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I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
2、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，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
3、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IIABSTRACTIn recent years, Radio frequency identification (RFID) technology and the rapid development of automatic object rec
4、ognition has become 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
5、 is the half-wave 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. Therefo
6、re, in-depth understanding 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
7、 determine the 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, optimizatio
8、n analysis method 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 dip
9、ole antenna proposed 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 antenna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 .22.2 An
10、soft HFSS 10 仿真软件简介 .22.3 Ansoft HFSS 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 .134 HFSS
11、仿真设计 .144.1 HFSS 设计概述 .144.2 HFSS 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 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11 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
12、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
13、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。天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计22 概述2.1
14、 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
15、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
16、，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天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计3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
17、 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。天津职业技术师范大学 2013 届本科生毕业设计4设置激励方式。无线必须通过传输线或者波导传输信号，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（Lu
18、mped 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
19、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。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
