2印刷偶极子

附录：3D模型回波损耗（S11）输入阻抗三维增益方向图天线臂长对谐振频率的影响平衡三角形对带宽的影响印刷偶极子天线一、实验目的1.了解印刷偶极子天线的结构2.学会分析仿真结果3.了解微波巴伦结构二、实验原理1、印刷偶极子天线的结构如下图为设计的微带巴伦馈线印刷偶极子天线的结构模型，该天线属于半波偶极子天线的变形。整个天线结构大致可以分为5部分，即介质层、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和天线馈电面。介质层的材质为环氧树脂玻璃纤维板(FR4)，其相对介电常数εr=4.4。在介质层的两面分别敷有良导体的金属传输线，构成偶极子天线的两个臂、微带传输线和微带巴伦线。激励信号从天线馈电点处馈入，经过微带巴伦结构和微带传输线传输到偶极子天线的两个臂。在微带传输线上，电流方向相反，因此不会辐射电磁波。在偶极子天线的两个臂上，金属片的电流方向相同，因此会辐射电磁波。由半波偶极子天线的理论分析可知，天线两个臂的总长度约为1/2个工作波长。偶极子天线是一个对称结构，传输线上的馈电电流必须是对称分布的。若是馈线采用双传输线结构，因为双传输线的电流为对称分布，所以天线的电流亦为对称分布。然而，若是馈线采用同轴线结构，因为同轴线内外导体并不对称，所以天线上的电流也不会对称分布，从而会影响天线的性能。为了保证偶极子天线上电流的平衡，通常在天线和同轴线之间插入一个不平衡到平衡的转换器，即微波巴伦，它可以将不平衡的电流转换成平衡的电流。图中的三角形结构就是一个简单的微波巴伦，它可以实现不平衡到平衡的转换。2、设计原理及尺寸估算设计天线的中心频率为2.45GHz，若在自由空间中传播，对应的工作波长约为122mm。若在全部填充以FR4材质的介质中传播，其对应的工作波长约为58mm。若我们采用自由空间波长，则半波偶极子的长度约为61mm。若我们采用介质中的波长，则半波偶极子的长度约为29mm。因为印刷偶极子天线同时包含介质与自由空间，所以实际的半波偶极子的长度应该介于29mm和61mm之间，我们取二者的平均值45mm作为半波偶极子长度的初始值，然后再使用HFSS软件分析出半波偶极子长度的实际值。在相对介电常数为4.4&厚度为1.6mm的FR4介质板上，微带线结构对应的导波波长约为68mm，1/4波长约为17mm。对于设计中的微带传输线，长度应该略大于17mm，设计中初始值取22mm。对于三角形的微带巴伦结构，两个直角边的长度初始值分别取12mm和10mm。设计中，金属片的宽带初始值都取3mm。下图为设计模型：三、实验步骤1.新建设计工程(1)运行HFSS并新建工程(2)设置求解类型(3)设置模型长度单位2.添加和定义设计变量3.设计建模(1)创建介质层(2)创建上层金属片①创建上表面传输线②创建偶极子位于介质层上表面的一个臂③创建三角形斜切角④合并生成完整的金属片模型(3)创建下表面金属片①创建下表面传输线Top_patch_1②创建矩形面Rectangle1③创建三角形Polyline2④镜像复制生成左侧的三角形和矩形面。⑤使用镜像复制操作，以面作为镜像面复制矩形面Rectangle1和三角形面Polyline2，生成左侧的矩形面和三角形面⑥合并生成完整的金属片模型4.设置边界条件(1)分配理想导体边界条件(2)设置辐射边界条件5.设置激励方式因为天线的输人端口位于模型内部，所以需要使用集总端口激励。6.求解设置分析的印刷偶极子天线的中心频率在2.45GHz左右，因此求解频率设置为2.45GHz。同时添加2GHz~3GHz的扫频设置，选择快速（Fast)扫频类型，分析天线在2GHz~3GHz频段的回波损耗和电压驻波比。(1)求解频率和网格剖分设置设置求解频率为2.45GHz，自适应网格剖分的最大迭代次数为20，收敛误差为0.02。(2)扫频设置扫频类型选择快速扫频，扫频频率范围为2GHz~3GHz，频率步进为0.001GHz。7.设计检查和运行仿真计算四、实验结果见附录五、实验总结通过本次实验，我对HFSS软件的使用更加熟练，进一步的认识到设计天线前需要理论计算天线的尺寸，对天线的各参数也更进一步的了解。