作历史树的Sheets节点下，把矩形面的名称设置为“Port”，如图4-5所示。l 设置矩形面的顶点坐标和大小，双击操作历史树中的Port下的CreateRectangle节点，在Command选项卡设置顶点坐标和大小。在Position文本框中输入顶点坐标为（0，-dip_radius,-gap/2）,在YSize和ZSize文本框中分别输入矩形面的长和宽为2dip_radius和gap,如图4-6所示。图4-5 Attribute选项卡图4-6 Command

39、选项卡这样就完成激励端口的建立，接着设置激励方式。l 设置该矩形面的激励方式为集总端口激励：选中该矩形面，单击右键，选择【Assign Excitation】【Lumped Port】，打开集总端口设置对话框。由理论分析计算可知，半波偶极子天线的输入阻抗约为73.2。因此如图4-7所示设置数值，接着选择New Line选项，此时会进入三维模型进行端口积分设置。l 单击工具栏按钮，全屏显示矩形面Port，在矩形面的下边缘处移动鼠标指针，单击确定下边缘的中点位置（即积分线的起点），沿z轴向上移动鼠标指针，单击确定上边缘的中点位置（即积分线的终点）。自动返回到集总端口设置对话框，单击“下一步”，在对

40、话框中选中“Do Not Renormalize”，完成设置。(3）设置辐射边界条件l 创建辐射边界的圆柱体，并把圆柱体的名称设置为“Rad_air”，材质设 置为“air”，透明度设置为“0.8”，如图4-8所示。圆柱体的圆心坐标为（0，0，-rad_height），半径为rad_radius，高度为2*rad_height，如图4-9所示。设置辐射边界条件：选中该圆柱体模型，单击鼠标右键选择【Assign Boundary】【Radiation】。l 将Advanced Options打勾，然后选择“Radiating Only”。（当然，也可把辐射边界设置成长方体或其它形状，只要保持辐射

41、边界距离辐射体应不小于个工作波长即可，经过反复的实验发现圆柱体的辐射边界分析出的数值误差较小。） 图4-7 集总端口设置对话框图4-8 Attribute选项卡图4-9 Command选项卡4.2.4求解设置分析半波偶极子天线的回波损耗和电压驻波比，可将求解频率设置为3GHz。添加2.5GHz3.5GHz的扫频设置，扫频类型选择快速扫频。l 求解频率和网格剖分设置：单击Analysis节点，选择【Add Solution Setup】。l 求解频率（Solution Frequency）为3GHz，最大迭代次数（Maximum Number of Passes）为20，收敛误差（Maximum

42、 Deltalmum S）为0.02，其他选项保持默认设置，如图4-10所示。设置完成后，求解设置项的名称Setup1会添加到工程树Analysis节点下。扫频设置：展开Analysis节点，右键单击前面添加的求解设置项Setup1，选择【Add Frequency Sweep】，打开“Edit Sweep”对话框，设置扫频类型为“Fast”，设置频率设置类型为“LinearStep”，起始频率（Start）为2.5GHz，终止频率（Stop）为3.5GHz，步进频率（Step Size）为0.001GHz，其他选项都保留默认设置。设置完成后，该扫频设置项的名称Sweep1会添加到工程的求解设

43、置项Setup1节点下。如图4-11所示。图4-11 扫频设置图4-10 求解设置4.2.5设计检查和运行仿真计算在运行仿真计算之前，通常需要进行设计检查，检查设计的完整性和正确性。l 选择【Validation Check】进行设计检查。若打开的对话框中的每一项前面都显示对勾，表示当前的设计正确且完整。右键单击Analysis节点，选择【Analyze All】，开始运行仿真计算。如图4-12所示。HFSS拥有强大的数据后处理功能，仿真完成后，在数据后处理部分能够给出天线各项性能参数的仿真分析结果。 图4-12 设计检查结果对话框l 回波损耗S11：右键单击“Results”节点，选择【Cr

44、eate Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】,选择S（1,1），然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-13所示在2.5GHz3.5GHz频段内的回波损耗的分析结果。从分析结果可以看出，设计的中心频率为3GHz的半波偶极子天线，的相对带宽。 图4-13 的扫频分析结果l 电压驻波比VSWR:查看天线电压驻波比的操作和查看回波损耗S11的操作相似。即是在报告设置对话框左侧的Solution下拉列表选择Setup1,在Category列表框中选择“VSWR”，在Quantity列表框中选择VSWR（1），在Funct

45、ion列表中选择。然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-14所示生成天线的电压驻波比分析结果。Smith圆图：借助于Smith圆图，能够方便地进行阻抗匹配，给出驻波比，归一化输入阻抗等各种信息。选择【Create Modal Solution Data Report】【Smith Chart】命令，打开报告设置对话框，在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1:Sweep1,在然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-15所示的在2.5GHz3.5GHz频段内的的Smith圆图显示结果。从图中可知，在中心频率为3GHz时归一化

46、阻抗约为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。VSWR2的频率范围约为2.78GHz3.27GHz。 图4-14 半波偶极子天线的驻波比分析结果 图4-15 半波偶极子天线的的Smith圆图显示结果l 输入阻抗：查看输入阻抗有两种方法，除了前面Smith圆图结果外，也可以直接查看天线的输入阻抗值，其操作和查看回波损耗的操作类似，选择【Create Modal Solution Data Report】【Rectangular Plot】命令, 在该对话框左侧的Solution下拉列表中选择Setup1:Sweep1,在Category列表框中选择Z Parameter，在Quantity列表框中选择

47、Z(1,1),在Function列表中同时选择im和re，即是同时选择查看输入阻抗的虚部（电抗部分）和实部（电阻部分），然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-16所示的半波偶极子天线的输入阻抗结果报告。从结果报告中可知，输入阻抗为（72.8，-j0.4），与前面的理论分析结论相符。图4-16 半波偶极子天线的输入阻抗结果报告l 方向图： 定义辐射表面：右键“Radiation”节点，选择【InsertFarFieldSetup】【InfiniteSphere】，定义xz平面，设置“E_Plane”，同理定义xy平面，设置为“H_Plane”，定义三维立体球面，设置为

48、“3D_Sphere”如图4-17所示。 图4-17 定义辐射表面 查看xz面的增益方向图：右键“Results”节点，选择【Create Far Fields Report】【Radiation Pattern】，选择辐射表面“E_Plane”，在“Primary Sweep”中选择“Theta”，在“Category”中选择“Gain”，在“Quantity”中选择“GainTotal”，在“Function”中选择“dB”，然后单击Done按钮，再点击Add Trace按钮即可生成如图4-18所示的xz的增益方向图。 查看xy面的增益方向图:与前面相同的操作， Geomertry选择H_

49、Plane，在Primary Sweep中选择Phi为90，则生成如图4-19所示xy面增益方向图。 看三维增益方向图：右键“Results”节点，选择【Create Far Fields Report】【3D Polar Plot】, Geomertry选择3D_ Sphere，在“Category”中选择“Gain”，在“Quantity”中选择“GainTotal”，在“Function”中选择“dB”。则生成如图4-20三维增益方向图。图4-18 极子天线xz的增益方向图图4-19波偶极子天线xy的增益方向图图4-20波偶极子三维增益方向图天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计5

50、 天线实物通过HFSS的仿真分析，验证了我设计的正确性。根据软件设计结果完成了半波偶极子天线实物的制作。如图5-1示。中心频率为3GHz的半波偶极子天线。图5-1 半波偶极子天线实物结 论结 论通过本文的分析设计和仿真，完成了论文的主要内容分两个部分：半波偶极子天线的设计和测量。通过理论分析和仿真软件HFSS设计仿真，得到符合要求的半波偶极子天线。通过仿真得到了天线回波损耗、电压驻波比天线的输入阻抗及设计要求的参数。天线结构简单而紧凑，并且可以通过改变天线某部分的尺寸来得到不同频率的谐振，使天线工作于不同频带，设计简单。在天线功能越来越丰富的今天，该天线作为基础天线可以在一定程度上满足用户的需

51、求。27参考文献参考文献1吕 锋,徐宇白.偶极子RFID标签天线的优化设计与研究.武汉理工大学学报 信息与管理工程版 第31卷 第3期.武汉:武汉理工大学,2009.2章文勋.天线M 3版.北京:电子工业出版社,2006:25-31.3方大纲.天线理论与微带天线M.北京:科学出版社,2006:21-23.4马小玲,丁丁.宽频带微带天线技术及其应用M.北京:人民邮电出版社, 2006: 1-8.5李明洋,刘敏.HFSS天线设计.北京:电子工业出版社，2007:1-108.6李明洋,刘敏.HFSS电磁仿真设计从入门到精通.北京:人民邮电出版社,2008:1-200.7谢拥军,刘莹等.HFSS原理与

52、工程应用.北京:科学出版社,2007:1-55.8杨儒贵.电磁场与电磁波（第2版）.北京:高等教育出版社,2006:156-206. 9赖晓铮,赖声礼等.偶极子RFID标签天线研究. 华南理工大学电子与信息学报 第6卷 第14期 科学技术与工程,2006. 10陈华君,林 凡等.RFID技术原理及其射频天线设计. 厦门大学学报(自然科学版) 第44卷 增刊,厦门:厦门大学. 11李秀萍,刘 禹等.北京邮电大学学报第29卷第5期,2006.12THOMAS A.MILLIGAN（米利根）.现代天线设计（第2版）.北京:电子工业出版社，2007.13（美）克劳斯，（美）马赫夫克.天线（第三版）.北

53、京:电子工业出版社,2006.14 朱崇灿,黄景熙等.天线M.武汉:武汉大学出版社,1996.10.15 美鲍尔I J,布哈蒂亚P等.微带天线M.北京:电子工业出版社,1984. 16 陈玉春.实用天线设计与制作.北京:电子工业出版社, 1988.06.致 谢致 谢在毕业设计完成之际，我要感谢我的教授，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经我自己的思考后的领悟,常常让我感受到解决问题的快乐。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少同学、网友给了我热心的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 此次毕业设计是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次课程设计。这次毕业设计我选择的课题是与通信专业更为靠近的课题，我此次的设计题目为半波偶极子天线的设计。虽说导师说此次的毕业设计看起来不是那么的可怕，但是当我真的开始着手时，还的确是困难重重。开始就要学习众多以前未接触过的知识，后来发现只要把握住每个小课设的精华、环环紧扣，那么这次的任务也就不难了。 网友是我这次毕业设计顺利完成的一大助力，与他们的交流使我受益颇多，他们对我提出的问题的热心回答使我少走了许多弯路，节省了许多时间。 从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢电子工程学院和我的母校四年来对我的栽培。28