通信系统天线综合课程设计.doc

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1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y通信系统天线综合课程设计学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 1、 课程设计目的 通过综合课程设计， 在学习EDA仿真软件HFSS使用方法的基础上，掌握常见通信系统天线的仿真设计方法。2、 课程设计内容： 以“通信系统天线”课程课件“Ch4.1 偶极和单极天线”、“Ch4.2 常用振子天线和馈电技术”、“Ch5 宽带天线_c”、“Ch6 移动系统常用天线_c”为参考资料，分别仿真偶极子天线、UHF probe 振子天线、共面波导馈电领结天线和同轴馈电贴片天线，并对天线进行分析。三、设计步骤及仿真结果天线设计实例1：偶极

2、子天线1）设计步骤打开HFSS并保存一个新项目打开File选项(alt+F),单击Save as。输入项目名hfss_dipole。一.Step1 创建模型1、创建振子1（1）选择cylinder图标（2）输入参数：切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置圆柱体的基坐标为(x=0 mm,y=0 mm,z=1.25mm); 按下Enter 键后输入半径和长度：dx =2.5mm, dy=0 mm, dz=73.75mm 。（3）设置振子1的名称和材料在对象列表中双击cylinder1，弹出如下属性窗口。设置名称：将Name改为“pole1”。设置材料：单击Material的Value，在如下对

3、话框中输入“pec”并确定。2、创建振子2（1）选择cylinder图标（2）输入参数：切换到参数设置区，设置圆柱体的基坐标为(x=0 mm,y=0 mm,z=-1.25mm); 按下Enter 键后输入半径和长度：dx =2.5mm, dy=0 mm, dz=-73.75mm 。注意此时坐标的选取。（3）设置名称和材料设置名称为“pole2”，材料同为“pec”。设置完毕，如下图所示。3、创建空气腔（规定计算的区域）（1）选择box图标（2）输入参数：切换到参数设置区，设置长方体的基坐标为(x=-115 mm,y=-115 mm,z=-185mm); 按下Enter 键后输入三边的长度：dx

4、 =230 mm, dy=230 mm, dz=370 mm。（3）设置名称和材料双击对象列表中的“Box1”，设置名称为“air”，材料为“vacuum”，透明度Transparent为0.9。同时按下 ctrl 和D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。二.Step2 设定边界条件1、将air设置成辐射边界条件；在对象列表中选中air,单击鼠标右键，进入Assign Boundary选项，点击Raditation选项。并此边界命名为air。3. Step3设置激励1、绘制激励所在的矩形（1）在绘图区域中切换为yz平面。（2）绘制矩形选择rectangle图标切换到参数设置区，设置长方形的基

5、坐标为(x=0mm,y=-2.5mm,z=-1.25mm); 按下Enter 键后输入长度：x 方向0mm, y 方向5mm,z 方向2.5mm。3）更改名称把矩形名称更改为“port1”。 2、添加激励在对象列表中，右键单击“port1”，按下图所示添加激励“Lumped Port”。四.Step4 设定求解的参数1、选择一种求解方式（1）在 HFSS 菜单上，点击Solution Type 选项。（2）选择源激励方式，在Solution Type 对话框中选中Driven Mode 项。2、添加求解设置（1）在项目管理列表中，右键单击Analysis。（2）选择Add Solution S

6、etup。（3）设置求解频率为“0.9GHz”。3、添加扫频设置（1）在项目管理列表中，右键单击Analysis-Setup1。（2）选择Add Sweep。（3）设置扫频类型为“Fast”，起止频率为“0.5GHz”-“1.5GHz”，取样点数101点。4、添加远场设置（1）在项目管理列表中，右键单击Radiation。（2）选择Insert Far Field Setup-Infinite Sphere。（3）设置Phi：0-360，Theta：-180 -180。2）仿真结果及分析五.Step5求解1、在项目管理列表中，右键选择Analysis-Setup1。2、选择Analyze选项。

7、可以看出已经收敛。六.Step6后处理1、S参数定义S11Infinite Sphere。命名为ff_2d设置Phi：0-90，Step Size:90 Theta：-180 -180Step Size:2。（34）添加求解设置在项目管理列表中，右键单击Analysis。选择Add Solution Setup。设置求解频率为“0.55GHz”。最大迭带次数 10，最大误差 0.02（35）添加扫频设置在项目管理列表中，右键单击Analysis-Setup1。选择Add Sweep。设置扫频类型为“Fast”，起止频率为“0.35GHz”-“0.75GHz”，取样点数401点。Save Fie

8、lds打钩。（36）打开File选项(alt+F),单击Save as。输入项目名hfss_uhf_probe。（37）将求解的条件设好后，我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击validation check。再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键，选中Analyze即可开始求解当求解过程结束后，在Message Manager窗口会有相应的提示。2）仿真结果及分析1、右击Results，Solution Data查看结果2、 S参数图3、2D视图天线设计实例3：共面波导馈电领结天线1）设计步骤一.创建项目1、加入一个新的 HFSS 设计（1）在P

9、roject菜单，点击insert HFSS Design选项。2、选择一种求解方式 （1） 在 HFSS 菜单上，点击 Solution Type 选项.（2）选择源激励方式，在 Solution Type 对话框中选中 Driven Modal 项。3、设置设计使用的长度单位 （1）在 3D Modeler 菜单上，点击 Units 选项.（2）选择长度单位，在 Set Model Units 对话框中选中 mm 项。4、设置材料（1）在 3D Modeler的材料选框中选择Select（2）输入并选中Arlon CuClad 217(tm)二.构造模型1、建立物理模型（1）画长方体。在

10、Draw 菜单中，点击 Box 选项；（2）输入参数。 按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标(x=-17,y=-32,z=0);按下Enter 键后输入三边长度：x方向34, y方向64,z方向-2。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。（3）设置长方体属性 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方体命名为 Sub1。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。（4） 利用Rectangle创建金属层在 Draw 菜单中，点击 Rectang

11、le 选项参数如下X=-17，Y=-32，Z=0dX=34，dY=64，dZ=0重命名为CuClad（5）选中CuClad单击鼠标右键，进入Assign Boundary选项，点击Finite Conductivity选项。名称改为Cu_bound,第一个选框之前打钩，材料输入cooper。（6）利用Rectangle创建馈线（缝隙）在 Draw 菜单中，点击 Rectangle 选项参数如下X=-0.5，Y=0.5，Z=0dX=13，dY=0.6，dZ=0重命名为Rect1（7） 利用Line创建领结多边形在 Draw 菜单中，点击 Line 选项参数如下X=-0.5，Y=0.5，Z=0X=

12、-6.7，Y=21，Z=0X=6，Y=21，Z=0X=0.5，Y=1.1，Z=0重命名为Bowtie（8）利用Unite创建领结天线的一个臂选中Bowtie和Rect1 ，在 3D Modeler 菜单上，点击 Boolean 选项,再选择 Unite 项。（9）利用Mirror创建另一个臂选中Bowtie，在Edit菜单下选择Mirror输入参数X=0，Y=0，Z=0dX=0，dY=-1，dZ=0（10）利用Subtract创建领结天线的对应的缝隙选中Bowtie，Bowtie_1和CuClad，在 3D Modeler 菜单上，点击 Boolean 选项,再选择 Subtract 项。设置

13、参数Blank Parts:CuClad Tool Parts:Bowtie，Bowtie_1在下面选框中打钩（11）自定义网格剖分操作选中Bowtie，Bowtie_1，在HFSS菜单下选择Mesh Operation Assign On Selection Length Based重命名Length1，下面选框打钩，最大长度3mm（12） 修改默认材料为真空（13）画长方体。在 Draw 菜单中，点击 Box 选项；（14）输入参数。 按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标(x=-17,y=-32,z=-9.5);按下Enter 键后输入三边长度：x方向34,

14、 y方向64,z方向19。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。（15）设置长方体属性 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方体命名为 AirBox。（16）为空气腔设置辐射边界；在操作历史树中选中AirBox,单击鼠标右键，进入Assign Boundary选项，点击Raditation选项。此时HFSS系统提示你为此边界命名，我们把此边界命名为Rad1。（17）为远场分析设置角度变化的范围在项目管理列表中，右键单击Radiation。选择Insert Far Field Setup-Infinite

15、Sphere。命名为ff_all设置Phi：-90-90，Step Size:10 Theta：0 -360Step Size:10。（18） 利用Circle创建馈电平面参数如下X=12.5，Y=-0.5，Z=0dX=-1，dY=1，dZ=0重命名为P1（19）添加激励在对象列表中，右键单击“P1”，按下图所示添加激励“Lumped Port”。(20)添加求解设置在项目管理列表中，右键单击Analysis。选择Add Solution Setup。设置求解频率为“10GHz”。最大迭带次数 6，最大误差 0.01(21)添加扫频设置在项目管理列表中，右键单击Analysis-Setup1。

16、选择Add Sweep。设置扫频类型为“Fast”，起止频率为“8GHz”-“12GHz”，取样间隔0.02。Save Fields打钩。（22）打开File选项(alt+F),单击Save as。输入项目名hfss_cpwbotie。（23）将求解的条件设好后，我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击validation check。再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键，选中Analyze即可开始求解当求解过程结束后，在Message Manager窗口会有相应的提示。2）仿真结果及分析1、求解数据2、创建S11参数报告定义S11Infinite

17、Sphere。命名为ff_2d设置Phi：0-90，Step Size:90 Theta：-180-180Step Size:2。（17） 为Patch（贴片）设置PEC边界（18）为Ground（地）设置PEC边界（19）利用Circle创建馈电平面（20）添加Wave port(21)添加求解设置在项目管理列表中，右键单击Analysis。选择Add Solution Setup。设置求解频率为“2.25GHz”。最大迭带次数 20，最大误差 0.02(21)添加扫频设置在项目管理列表中，右键单击Analysis-Setup1。选择Add Sweep。设置扫频类型为“Fast”，起止频率为

18、“1GHz”-“3.5GHz”，取样点201。Save Fields打钩。（22）打开File选项(alt+F),单击Save as。输入项目名hfss_probepatch。（23）将求解的条件设好后，我们来看看HFSS的前期工作是否完成，在HFSS菜单下，点击validation check。再次选中Project工作区的Analysis；点击鼠标右键，选中Analyze即可开始求解当求解过程结束后，在Message Manager窗口会有相应的提示。2）仿真结果及分析1、求解数据2、创建S11参数报告3、 创建远场方向图报告如上述天线的最大辐射方向为Theta=0，即Z轴方向。天线设计实

19、例5：IMS矩形贴片天线1）设计步骤一.创建项目1、加入一个新的 HFSS 设计（1）在Project菜单，点击insert HFSS Design选项。一个新的工程被加入到hfopt_ismantenna项目中。（2）为设计重命名。在项目树中选中 HFSSModel1,单击鼠标右键，再点击 Rename 项，将设计重命名为 hfopt_ismantenna。2、选择一种求解方式 （1） 在 HFSS 菜单上，点击 Solution Type 选项.（2）选择源激励方式，在 Solution Type 对话框中选中 Driven Mode 项。3、设置设计使用的长度单位 （1） 在 3D Mo

20、deler 菜单上，点击 Units 选项.（2）选择长度单位，在 Set Model Units 对话框中选中 mm 项。二.构造模型1、建立物理模型（1）画长方体。在 Draw 菜单中，点击 Box 选项；（2）输入参数。 按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方体的基坐标(x=-22.5mm,y=-22.5mm,z=0.0mm);按下Enter 键后输入三边长度：x方向45mm, y方向45mm,z方向5mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。（3）设置长方体属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出长方体属性对话框。对话框的 Command页里有我们刚才

21、设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个长方体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方体命名为 Substate，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。（4）画长方形。 在Draw菜单中，点击Rectangle选项（5）输入长方形参数。 按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），设置长方形的基坐标为(x=-45mm,y=-45mm,z

22、=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度：x 方向 90mm, y 方向 90mm,z 方向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。（6）设置长方形属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出长方形属性对话框。对话框的 Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个长方形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为长方形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方形命名为 groundplane，将其透明度设为 0.8。 设置完

23、毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。（7）重复上述画长方形的步骤绘出长方形patch。参数如下： 名称：patch 长方形坐标基点坐标: X= -16mm, Y=-16 mm, Z=5mm; x 方向(dx)=32mm,y 方向(dy)=32mm,z 方向(dz)= 0mm。 透明度：0.8 （8）画圆柱体 在 Draw 菜单中，点击 Cylinder 选项（9）输入圆柱体参数。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），圆柱体坐标基点圆心坐标: X= 0mm, Y= 8mm, Z=0 mm;高: 5mm,半径:0.5mm; 圆柱轴向为 z 轴.

24、所以 dx:0.5mm, dy:0mm,dz:5mm（10）设置圆柱体属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出圆柱体属性对话框。对话框的 Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个圆柱体模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆柱体设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个圆柱体命名为 feed，将其透明度设为 0.8。材料在下文统一设置。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。（11）重复上述画长方

25、体的 步骤绘出长方体 air。 参数如下： 名称: air_box坐标基点: X= -80.0mm, Y= -80.0mm,Z= -35.0mm 三边长度: X 方向: 160.0mm, Y 方向: 160.0mm,Z 方向: 75.0mm 透明度：0.8 同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。 （12）画圆形。 在Draw菜单中，点击Circle选项（13）输入圆形参数。 按 下Tab键切换到 参数设置区 （在工作 区的右下 角），设置 圆形的圆形 基坐标为(x=0mm,y=8mm,z=0.0mm); 按下 Enter 键后输入三边长度：x 方向 1.5mm, y

26、方向 0mm, z 方向 0mm。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。（14）输入圆形属性。 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出圆形属性对话框。对话框的 Command页里有我们刚才设置的几何尺寸，并且其数值可以自由更改。因此在我们也可以先随意用鼠标建立一个圆形模型后，然后在其属性对话框输入其尺寸要求即可。 单击 Attribute 页，在 Attribute 页我们可以为圆形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个圆形命名为 port，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。（15）从groundplan

27、e中割去port。 在操作历史树中利用 ctrl 键先选中 groundplane, 再选中 port；在 3D Modeler 菜单上，点击 Boolean 选项,再选择 Subtract 项。注意：出现在 Subtract 左侧的物体是操作后保留的物体。 选中 Clone tool objects before subtract；我们只想在 groudplane 中裁去和 port 一样大小的洞，仍需要保留 port。（16）画多边形。 在 Draw 菜单中，点击 Line 选项（17）输入多边形参数。 按下Tab键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入第一个点的坐标为(x=0mm,y

28、=0mm,z=0mm); 按下Enter键后输入第二个点的坐标为(x=6mm,y=0mm,z=0mm); 再按下Enter键后输入第三个点的坐标为(x=0mm,y=6mm,z=0mm); 按下Enter键后输回第一个点的坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm)。注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。 当所绘曲线闭合后，在绘图区点击鼠标右键，再次在绘图区点击鼠标右键，选择 Done项结束曲线绘制。（18）置多边形属性 如上设置完几何尺寸后，HFSS 系统会自动弹出多边形属性对话框。 在 Attribute 页我们可以为多边形设置名称、材料、颜色、透明度等参数。这里，我们把这个长方形命名为 C

29、hamcut1，将其透明度设为 0.8。 设置完毕后，同时按下 ctrl 和 D 键(ctrl+D)，将视图调整一下。（19）下面我们把多边形 Chamcut1 移到边角去。 在操作历史树中选中 Chamcut1；在 Edit 菜单上，点击 Arrage 选项,再选择 Move 项。 按下 Tab 键切换到参数设置区（在工作区的右下角），输入位移矢量。位移矢量起点坐标为(x=0mm,y=0mm,z=0mm); 按下Enter键后 输入矢量 方向大小dx=-16mm,dy=-16mm,dz=5mm.注意：在设置时不要在绘图区中点击鼠标。（20）复制多边形 Chamcut1，并将它移到另一个对角。 在操作历史树中选中 Chamcut1；在 Edit 菜单上，点击 Duplicate 选项,再选择 Around Axis 项。此时出现轴向选择对话框，我们将轴线设为Z轴，旋转角度180deg；我们只需复制一份，连同原来的共2份，所以total设