第一篇：HFSS微波仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告六合一x

肇慶學(xué)院12 通信 2 2 班

楊桐爍

201224124202

實(shí)驗(yàn)一

T T 形波導(dǎo)的內(nèi)場分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="i9lt7mp" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握 T 型波導(dǎo)功分器的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工作原理。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 T T 形波導(dǎo)的內(nèi)場分析

實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)所要分析的器件是下圖所示的一個(gè)帶有隔片的 T 形波導(dǎo)。其中,波導(dǎo)的端口 1 是信號輸入端口,端口 2 和端口 3 是信號輸出端口。正對著端口 1 一側(cè)的波導(dǎo)壁凹進(jìn)去一塊,相當(dāng)于在此處放置一個(gè)金屬隔片。通過調(diào)節(jié)隔片的位置可以調(diào)節(jié)在端口 1 傳輸?shù)蕉丝?2,從端口 1 傳輸?shù)蕉丝?3的信號能量大小,以及反射回端口 1 的信號能量大小。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、新建工程設(shè)置：運(yùn)行 HFSS 并新建工程、選擇求解類型、設(shè)置長度單位 2、創(chuàng)建 T 形波導(dǎo)模型：創(chuàng)建長方形模型、設(shè)置波端口源勵(lì)、復(fù)制長方體、合并長方體、創(chuàng)建隔片 3、分析求解設(shè)置：添加求解設(shè)置、添加掃頻設(shè)置、設(shè)計(jì)檢查 4、運(yùn)行仿真分析 5、查看仿真分析計(jì)算結(jié)果 內(nèi)場分析 結(jié)果

1、圖形化顯示 S 參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖形化顯示 S 參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線 2、查看表面電場分布 8.00 8.25 8.50 8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00Freq [GHz]0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(Port1,Port1))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port3))Setup1 : Sweep1

表面場分布圖 3、動(dòng)態(tài)演示場分布圖

T T 形波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原理

利用參數(shù)掃描分析效用。分析在工作頻率為 10GHz 時(shí),T 形波導(dǎo) 3 個(gè)端口的信號能量大小隨著隔片位置變量 Offset 的變化關(guān)系。利用 HFSS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)效用,找出隔片的準(zhǔn)確位置,使得在 10GHz 工作頻點(diǎn),T 形波導(dǎo)商品 3 的輸出功率是端口 2 輸出功率的兩倍。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計(jì)：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、創(chuàng)建功率分配隨變量 Offset 變化的關(guān)系圖

輸出變量隨變量 Offset 變化的關(guān)系圖 分析：從上圖所示的圖可以看出,當(dāng)變量 Offset 值逐漸變大時(shí),即隔片位置向端口 2 移動(dòng)時(shí),端口 2 的輸出功率逐漸減小,端口 3 的輸出功率逐漸變大；當(dāng)隔片位置變量 Offset 超過 0.3 英寸時(shí),端口 1 的反射明顯增大,端口 3 的輸出功率開始減小。因此,在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,可以設(shè)置變量Offset 優(yōu)化范圍的最大值為 0.3 英寸。同時(shí),在 Offset=0.1 英寸時(shí),端口 3 的輸出功率約為 0.65,端口 2 的輸出功率略大于 0.3,此處端口 3 的輸出功率約為端口 2 輸出功率的兩倍。因此,在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),可以設(shè)置變量 Offset 的優(yōu)化初始值為 0.1 英寸。另外,變量 Offset 優(yōu)化范圍的最小值可以取 0 英寸。

優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Offset [in]0.000.200.400.600.801.00powerpower range with offset HFSSDesign1 XY Plot 4Curve Infopower11Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power21Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power31Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次 HFSS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)二

S HFSS 仿真對稱振子天線

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="l7ubbea" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握對稱振子天線的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和工作原理。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)步驟

1、新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計(jì)：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表 1 對稱振子天線三維體模型 名稱 形狀 頂點(diǎn)(x,y,z)(mm)尺寸(mm)材料 arm1 圓柱體(0,0,0.5)radius=$r,height=$l Pec arm2 圓柱體(0,0,-0.5)radius =$r,height=-$l Pec airbox 長方體(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+2*$l vacuum

表 2 對稱振子天線二維面模型 名稱 所在面 形狀 頂點(diǎn)(mm)尺寸(mm)邊界/源 feed xz 矩形(-$r,0,-0.5)dx=2*$r, dz=1 Lumped port

表 3 變量表 變量名 變量初始值（mm）

變量值（mm）

$lbd

$l 25 25(50, 75, 100)$r 1 1(2, 3, 4)實(shí)驗(yàn)步驟

0 2 4 6 8 10 12 14Evaluation0.000.130.250.370.500.63Cost

1、新建一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計(jì)：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。

實(shí)驗(yàn)步驟 1.打開 HFSS,新建工程,將工程保存為 dipole。設(shè)置求解類型。設(shè)置單位。畫對稱振子的一支臂,形狀為圓柱體,命名為 arm1,材料設(shè)置為理想導(dǎo)體,半徑設(shè)置為變量$r,臂長設(shè)置為變量$l。畫饋電模型,形狀為 zx 面上的矩形,命名為 feed,設(shè)置為 lumped port 激勵(lì)方式。畫輻射箱,命名為 airbox,形狀為長方體,材料為真空,邊界條件為 radiation。設(shè)置求解頻率 3GHz,掃頻 1-5GHz。檢查及運(yùn)行計(jì)算 9 畫電流分布 10 畫 S 參數(shù)曲線 11 畫阻抗曲線 12 畫方向圖 13 掃描變量$l 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖 airbox 及天線

圖 振子上電流幅度分布

圖 |S 11 |曲線

圖 24 阻抗曲線。

圖 29 二分之一波長對稱振子三維增益圖

圖 二分之一波長對稱振子 E 面方向圖

圖 S 參數(shù)隨$r 變化曲線

圖 36 $r=2mm,S 參數(shù)隨$l 變化曲線

圖 39 掃描變量$l 得到的方向圖

實(shí)驗(yàn)三

HFSS 微帶天線仿真設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="74aa2ya" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握微帶天線仿真設(shè)計(jì)原理和方法。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)原理 微帶天線的輻射機(jī)理實(shí)際上是高頻的電磁泄漏。一個(gè)微波電路如果不是被導(dǎo)體完全封閉,電路中的不連續(xù)處就會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。例如微帶電路的開路端,結(jié)構(gòu)尺寸的突變、折彎等不連續(xù)處也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射（泄漏）。當(dāng)頻率較低時(shí),這些部分的電尺寸很小,因此電磁泄漏??；但隨著頻率的增高,電尺寸增大,泄漏就大。再經(jīng)過特殊設(shè)計(jì),即放大尺寸做成貼片狀,并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強(qiáng),輻射效率就大大提高,而成為有效的天線。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、創(chuàng)建微帶天線模型：設(shè)置默認(rèn)的長度單位、建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置、添加和定義設(shè)計(jì)變量、創(chuàng)建介質(zhì)基片、創(chuàng)建輻射貼片、創(chuàng)建參考地、創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯、創(chuàng)建信號傳輸端口面 2、設(shè)置邊界條件和激勵(lì)：設(shè)置邊界條件、設(shè)置輻射邊界條件、設(shè)置端口激勵(lì) 3、求解設(shè)置：求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置、掃頻設(shè)置 4、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真分析：設(shè)計(jì)檢查、運(yùn)行仿真分析 5、參數(shù)掃描分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、運(yùn)行參數(shù)掃描分析、查看分析結(jié)果 6、查看仿真分析結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、查看天線回波損耗

分析：從圖中可以看出設(shè)計(jì)的微帶天線諧振頻率在 2.45GHz 附近,且在 2.45GHz 頻點(diǎn)上的回波損耗值為 20.7dB 左右。

2、分析諧振頻率隨輻射貼片長度 L0 的變化關(guān)系

分析：從圖中可以看出,隨著長度L0值的增加,天線的諧振頻率逐漸降低。當(dāng)L0=27.5mm時(shí),諧振頻率為2.44GHz；當(dāng)L0=28mm時(shí),諧振頻率為2.48GHz；所以 2.45GHz 諧振頻率對應(yīng)的 L0 長度介于 27.5mm~28.mm。

3、分析諧振頻率隨輻射貼片長度 W0 的變化關(guān)系

分析：從上圖所示分析結(jié)果可以看出,輻射貼片寬度 W0 由 30 mm 變化到 40 mm 時(shí),天線的諧振頻率變化很小,即天線的諧振頻率不隨輻射貼片寬度變化而變化。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次 HFSS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 2ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28.5mm”1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-40.00-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“30mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“32mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“34mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“36mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“37.26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“38mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“40mm”

實(shí)驗(yàn)四

半波偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="vkeccx4" class="content_title3">1、學(xué)會(huì)簡單搭建天線仿真環(huán)境的方法,主要是熟悉日 HFSS 軟件的使用方法 2、了解利用 HFSS 仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線的原理、過程和方法 3、通過天線的仿真,了解天線的主要性能參數(shù),如駐波比特性、smith 圓圖特性、方向圖特性等 4、通過對半波偶極子天線的仿真,學(xué)會(huì)對其他類型天線仿真的方法 實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、HFSS 15.0 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)原理

首先明白一點(diǎn):半波偶極子天線就是對稱陣子天線。

2, 對稱振子是中間饋電,其兩臂由兩段等長導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為。, 長度為 I。兩臂之間的間隙很小,理論上可以忽略不計(jì),所以振子的總長度 L=21。對稱振

子的長度與波長相比擬,本身己可以構(gòu)成實(shí)用天線。

3, 在計(jì)算天線的輻射場時(shí),經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)天線上的電流可以近似認(rèn)為是按正弦 律分布。取圖 1 的坐標(biāo),并忽略振子損耗,則其電流分布可以表示為:

式中,Im 為天線上波腹點(diǎn)的電流;IC=W}C 為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點(diǎn), 對稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn);電流分布關(guān)于振子的中心店對稱;超過半波長 就會(huì)出現(xiàn)反相電流。

4, 在分析計(jì)算對稱振子的輻射場時(shí),可以把對稱振子看成是由無數(shù)個(gè)電流 I(z), 長度為 dz 的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理,對稱振子 的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。

圖 2 對稱振子輻射場的計(jì)算 如圖 2 所示,電流元 I(z)所產(chǎn)生的輻射場為

5、方向函數(shù)

實(shí)驗(yàn)步驟

1、設(shè)計(jì)變量(以表格的形式列出來)

設(shè)置求解類型為 Driven Model 類型,并設(shè)置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化、創(chuàng)建偶極子天線模型,即圓柱形的天線模型。(模型截圖貼在下面)

其中偶極子天線的另外一個(gè)臂是通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置端口激勵(lì)(附以截圖)

半波偶極子天線由中心位置饋電,在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個(gè)平行于 YZ 面的矩形面作為激勵(lì)端口平面。

4、設(shè)置輻射邊界條件(截圖)

要在 HfSS 中計(jì)算分析天線的輻射場,則必須設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個(gè)沿 Z 軸

放置的圓柱模型,材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。

外加激勵(lì)求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在 3G 日 z,同時(shí)添加 2.5 G 日:^3.5 G 日:頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置,掃頻類型為快速掃頻。

6、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算 7、HFSS 天線問題的數(shù)據(jù)后處理(截圖,并做相應(yīng)的說明)具體在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中闡釋。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、回波損耗 S11

回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射,是一對線自身的反射,是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。

圖中所示是在 2.5 G 日 z ^3.5 G 日 z 頻段內(nèi)的回波損耗,設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為 3GHz, S11<-10dBd 的相對帶寬 BW=(3.25-2.775)/3*1000/=15.83% 2、電壓駐波比

駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由圖可以看到在 3G 赫茲附近時(shí),電壓駐波比等于 1,說明此處接近行波,傳輸特性比較理想。

3,smith 圓圖史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換, 將 z 復(fù)平面上。實(shí)部 r=常數(shù)和虛部 x=常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與:反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部 X=常數(shù)套印而成。

從 smith 圓圖可以看到,在中心頻率 3G 赫茲時(shí)的歸一化阻抗約為 1,說明端口的阻抗特性匹配良好。

4,輸入阻抗傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗,才能進(jìn)行阻抗匹配。

圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部,在中心頻率 3G 赫茲時(shí),輸入阻抗比較的理想,容易實(shí)現(xiàn)匹配。

5、方向圖

方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示,他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場半徑為常數(shù)的大球面上,天線輻射(或接收)的功率或者場強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律,并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的,所以又叫遠(yuǎn)場方向圖。

電場方向圖:

由圖可以看到,電場方向以 Z 軸為對稱軸,在 XOY平面上電場最強(qiáng),且沿四周均勻輻射。但沿著 Z 軸方向電場強(qiáng)度很弱。

磁場方向圖:

磁場方向圖在 XOY平面上接近一個(gè)圓,雖然看上去有些誤差。說明磁場在 XOY平面上輻射較為均勻。

三維增益方向圖: 這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著 Z 軸對稱輻射的情況。

6、其他參數(shù) 利用 HFSS 軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最 大強(qiáng)度及其所在方向等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)一個(gè)天線,無論是作為發(fā)射天線還是接收天線,我們都很關(guān)心其方向參數(shù)、輸入阻抗參 數(shù)、增益參數(shù)、頻帶寬度等參數(shù)。這里也主要就上訴幾個(gè)參數(shù)來討論半波偶極子天線的優(yōu)缺 點(diǎn)。

1、半波偶極子天線在軸向無輻射 2、半波偶極子天線的輻射與其電長度密切相關(guān)。當(dāng)電長度小于 0.5 時(shí),波瓣寬度最窄,在 垂直與軸向的平面內(nèi)輻射最強(qiáng),隨著電長度的增加,開始出現(xiàn)副瓣,主瓣寬度變寬,最

大輻射方向發(fā)生偏移。

3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈,說明寬頻帶時(shí)其較難實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配,所以相對應(yīng)的頻帶寬度也較窄。

4、在諧振頻率附近時(shí),我們從圖中可以看到,天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗,實(shí)現(xiàn)匹配較易,而且在中心頻率附近,電波的傳輸特性也最好,從而可以實(shí)現(xiàn)較大效率的功率傳輸。

5、通過對實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果的分析,不難發(fā)現(xiàn),半波偶極子天線的諸多特性與電長度關(guān)系很大,所以可以通過調(diào)整天線的電長度來實(shí)現(xiàn)不同效用和要求的半波偶極子天線應(yīng)用。

6、最后還要補(bǔ)充一點(diǎn):半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細(xì)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次日「SS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

另外,這次實(shí)驗(yàn)中我感覺較難的部分在與如何通過確定一種具體天線的參量模型來模擬設(shè)計(jì)天線模型,來仿真驗(yàn)證天線特性。

實(shí)驗(yàn)五

微帶犬線

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="q9oo2b2" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握微帶犬線仿真設(shè)計(jì)原理和方法。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件

實(shí)驗(yàn)原理

微帶犬線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的,它是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長的介質(zhì)基片的一面敷以金屬輻射片,一面全部敷以金屬薄層作接地板而成。輻射片可以根據(jù)不同的要求設(shè)計(jì)成各種形狀·。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、休積小、易于制造等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個(gè)人無線通信中。1 微帶天線結(jié)構(gòu)

是一個(gè)簡單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖,由輻射元、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長度 L,輻射元的寬度W,、介質(zhì)層的厚度 h、介質(zhì)的相對介電常數(shù)拭和損耗正切階次介質(zhì)層的長度 LG 和寬度 WG

如果介質(zhì)基片中的場同時(shí)沿寬度和長度方向變化,這時(shí)微帶天線應(yīng)該用輻射貼片周用的 4 個(gè)縫隙的輻射來等效。2 微帶天線的饋電

微帶天線有多種饋電方式,如微帶線饋電、同軸線饋電、藕合饋電 C Coupled Feed)和縫 G}!饋電(Slot Feed)等,其中最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式。本章將要設(shè)計(jì)的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電。

同軸線鎖電又稱為背饋,『已是將同軸插座安裝在接地板上,同軸線內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)基片接在輻射貼 l}.f:.,如圖 10.3 所示,尋取正確的饋電點(diǎn)的位置就可以獲得良好的匹配。

3 矩形微帶天線的特性參數(shù) 1.微帶輻射貼片尺寸估算

設(shè)計(jì)微帶大線的第·步是選擇合適的介質(zhì)基片,然后再估算出輻射貼片的尺寸。假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為Er,對一于工作頻率f的矩形微帶大線,’可以用 F 式?jīng)]計(jì)出高效率輻射貼片的寬度*,即:

式中,c 是光速。

輻射貼片的長度一般取為兒 12,這里,凡是介質(zhì)內(nèi)的濘波波長,即:

考慮到邊緣縮短效應(yīng)后,實(shí)際_卜的輻射單元長度 L 應(yīng)為:

式中,se 是有效介電常數(shù),魷?zhǔn)堑刃л椛淇p隙長度,可以分別用下式計(jì)算: 2.同軸饋點(diǎn)位置的估算

對于同軸線饋電的微帶貼片天線,在確定了貼片長度 L 和寬度 w 之后,還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置,饋點(diǎn)的位置會(huì)影響天線的輸入阻抗。在主模 TM 10 工作模式下,在寬度 w 方向上電場強(qiáng)度不變,因此饋電點(diǎn)在寬度、方向的位移對輸入阻抗的影響很小,但在寬度方向卜偏離中心位置時(shí),會(huì)激發(fā)TM 10-模式,增加天線的交叉極化輻射,因此寬度方向r.饋電點(diǎn)的位置一般取在中心點(diǎn)(y=07}饋電點(diǎn)在矩形輻射貼片長度L方向邊緣處((x= }L12)的輸入阻抗最高,約為 t Oa 到 400 歐姆之間,而在輻射貼片的幾何中心點(diǎn)(x!0} y=0)處的輸入阻抗則為零,因此在長度 L 方向上,從輻射貼片的幾何中心到兩側(cè)輸入阻抗由零逐漸增大:對于如圖 10.3 所示的同軸線饋電的微帶貼片天線,由下式可以近似 v}一算出輸入阻抗為 50 歐姆時(shí)的饋電點(diǎn)的位置:

3.輻射場 如前所述,矩形微帶天線可以視作一段長 L 為 iJ2 的低阻抗微帶傳輸線,它的輻射場被認(rèn)為是由傳輸線兩端開路處的縫隙所形成的。因此,矩形微帶天線可以等效為長 w.寬方、間距為 L 的二元縫隙天線陣。

單個(gè)縫隙天線的方向性函數(shù)為:

因此,矩形微帶天線的輻射場只需在單縫隙大線的表達(dá)式中乘以二元陣的陣因子就可以了。這樣,矩形微帶天線的方向性函數(shù)可以表示為:

工程設(shè)計(jì)中關(guān)心的多是 F 面（=90)和 H 面（φ=90）方向圖,于是由式(10.1.10)可得 E 面的力向性函數(shù)為:

考慮到 kh<<1 ,則式(4-1-9)可以近似寫為:

H 面的方向性函數(shù)為:

4.方向性系數(shù) 根據(jù)方向性系數(shù)的定義,可以給出微帶大線的方向性系數(shù)為:

本章設(shè)計(jì)的矩形微帶人線工作于 ISM 頌段,其中心頻率為 2.45GHz;無線局域網(wǎng)(WLAN),藍(lán)牙、ZigBee 等無線網(wǎng)絡(luò)均 1.作在該頻段上。介質(zhì)摧片采用厚度為 1.6mm 的 FIt4 環(huán)氧樹脂(FR4 Epoxy)板,其相對介質(zhì)常數(shù)ε=4.4,天線使用 50 歐姆同軸線饋電。

下面根據(jù) 10.1 節(jié)給出的推導(dǎo)公式來計(jì)算微帶天線的幾何尺寸,包括貼片的長度 L,寬度 W 和同軸線憤點(diǎn)的位置 1.矩形貼片的寬度 W 把 c=3.Ox10^8m/s,f0=2.45CrHz, ε=4.4 代入式(10-1-1)可以計(jì)算出微帶天線矩形貼片的寬度,2.有效介電常數(shù)& 把 h=1.6mm, W= 37.26mm, ε=4.4 代入式(10-1-4),可以計(jì)算出有效介電常數(shù),即 3.輻射縫隙的長度△L 把 h=1.6mm,W=37.26mm, ε=4.08 代入式(10-1-5),可以計(jì)算出微帶天線輻射縫隙的一長度, 4.矩形貼片的長度△L

把 c=3.0x10^8m/s.f0=2.45GHz,=4.}8, △L=1.12mm 代入式〔10-1-3),可以計(jì)算出微帶天線 矩形貼片的長度,即

5.同軸線饋點(diǎn)的位置

把ε=4.4 ,W=37.26mm, L=28.C37mm 代入式(10-1-7)和式{10-1-6)計(jì)算出 50 歐姆匹配點(diǎn)的近似位置,即 實(shí)驗(yàn)步驟

1.新建工程 2.添加自定義變量 3.設(shè)計(jì)建模 4.設(shè)置邊界條件 5.設(shè)置端口激勵(lì) 6.求解設(shè)置 7.設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其截圖: :

1.原實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)建模完成：

（2）.確認(rèn)設(shè)計(jì),通過 Validation Check：

（3）．查看天線的諧振頻率:

(4)參數(shù)掃描分析尋找諧振頻率

(5)調(diào)節(jié)阻抗獲得最佳匹配性能

實(shí)驗(yàn)感想：

通過本次實(shí)驗(yàn)我更熟練的掌握 HFSS 軟件的操作及對天線設(shè)計(jì)的要求

實(shí)驗(yàn)六

HFSS 諧振腔仿真分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="uqb9fjp" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握諧振腔仿真分析。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺(tái) 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)原理

一般的微波腔體諧振器是由導(dǎo)體制成的封閉的空腔,電磁波在其中連續(xù)反射,如果模式和頻率合適,就會(huì)產(chǎn)生駐波,即發(fā)生諧振現(xiàn)象。由于導(dǎo)體空腔諧振器是封閉系統(tǒng),全部電磁場能量被限制在腔體內(nèi)部,腔體本身無輻射損耗,且諧振腔屬于分布參數(shù)電路,電路的表面積增加使其導(dǎo)體損耗減小,因此諧振腔的品質(zhì)因數(shù)較集總參數(shù)諧振電路高得多。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、創(chuàng)建圓形諧振腔模型：設(shè)置默認(rèn)的長度單位、建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置、創(chuàng)建圓形諧振腔體模型、2、邊界條件和激勵(lì)：

3、求解設(shè)置 4、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真分析 5、參數(shù)掃描分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、諧振頻率和品質(zhì)因數(shù) Q

2、腔體內(nèi)部電磁場的分布 繪制模式 1 在腔體橫截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布 繪制模式 1 在腔體垂直截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布 繪制模式 2 在腔體橫截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布

繪制模式 2 在腔體垂直截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布

參數(shù)掃描分析

模式 1 和模式 2 的頻率隨變量 Height 的變化曲線 分析：從上圖分析結(jié)果可以看出,隨著介質(zhì)圓柱的逐漸升高,模式 1 和模式 2 的諧振頻率逐漸降低,通過改變介質(zhì)圓柱的高度即可以改變圓形腔體內(nèi)部的諧振頻率。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次 HFSS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

科教興國

0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00Height [mm]3.00E+0094.00E+0095.00E+0096.00E+0097.00E+0098.00E+0099.00E+0091.00E+0101.10E+0101.20E+010Y1CavityXY Plot 1ANSOFTCurve Infore(Mode(1))Setup1 : LastAdaptivere(Mode(2))Setup1 : LastAdaptive

第二篇：HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

通信0905 楊巨 U200913892

2012-3-7

半波偶極子天線設(shè)計(jì)

半波偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、學(xué)會(huì)簡單搭建天線仿真環(huán)境的方法，主要是熟悉HFSS軟件的使用方法

2、了解利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線的原理、過程和方法

3、通過天線的仿真，了解天線的主要性能參數(shù)，如駐波比特性、smith圓圖特性、方向圖特性等

4、通過對半波偶極子天線的仿真，學(xué)會(huì)對其他類型天線仿真的方法

二、實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有windows系統(tǒng)的PC一臺(tái)

2、HFSS13.0軟件

3、截圖軟件

三、實(shí)驗(yàn)原理

1、首先明白一點(diǎn)：半波偶極子天線就是對稱陣子天線。

2、對稱振子是中間饋電，其兩臂由兩段等長導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為a，長度為l。兩臂之間的間隙很小，理論上可以忽略不計(jì)，所以振子的總長度L=2l。對稱振子的長度與波長相比擬，本身已可以構(gòu)成實(shí)用天線。

3、在計(jì)算天線的輻射場時(shí)，經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)天線上的電流可以近似認(rèn)為是按正弦律分布。取圖1的坐標(biāo)，并忽略振子損耗，則其電流分布可以表示為：

式中，Im為天線上波腹點(diǎn)的電流；k=w/c為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點(diǎn)，對稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn)；電流分布關(guān)于振子的中心店對稱；超過半波長就會(huì)出現(xiàn)反相電流。

4、在分析計(jì)算對稱振子的輻射場時(shí)，可以把對稱振子看成是由無數(shù)個(gè)電流I(z)、長度為dz的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理，對稱振子的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。

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半波偶極子天線設(shè)計(jì)

電流元I(z)dz所產(chǎn)生的輻射場為

圖2 對稱振子輻射場的計(jì)算

如圖2 所示，電流元I(z)所產(chǎn)生的輻射場為

其中

5、方向函數(shù)

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1、設(shè)計(jì)變量

設(shè)置求解類型為Driven Model 類型，并設(shè)置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化

2、創(chuàng)建偶極子天線模型，即圓柱形的天線模型。

其中偶極子天線的另外一個(gè)臂是通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實(shí)現(xiàn)的。

3、設(shè)置端口激勵(lì)

半波偶極子天線由中心位置饋電，在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個(gè)平行于YZ面的矩形面作為激勵(lì)端口平面。

4、設(shè)置輻射邊界條件

要在HFSS中計(jì)算分析天線的輻射場，則必須設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個(gè)沿Z軸放置的圓柱模型，材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。

5、外加激勵(lì)求解設(shè)置

分析的半波偶極子天線的中心頻率在3G Hz，同時(shí)添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置，掃頻類型為快速掃頻。

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半波偶極子天線設(shè)計(jì)

6、設(shè)計(jì)檢查和運(yùn)行仿真計(jì)算

7、HFSS天線問題的數(shù)據(jù)后處理

具體在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中闡釋。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、回波損耗S11 回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一對線自身的反射，是天線設(shè)計(jì)需要關(guān)注的參數(shù)之一。

圖中所示是在2.5 G Hz ~3.5 G Hz頻段內(nèi)的回波損耗，設(shè)計(jì)的偶極子天線中心頻率約為3 G Hz，S11<-10dBd的相對帶寬BW=（3.25-2.775）/3*100%=15.83%

2、電壓駐波比

駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由圖可以看到在3G赫茲附近時(shí)，電壓駐波比等于1，說明此處接近行波，傳輸特性比較理想。

3、smith圓圖

史密斯圓圖是一種計(jì)算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換，將z復(fù)平面上。實(shí)部 r=常數(shù)和虛部 x＝常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與：反射系數(shù)

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半波偶極子天線設(shè)計(jì)

|G|=常數(shù)和虛部x＝常數(shù)套印而成。

從smith圓圖可以看到，在中心頻率3G赫茲時(shí)的歸一化阻抗約為1，說明端口的阻抗特性匹配良好。

4、輸入阻抗

傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進(jìn)行阻抗匹配。

圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部，在中心頻率3G赫茲時(shí)，輸入阻抗比較的理想，容易實(shí)現(xiàn)匹配。

5、方向圖

方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示，他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場半徑為常數(shù)的大球面上，天線輻射（或接收）的功率或者場強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律，并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的，所以又叫遠(yuǎn)場方向圖。電場方向圖：

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半波偶極子天線設(shè)計(jì)

由圖可以看到，電場方向以Z軸為對稱軸，在XOY平面上電場最強(qiáng)，且沿四周均勻輻射。但沿著Z軸方向電場強(qiáng)度很弱。

磁場方向圖：

磁場方向圖在XOY平面上接近一個(gè)圓，雖然看上去有些誤差。說明磁場在XOY平面上輻射較為均勻。

三維增益方向圖：

這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著Z軸對稱輻射的情況。

6、其他參數(shù)

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半波偶極子天線設(shè)計(jì)

利用HFSS軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最大強(qiáng)度及其所在方向等參數(shù)。

看著這一張密密麻麻的圖表，很多參數(shù)還不是很明白，還需研究。

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半波偶極子天線設(shè)計(jì)

六、實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)一個(gè)天線，無論是作為發(fā)射天線還是接收天線，我們都很關(guān)心其方向參數(shù)、輸入阻抗參數(shù)、增益參數(shù)、頻帶寬度等參數(shù)。這里也主要就上訴幾個(gè)參數(shù)來討論半波偶極子天線的優(yōu)缺點(diǎn)。

1、半波偶極子天線在軸向無輻射

2、半波偶極子天線的輻射與其電長度密切相關(guān)。當(dāng)電長度小于0.5時(shí)，波瓣寬度最窄，在垂直與軸向的平面內(nèi)輻射最強(qiáng)，隨著電長度的增加，開始出現(xiàn)副瓣，主瓣寬度變寬，最大輻射方向發(fā)生偏移。

3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈，說明寬頻帶時(shí)其較難實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，所以相對應(yīng)的頻帶寬度也較窄。

4、在諧振頻率附近時(shí)，我們從圖中可以看到，天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗，實(shí)現(xiàn)匹配較易，而且在中心頻率附近，電波的傳輸特性也最好，從而可以實(shí)現(xiàn)較大效率的功率傳輸。

5、通過對實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果的分析，不難發(fā)現(xiàn)，半波偶極子天線的諸多特性與電長度關(guān)系很大，所以可以通過調(diào)整天線的電長度來實(shí)現(xiàn)不同功能和要求的半波偶極子天線應(yīng)用。

6、最后還要補(bǔ)充一點(diǎn)：半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細(xì)有關(guān)。

七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次HFSS天線仿真實(shí)驗(yàn)，使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線，卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中，我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn)，對天線仿真設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)有了一個(gè)較為清楚的認(rèn)識，對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解，這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

另外，這次實(shí)驗(yàn)中我感覺較難的部分在與如何通過確定一種具體天線的參量模型來模擬設(shè)計(jì)天線模型，來仿真驗(yàn)證天線特性。

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第三篇：微波天線仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

基于HFSS的微帶天線仿真設(shè)計(jì) 1 概述

目前，在許多應(yīng)用場合（如移動(dòng)通信手機(jī)中）都需要體積小、重量輕的小型接收天線。微帶貼片天線代表一系列的小型天線，以其剖面低、重量輕的優(yōu)點(diǎn)而成為人們的首選。通過采用簡單明了的傳輸線模型，建立微帶線嵌入饋電貼片天線的精確模型并對之進(jìn)行分析已成為可能。另外，通過應(yīng)用曲線擬合公式，也可以確定50Ohm輸入阻抗所需的精確嵌入長度。饋電機(jī)制在微帶貼片天線設(shè)計(jì)中扮演了重要角色。微帶天線可以由同軸探針或嵌入的微帶線來饋電，同軸探針饋電在有源天線應(yīng)用中具有優(yōu)勢，而微帶線饋電則是適合于開發(fā)高增益微帶陣列天線。

在一個(gè)薄的介質(zhì)基板上，一面覆上金屬薄層作為接地板，另一面采用刻蝕地方法做出各種形狀的貼片，利用微帶或者同軸對貼片進(jìn)行饋電，這就是最基本的微帶貼片天線。它在導(dǎo)體貼片和接地板之間激勵(lì)起電磁場，并通過貼片與接地板的縫隙向外輻射。

天線分析的基礎(chǔ)問題是求解天線周圍空間建立的電磁場，進(jìn)而得出方向圖增益和輸入阻抗等特性指標(biāo)。如下圖1，圖2所示。

圖1 矩形微帶天線開路段電場結(jié)構(gòu)

圖2 場分布側(cè)面圖 天線基礎(chǔ)

天線的性能直接影響著整個(gè)無線通信的性能，一般來說，表征天線性能的主要參數(shù)有方向特性、增益、輸入阻抗、駐波比、極化特性等。

2.1 天線的極化方式

所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場強(qiáng)度方向。根據(jù)極化方向可分為垂直極化波和水平極化波。

(1)水平極化波：當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面形成的波。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(shí)會(huì)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。

(2)垂直極化波：當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面形成的波。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。

2.2 天線的增益

天線增益是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。

一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi。DBi是相對于點(diǎn)源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠(yuǎn)。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。

2.3 天線的阻抗

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。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時(shí)饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。

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。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，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。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。

回波損耗：它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。

2.4 天線的波瓣寬度

波瓣寬度是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個(gè)方向收發(fā)信號能力的一個(gè)指標(biāo)，通常以圖形方式表示為功率強(qiáng)度與夾角的關(guān)系）。

(1)垂直波瓣寬度：一般與該天線所對應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此，一定范圍內(nèi)通過對天線垂直度（俯仰角）的調(diào)節(jié)，可以達(dá)到改善小區(qū)覆蓋質(zhì) 量的目的。

(2)水平波瓣寬度：水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）45°,60°,90°等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區(qū)交界處的覆蓋越好，但當(dāng)提高天線傾角時(shí)，也越容易發(fā)生波束畸變,形成越區(qū)覆蓋。角度越小，在扇區(qū)交界處覆蓋越差。

3矩形貼片的設(shè)計(jì)

矩形貼片是微帶貼片天線最基本的模型，本設(shè)計(jì)就是基于微帶貼片天線基礎(chǔ)理論以及熟練掌握HFSS10仿真軟件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)矩形貼片，其工作頻率在2.45GHz，并分析其遠(yuǎn)區(qū)場輻射特性以及S曲線，3.1 設(shè)計(jì)目的

(1)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)微帶天線的設(shè)計(jì)方法；

(2)掌握矩形貼片的設(shè)計(jì)方法及其遠(yuǎn)區(qū)輻射場的特性以及S曲線；(3)掌握HFSS10仿真軟件的使用。

3.2 矩形微帶貼片天線的輻射原理

如圖3所示，用傳輸線模分析法介紹它的輻射原理。

設(shè)輻射元的長為L，寬為ω，介質(zhì)基片的厚度為h。現(xiàn)將輻射元、介質(zhì)基 片和接地板視為一段長為L的微帶傳輸線，在傳輸線的兩端斷開形成開路，根據(jù)微帶傳輸線的理論，由于基片厚度h<<λ，場沿h方向均勻分布。在最

簡單的情況下，場沿寬度ω方向也沒有變化，而僅在長度方向（L≈λ/2)有變化。

在開路兩端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，兩水平分量電場所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同向疊加，而兩垂直分量所產(chǎn)生的場反相相消。因此，兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵(lì)的兩個(gè)縫隙，縫的電場方向與長邊垂直，并沿長邊ω均勻分布?？p的寬度△L≈h，長度為ω，兩縫間距為L≈λ/2。這就是說，微帶天線的輻射可以等效為有兩個(gè)縫隙所組成的二元陣列。

圖3 矩形貼片天線示意圖

3.3 矩形貼片天線的仿真設(shè)計(jì)

1．建立新的工程 2．設(shè)置求解類型 3.設(shè)置模型單位

4．創(chuàng)建微帶天線模型

(1)創(chuàng)建地板GroundPlane。尺寸為90mm*90mm，并設(shè)置理想金屬邊界。

(2)建立介質(zhì)基片。尺寸為45mm*45mm*5mm。將材料設(shè)置為Rogers R04003。(3)建立貼片Patch。尺寸為：32mm*32mm，并設(shè)置理想金屬邊界。

(4)創(chuàng)建切角。首先在坐標(biāo)原點(diǎn)處創(chuàng)建三角形，然后將其移動(dòng)到方形貼片的頂點(diǎn)處。輸入點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：0，Z：5；X：5，Y：0，Z：5； X：0，Y：5，Z：5；X：0，Y：0，Z：5。通過旋轉(zhuǎn)180度創(chuàng)建另一個(gè)切角。(5)用Patch將切角減去。(6)創(chuàng)建探針Pin。圓柱中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：8，Z：0；輸入圓柱半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；輸入圓柱的高度： dX：0，dY：0，dZ：5。材料設(shè)置為pec。

(7)創(chuàng)建端口面Port。圓心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：8，Z：0，半徑為：dX：0，dY：1.5，dZ：0。

(8)用GroundPlane 將Port減去。

5.創(chuàng)建輻射邊界

創(chuàng)建Air，尺寸為：160mm*160mm*70mm。輻射邊界命名為Rad1。

6．設(shè)置端口激勵(lì)

端口命名為p1。在Modes 標(biāo)簽中的Integration line zhong點(diǎn)擊None，選擇New Line，在坐標(biāo)欄中輸入：X：0，Y：9.5，Z：0；dX：0，dY：-1，dZ：0，按回車鍵，點(diǎn)擊Next按鈕直至結(jié)束。

7．求解設(shè)置

為該問題設(shè)置求解頻率及掃頻范圍

(1)設(shè)置求解頻率。設(shè)置窗口：Solution Frequency ：2.45GHz；Maximun Number of Passes：15；Maximun Delta S per Pass ：0.02。

(2)設(shè)置掃頻。掃頻窗口中做以下設(shè)置：Sweep Type：Fast；Frequency Setup Type：Linear Count；Start :2.0GHz；Stop：3.0GHz；Count：400；將Save Field復(fù)選框選中。8.設(shè)置無限大球面

在菜單欄中點(diǎn)擊HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere。在Infinite Sphere標(biāo)簽中做以下設(shè)置：Phi：Start：0 deg，Stop：180deg，Step：90 deg；Theta：Start：0 deg，Stop：360 deg，Step：10 deg。

9.確認(rèn)設(shè)計(jì) 10.保存并求解工程 11 后處理操作

(1)S參數(shù)（反射系數(shù)）。

繪制該問題的反射系數(shù)曲線，該問題為單端口問題，因此反射系數(shù)是s11。點(diǎn)擊菜單欄HFSS>Result>Create Report。選擇：Report Type：Modal S Parameters ；Display Type：Rectangle。Trace窗口：Solution：Setup1:Sweep1； Domain：Sweep 點(diǎn)擊Y標(biāo)簽，選擇：Category：S parameter；Quantity：S（p1，p1）；Function：dB，然后點(diǎn)擊Add Trace按鈕。點(diǎn)擊Done按鈕完成 操作，繪制出反射系數(shù)曲線。

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖。

在菜單欄點(diǎn)擊HFSS>Result >Create Report。選擇：Report Type：Far Fields；Display Type：Radiation Pattern。Trace 窗口：Solution：Setup1：LastAdptive；Geometry：ff_2d。在Sweep標(biāo)簽中，在Name這一列中點(diǎn)擊第一個(gè)變量Phi，在下拉菜單中選擇The。點(diǎn)擊Mag標(biāo)簽，選擇：Category ：Gain；Quantity：GainTotal；Function：dB,點(diǎn)擊Add Trace按鈕。最后點(diǎn)擊Done，繪制出方向圖。結(jié)果分析

4.1 對探針位置的探討

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質(zhì)基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：32，dY：32，dZ：0。

4.1.1探針在Y軸

探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：0，Y：8，Z：0；半徑：dX：0, dY：0.5，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖4所示：

圖4 矩形貼片天線3D模型(探針在Y軸)

(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖5所示。

圖5 反射系數(shù)圖（Y軸）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖6所示。

圖6 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（Y軸）分析： 當(dāng)探針在Y軸上時(shí)，回波損耗在13.8dB左右，工作頻帶在2.35GHz-2.47 GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可看出，有一個(gè)小的背瓣。頻點(diǎn)在2.42 GHz左右，不在2.45 GHz，因此需要進(jìn)行優(yōu)化。

4.1.2 探針位置在X軸上

探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖7所示：

圖7 矩形貼片天線3D模型(探針在X軸)

(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖8所示。

圖8 反射系數(shù)圖（X軸）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖9所示。

圖9 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（X軸）

分析：當(dāng)探針在X軸上時(shí)，回波損耗也在13.8dB左右，工作頻帶在2.37GHz-2.48 GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可看出，有一個(gè)小的背瓣。頻點(diǎn)在2.43 GHz左右，不在2.45 GHz.說明此位置仍不是最佳位置。

4.1.3 探針在對角線位置上 探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：-4.2，Y：4.2，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖10所示：

圖10 矩形貼片天線3D模型(探針在對角線軸)(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖11所示。

圖11 反射系數(shù)圖（對角線）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖12所示。

圖12 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（對角線上）

分析：當(dāng)探針在對角線上時(shí)，回波損耗為-29dB，頻點(diǎn)恰好在2.45GHz，工作頻帶在2.43GHz-2.47GHz工作特性很好，可知工作頻帶很窄。由遠(yuǎn)場圖可知，此位置仍有一個(gè)小的背瓣。

因此，探針在這個(gè)工作特性很好，但工作帶寬有點(diǎn)窄。探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：8，Y：8，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0； 高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖13所示：

圖13 矩形貼片天線3D模型(探針在對角線軸)

(1)反射系數(shù)曲線

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖14所示。

圖14 反射系數(shù)圖（對角線）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖15所示。

圖15 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（對角線上）

分析： 當(dāng)將探針設(shè)置在此位置時(shí)，回波損耗在-14.3dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.49GHz,頻點(diǎn)正好在2.45GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可知，在此位置有一個(gè)小的背瓣。

探針在這個(gè)位置工作特性很好，工作頻帶也較寬。此外還可知在對角線上越靠近中心，天線性能越好。

4.2 改變貼片尺寸

地板長、寬、高分別為： dX：90，dY：90，dZ：0。

介質(zhì)基片長、寬、高：dX：45，dY：45，dZ：5；材料為Rogers R04003。貼片Patch長、寬、高： dX：31.7，dY：31.7，dZ：0。

探針中心點(diǎn)的坐標(biāo)：X：8，Y：0，Z：0；半徑：dX：0.5, dY：0，dZ：0；高度：dX：0，dY：0，dZ：5；材料設(shè)置為pec。模型如圖16所示。

圖16 矩形貼片天線3D模型(貼片尺寸改變)(1)反射系數(shù)曲線

仍在上述所設(shè)求解頻率和掃頻的條件下，繪制反射系數(shù)曲線，如圖17所示。

圖17 反射系數(shù)曲線（貼片尺寸改變）

(2)2D輻射遠(yuǎn)場方向圖

在如上所述的求解頻率和掃頻的條件下，繪制2D輻射遠(yuǎn)場方向圖，如圖18所示。

圖18 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖（貼片尺寸改變）

分析： 當(dāng)其他條件不變，改變貼片尺寸（由32mm*32mm改為31.7mm*31.7mm）時(shí)，回波損耗在-12.5dB左右，頻帶寬度在2.39 GHz-2.50GHz,頻點(diǎn)正好在2.45GHz。

由遠(yuǎn)場方向圖可知，在此位置仍有一個(gè)小的背瓣。探針在這個(gè)位置（X軸）工作特性不錯(cuò)，工作頻帶也較寬。

4.3 改變探針半徑

在4.2的基礎(chǔ)上，將探針半徑改為0.4mm，其他條件不變，則所形成的反射系數(shù)圖和2D輻射遠(yuǎn)場方向圖如圖19，圖20所示。

圖 19 反射系數(shù)圖曲線（探針半徑0.4mm）

圖20 2D輻射遠(yuǎn)場方向圖(探針半徑0.4mm)分析：① 在上一步的基礎(chǔ)上，改變探針半徑（由0.5mm改為0.4mm）時(shí)，回波損耗在-14.1dB左右，頻帶寬度在2.40 GHz-2.52GHz,頻點(diǎn)正好在2.46GHz。

② 由遠(yuǎn)場方向圖可知，在此位置仍有一個(gè)小的背瓣。

③ 此時(shí)，探針不在工作頻點(diǎn)，可知探針半徑太小，但由上研究可知，半 徑在稍微改大一點(diǎn)應(yīng)該可以使探針工作在2.45 GHz（這個(gè)問題由于時(shí)間問題沒研究）。

總結(jié)：

① 當(dāng)頻率低于工作頻點(diǎn)時(shí)，優(yōu)化天線的措施有：改變探針位置、探針半徑、貼片尺寸等，均可以使其工作在頻點(diǎn)（如2.45GHz）。

② 對于矩形貼片可知：當(dāng)探針在坐標(biāo)軸上時(shí)，天線性能不是很理想；當(dāng)在對角線上時(shí)，天線的性能較理想，工作頻帶較在坐標(biāo)軸的位置要窄，而且探針在對角線上靠近中心的位置上，天線的性能更好。

③ 當(dāng)改變探針半徑時(shí)，半徑減小，工作頻率變大。通過調(diào)整可以使貼片工作在頻點(diǎn)。設(shè)計(jì)體會(huì)

微波課設(shè)在短短的幾天時(shí)間里完成了。首先非常感謝老師以及各位學(xué)長的幫助和指導(dǎo)。

由于老師已經(jīng)在指導(dǎo)書上列出了很詳細(xì)的操作步驟，設(shè)計(jì)思路都體現(xiàn)在里面，因此這次課設(shè)上手還是很快的。這使我們能夠很快的把握住設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步學(xué)會(huì)如何利用HFSS10這款軟件設(shè)計(jì)微帶天，并通過所形成的遠(yuǎn)區(qū)輻射場圖和S曲線分析矩形微帶天線的特性。學(xué)習(xí)將基礎(chǔ)的理論知識應(yīng)用到微帶天線的實(shí)際設(shè)計(jì)中。做完之后再回頭想一下，按照公式計(jì)算出來的矩形天線的參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際時(shí)，并不能使天線達(dá)到理想的輻射狀態(tài)。這可能是由于一些共識的近似表示以及實(shí)際天線所處環(huán)境等因素造成。由此可知，在具體設(shè)計(jì)微帶天線時(shí)要根據(jù)實(shí)際的情況對天線進(jìn)行優(yōu)化處理，使其達(dá)到理想輻射特點(diǎn)。當(dāng)然在做實(shí)驗(yàn)時(shí)并不是特別順利，所幸的是，在老師和幾位學(xué)長的幫助指導(dǎo)下解決了，并從中學(xué)到很多東西。

此外，在這次課設(shè)中同學(xué)間的配合也是相當(dāng)重要的。每個(gè)學(xué)生對老師課堂所講的內(nèi)容的接收程度不同。只有同學(xué)間的相互配合，提出問題，然后討論最后解決，才能使課設(shè)結(jié)果達(dá)到更好的效果。參考文獻(xiàn)

《微波天線與技術(shù)》 西安電子科技大學(xué)出版社 劉學(xué)觀 郭輝萍 編著。

第四篇：北郵微波仿真實(shí)驗(yàn)1

微波仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

學(xué) 院：電子工程學(xué)院 班 級 學(xué) 號： 姓 名： 班內(nèi)序號：

微波仿真課作業(yè)1

1.了解ADS Schematic的使用和設(shè)置

2．在Schematic里，分別仿真理想電容20pF和理想電感5nH，仿真頻率為（1Hz-100GHz），觀察仿真結(jié)果，并分析原因。20pF理想電容

仿真圖

原因分析：史密斯原圖下半部分是容性，隨頻率增加，電容由開路點(diǎn)變到短路點(diǎn)，通高頻，阻低頻。5nH理想電感

仿真圖

原因分析：史密斯原圖上半部分是感性，隨頻率增加，電容由短路點(diǎn)變到開路點(diǎn)，阻高頻，通低頻。

3． Linecalc的使用

a)計(jì)算中心頻率1GHz時(shí)，F(xiàn)R4基片的50Ω微帶線的寬度

寬度為：2.9112mm b)計(jì)算中心頻率1GHz時(shí)，F(xiàn)R4基片的50Ω共面波導(dǎo)（CPW）的橫截面尺寸（中心信號線寬度與接地板之間的距離）

橫截面尺寸為：W=171.355mm，G=5mm，L=63.5mm

4．基于FR4基板，仿真一段特性阻抗為50Ω四分之一波長開路CPW線的性能參數(shù)，中心工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分析原因。

仿真圖

仿真圖分析： 1、1GHz時(shí)，為四分之一波長，開路阻抗變換后變?yōu)槎搪罚?GHz時(shí)為二分之一波長，所以仍為開路；

2、由于損耗，因此反射系數(shù)變小，所以等反射系數(shù)圓的半徑也在變小。

5.基于FR4基板，仿真一段特性阻抗為50Ω四分之一波長短路CPW線的性能參數(shù)，中心工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。

仿真圖

仿真圖分析： 1、1GHz時(shí)，為四分之一波長，短路阻抗變換后變?yōu)殚_路，2GHz時(shí)為二分之一波長，所以仍為短路；

2、由于損耗，因此反射系數(shù)變小，所以等反射系數(shù)圓的半徑也在變小。分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗： 500MHz:Z0*（0.003+j0.001）2GHz：Z0*（0.012-j0.005）

6.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50Ω四分之一波長開路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。

仿真圖

分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗： 微帶線

500MHz:Z0*（0.003-j0.992）2GHz：Z0*（32.830-j1.603）理想傳輸線

500MHz:Z0*（1.000E-10-j1.000）2GHz：Z0*（2.000E10-j2.000E5）

分析：因?yàn)橄鄬τ诶硐雮鬏斁€，微帶線有損耗產(chǎn)生誤差，反射系數(shù)一直變小。

擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因。

分析：對于理想傳輸線，反射系數(shù)不變，而對于微帶線，由于存在損耗，反射系數(shù)會(huì)一直變小，因此其反射系數(shù)圓的半徑在一直變小。

7.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50Ω四分之一波長短路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。

仿真圖

分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗： 微帶線

500MHz:Z0*（0.009+j1.003）2GHz：Z0*（0.031+j0.002）理想傳輸線

500MHz:Z0*（5.551E-17+j1.000）2GHz：Z0*（8.284E-18-j1.000E-5）

分析：因?yàn)橄鄬τ诶硐雮鬏斁€，微帶線有損耗產(chǎn)生誤差，反射系數(shù)一直變小。

擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因。

分析：對于理想傳輸線，反射系數(shù)不變，而對于微帶線，由于存在損耗，反射系數(shù)會(huì)一直變小，因此其反射系數(shù)圓的半徑在一直變小。

8.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50Ω二分之一波長開路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。

仿真圖

分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗： 微帶線

500MHz:Z0*（0.016+j0.006）2GHz：Z0*（16.430-j0.798）理想傳輸線

500MHz:Z0*（5.000E-11-j6.123E-17）2GHz：Z0*（2.000E10-j2.000E5）

分析：因?yàn)橄鄬τ诶硐雮鬏斁€，微帶線有損耗產(chǎn)生誤差，反射系數(shù)一直變小。擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因。

分析：對于理想傳輸線，反射系數(shù)不變，而對于微帶線，由于存在損耗，反射系數(shù)會(huì)一直變小，因此其反射系數(shù)圓的半徑在一直變小。

9.分別用理想傳輸線和在FR4基片上的微帶傳輸線，仿真一段特性阻抗為50Ω二分之一波長短路線的性能參數(shù)，工作頻率為1GHz。仿真頻段（500MHz-3GHz）,觀察Smith圓圖變化，分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗，分析變化原因。

仿真圖

分別求出500MHz和2GHz的輸入阻抗： 微帶線

500MHz:Z0*（55.044-j19.301）2GHz：Z0*（0.061+j0.004）理想傳輸線

500MHz:Z0*（-1.000+j1.633E16）2GHz：Z0*（8.284E-18-j1.000E-5）

分析：因?yàn)橄鄬τ诶硐雮鬏斁€，微帶線有損耗產(chǎn)生誤差，反射系數(shù)一直變小。

擴(kuò)展仿真頻率（500MHz-50GHz），分析曲線變化原因。

分析：對于理想傳輸線，反射系數(shù)不變，而對于微帶線，由于存在損耗，反射系數(shù)會(huì)一直變小，因此其反射系數(shù)圓的半徑在一直變小。微波測量實(shí)驗(yàn)中測得的幾個(gè)史密斯圓圖 四分之一開路微帶線

四分之一短路微帶線

二分之一開路微帶線

二分之一短路微帶線

微波仿真課作業(yè)2

1． 用一段理想四分之一波長阻抗變換器匹配10歐姆到50歐姆，仿真S參數(shù)，給出-20dB帶寬特性，工作頻率為1GHz。計(jì)算得，22.36歐姆

仿真S參數(shù)

計(jì)算分析：由圖計(jì)算-20dB帶寬為 1071-929=142MHz;且如仿真圖所示，在1GHz處回波損耗最低，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。2． 用一段FR4基片上四分之一波長阻抗變換器匹配10歐姆到50歐姆，仿真S參數(shù)，給出-20dB帶寬特性，工作頻率為1GHz，比較分析題1和題2的結(jié)果。

仿真S參數(shù)

由圖計(jì)算-20dB帶寬為1065-921=144MHz。

比較分析題1和題2的結(jié)果

分析，微帶線與理想傳輸線之間有一定的誤差：

1、如圖所示可以看出微帶線情況下，回波損耗最低點(diǎn)稍微偏離1GHz；

2、-20dB帶寬為144MHz大于理想傳輸線時(shí)的142MHz； 3、1GHz阻抗匹配時(shí)，微帶線時(shí)的回波損耗大于理想傳輸線。

3． 設(shè)計(jì)一個(gè)3節(jié)二項(xiàng)式匹配變換器，用于匹配10歐姆到50歐姆的傳輸線，中心頻率是1GHz，該電路在FR4基片上用微帶線實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)這個(gè)匹配變換器并計(jì)算

?m?0.1的帶寬，給出回波損耗和插入損耗與頻率的關(guān)系曲線，比較分析題2和題3的結(jié)果。

根據(jù)所學(xué)的理論知識，先依題意算出三節(jié)匹配微帶線的阻抗值,然后通過LineCalc計(jì)算出相應(yīng)微帶線的長和寬，修改電路圖中MLIN的相關(guān)參數(shù)。

Z1=40.89Ω W=4.198480mm L=40.404500mm Z2=22.36Ω W=9.620970mm L=38.833700mm Z3=12.23Ω W=19.83080mm L=37.648400mm

插入損耗

?m?0.1的帶寬，即為-20dB帶寬，由圖計(jì)算得1325-680=645MHz；

比較分析題2和題3的結(jié)果，3節(jié)二項(xiàng)式匹配變換器匹配誤差更大：

1、如圖所示可以看出3節(jié)二項(xiàng)式匹配變換器匹配時(shí)回波損耗最低點(diǎn)明顯偏離1GHz；

2、-20dB帶寬為645MHz大于微帶線情況；

3、但1GHz阻抗匹配時(shí)，3節(jié)二項(xiàng)式匹配變換器時(shí)的回波損耗小于微帶線情況。

4． 題3中，若用3節(jié)切比雪夫匹配變換器實(shí)現(xiàn)，比較同樣情況下的帶寬，回波損耗和插入損耗與頻率的關(guān)系曲線，比較分析題3和題4結(jié)果。

根據(jù)所學(xué)的知識可以計(jì)算出切比雪夫變換器匹配的三個(gè)微帶線的阻抗，然后通過LineCalc計(jì)算出相應(yīng)微帶線的長和寬，修改電路圖中MLIN的相關(guān)參數(shù)。Z1=35.94Ω

W=4.948710mm L=40.0910mm Z2=22.11Ω

W=9.6519mm L=38.8278mm Z3=13.55Ω

W=17.57710mm L=37.8241mm

仿真圖

插入損耗

?m?0.1的帶寬，即為-20dB帶寬，由圖計(jì)算得1485-534=951MHz；

比較分析題3和題4的結(jié)果，即二項(xiàng)式匹配變換器與切比雪夫匹配變換器：

1、切比雪夫匹配變換器的帶寬顯著增加；

2、切比雪夫匹配變換器回波損耗具有等波紋特性；

3、兩者的插入損耗差別不明顯。

5． 對于一個(gè)負(fù)載阻抗ZL=60-j80歐姆，利用Smith Chart Utility功能，分別設(shè)計(jì)并聯(lián)短路單枝節(jié)和并聯(lián)開路單枝節(jié)匹配，并將Smith Chart Utility給出的匹配結(jié)果在Schematic中仿真，給出1-3GHz的回波損耗與頻率的關(guān)系曲線，并給出?m?0.1的帶寬。并聯(lián)短路單枝節(jié)

計(jì)算并聯(lián)短路單枝節(jié)-20dB帶寬：1053-952=101MHz

并聯(lián)開路單枝節(jié)

計(jì)算并聯(lián)開路單枝節(jié)-20dB帶寬：1023-975=48MHz

6． 并聯(lián)雙枝節(jié)匹配電路，并聯(lián)雙枝節(jié)為開路，枝節(jié)之間相距λ/8，中心工作頻率為2GHz,利用理想傳輸線，給出1-3GHz的回波損耗與頻率的關(guān)系曲線，并給出?m?0.1的帶寬。并聯(lián)雙枝節(jié), 枝節(jié)之間相距λ/8，中心工作頻率為2GHz

仿真

如圖在2GHz匹配

計(jì)算-20dB帶寬：2012-1988=24MHz

第五篇：大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)名稱：空氣比熱容測定

學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院

專業(yè)班號：車輛11

姓名：劉娟娟

學(xué)號：2110105001