天线仿真基本步骤

                       ——以半波偶极子天线仿真为例

本例程的仿真过程是基于HFSS 12.0版。仿真主要步骤为：新建工程→规划并定义变量→建模→仿真→数据后处理。

1、新建设计工程

（1）新建工程文件

（2）设置求解类型【Solution Type】为“Driven Modal”

（3）设置模型长度单位【Units】为“mm”

【说明：HFSS中共有三种求解类型，分别是模式驱动求解（Driven Modal）、终端驱动求解（Driven Terminal）和本征模求解（Eigenmode）。在天线设计中，通常选择模式驱动或者终端驱动求解类型。其中，模式驱动求解类型是根据导波模式的入射和反射功率来计算S参数矩阵的解，终端驱动求解类型是根据传输线终端的电压和电流来计算S参数矩阵的解】

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，设置变量值，变量值可以是数字、表达式。注意检查单位（mm）是否正确。

• 变量规划：

分析天线结构，规划变量，应注意变量之间的关系，避免变量值发生变化后导致天线结构失效的情况，如结构重叠、结构脱离等问题。尤其在后续的天线优化过程中，变量自动变化，若变量设置不合理，可能出现天线结构失效问题，且在仿真中难以暴露或被发现，最终影响优化结果。

• 变量设置：

见下图的变量设置框，注意：变量类型在“Unit Type”下拉框里选择，结构的尺寸为长度类型：Length。

• 完成变量添加

3、设计建模

建模过程需综合应用软件提供的基本结构模型、结构组合工具、结构转换工具、模型观察工具等。

• 基本结构模型：（HFSS 2020版）

• 结构组合工具：（HFSS2020版）

• 结构转换工具：（HFSS2020版）

• 模型观察工具：（HFSS2020版）

半波偶极子天线建模过程如下：

    （1）创建偶极子天线模型

• 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。

• 设置Cylinder1的属性，名称设置为“Dipole”，材质设置为“pec”

• 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。

• 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】，设置如图对话框

【说明：该步骤也可直接采用圆柱体进行建模，即重复（1）的过程，只是参数设置不同】

（2）设置端口激励

• 把当前工作平面设置为yz平面：在工具栏上的“XY”下拉列表框中选择“YZ”。

• 在三维模型窗口的yz面上创建一个矩形面。

• 把矩形面的名称设置为“Port”。

• 设置矩形面的顶点坐标和大小，如图：

• 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】

• 全屏显示矩形面Port，在矩形面的下边缘处移动鼠标指针，当指针变成三角形时，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，当指针变成三角形时，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”，在对话框中选中“Do Not Renormalize”，完成设置。

【说明：HFSS中定义了多种激励方式，主要有波端口激励（Wave Port）、集总端口激励（Lumped Port）、Floquet端口激励（Floquet Port）、入射波激励（Incident Wave）、电压源激励（Voltage Source）、电流源激励（Current Source）和磁偏置激励（Magnetic Bias）。在天线设计中，端口平面的激励方式多设置为波端口激励或者集总端口激励。其中，如果端口平面与背景相接触，激励方式需要设置为波端口激励；如果端口平面在模型内部，激励方式则需要设置为集总端口激励】

（3）设置辐射边界条件

• 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”，圆柱体的圆心坐标为（0，0，-rad_height），半径为rad_radius，高度为2*rad_height。

• 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】，选择“RadiatingOnly”

4、仿真求解

（1）求解设置

• 求解频率和网格剖分设置：单击Analysis节点，选择【Add Solution Setup】，输入求解频率（Solution Frequency）为3GHz，最大迭代次数（Maximum Number of Passes）为20，收敛误差（Maximum Deltalmum S）为0.02。

• 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。

（2）设计检查和运行仿真计算

• 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。（注：仿真过程中可能会出现hf3d.exe应用程序错误，可能同系统有关，在台式机上安装有问题，在笔记本上安装则运行正常）

5、数据后处理

• 回波损耗S₁₁：右键单击“Results”节点，选择【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】,选择S（1,1），单击“New Report”即可生成回波损耗的分析结果。

• 电压驻波比VSWR:步骤同上，选择“VSWR”。

• 输入阻抗：选择【Create Modal Solution Data Report】→【Rectangular Plot】,选择Z（1,1），在“Fuction”列表框中同时选中im和re。

• 方向图：

①定义辐射表面：右键“Radiation”节点，选择【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】，定义xz平面，设置“E_Plane”如下图，同理定义xy平面，设置为“H_Plane”，定义三维立体球面，设置为“3D_Sphere”

②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”

③查看xy面的增益方向图，注意调整图中增益值的范围，范围过小会使方向图形状变形程度加大。

④查看三维增益方向图：右键“Results”节点，选择【Create Far Fields Report】→【3D Polar Plot】