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【分享】HFSS天线设计过程学习笔记

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发表于 2020-3-20 23:26:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
       关于主极化和交叉极化:

      之前对这个概念一直不是很熟悉,前一阵子查了一些资料,大致整理如下:


      1、主极化方向是电场强度最大辐射方向,与参考源的场平行的场量称为共面极化或主极化


      2、一般的交叉极化是指与主极化正交的极化分量,即与主义化垂直的方向,交叉极化是我们不希望产生的极化。


      3、一般来说主极化与交叉极化相差越大越好;如果交叉极化相对主极化很小,那就可以直接用总的极化近似主极化了。所以在有的论文中作者会 把主极化以及交叉极化的对比方向图放出来,以作天线性能分析。


      4、在HFSS中,要查看主极化和交叉极化,首先必须确定电场最大辐射方向。如果最大辐射方向在Z轴,主极化和交叉极化比较容易观察,对线极化天线来说,就看GainTheta和GainPhi;如果是圆极化,就看GainRHCP和GainLHCP。


      关于调频广播中的垂直极化和水平极化:

      在调频广播标准制定早期,人们从以下几点考虑,多数国家(包括我国)都以采用水平极化方式为主。


      1、城市工业无线电干扰大多为垂直极化波,调频广播采用水平极化方式能够有效地抑制这些干扰。


      2、由于垂直极化在经过地面反射的时候入射波和反射波之间会产生较大的相位偏移,从而导致远距离传播时,由于存在多径效应而导致直射波与反射波相互抵消的情况。而水平极化经过地面反射之后也不会产生多大的相位偏移,因此不存在这个困扰。


      3、水平极化天线的支持物(铁杆、铁塔等)以及垂引馈线的再辐射对天线的性能影响也比较小。

      但后来随着社会的发展尤其时车载广播的出现,很多调频广播电台改造为以采用垂直极化方式为主,主要原因如下:


      1、采用水平极化方式的调频广播电台在收听的时候需要调节天线方向,以保证接收天线处于最佳接收方向、减少极化失配损失。但平时大家很难掌握好调天线的方向,并且如果时车载广播的话,随着道路方向的改变,天线方向需要一直调节才能保证最佳接收。


      2、相较之下垂直极化显得省事儿多了,只要将天线垂直摆设就能保证极化匹配。如果担心远距离传播的事情,可以通过缩短基站距离来弥补~


      关于HFSS仿真确定最大辐射方向:

       一、用天线理论知识来判断


       以最基础的电基本振子为例,其远区场表达式为:
      


       因此可以知道在theta=90度,r=0时电场强度和磁场强度最大。其中,电场强度最大辐射方向为z方向,磁场强度最大辐射面为xoy面。


       二、 通过HFSS生成的图来判断


       1、在仿真结束后,画出天线的3D增益方向图。


       首先,添加一个完整的辐射球面,选择工程树下的Radiation——Insert Far Field Setup——Infinite Sphere ,保持默认的phi从0~ 360,theta从0~180。


      其次,Results——Create Far Fields Reports——3D Polar Plot,确认geometry选择的是3D,Category选择,Quantity(GainTotal),Funtion(db)


      最后,根据3D增益方向图确定最大辐射方向(数值最高点与原点的连线方向)


      2、 选中模型的天线部分后,右键Plot Fields——E——Vector_E,即可看到电场的方向;同样Plot Fields——H——Vector_H,即可看到磁场的方向;放大后可以分别观察到最大的辐射方向。


      关于如何在HFSS中查看ECC:

      

       因为毕设涉及到MIMO天线,想要在HFSS中查看一下其仿真的信号相关系数(ECC),结果在网上一些HFSS论坛找了一圈发现……都不是我想要的方法,后来翻墙找到了这个~暂且搬过来,供大家使用呀:


       1、Analyze之后呢,首先右键result——Output Variables


       2、如图所示,添加新的输出变量,根据ECC计算公式来填写表达式,这里以2单元MIMO天线为例,输入的表达式就是:


(mag(conjg(S(1,1))*S(1,2)+conjg(S(2,1))*S(2,2)))^2/((1-mag(S(1,1))^2-mag(S(2,1))^2)*(1-mag(S(2,2))^2-mag(S(1,2))^2))



       3、点击Done,然后再右键results—— Create Modal Solution Data Report ——Rectangular Plot,在Category菜单下选择Output Variables中刚刚新建的ECC,然后点击New Report就可以啦~



       一般来说,ECC的值越接近于1,说明MIMO天线之间的相关性越强,越接近于0,说明相关性越弱。


       关于第一次打开ANSYS Electronics Desktop默认设置为Simplorer如何更改设置

       界面不同而已,切换一下即可。


       选择Tools菜单下的Options>General Options…


      


       然后再在Set targeted configuration中选择RF就可以转换成HFSS design的设计类型啦。


      


       关于一些小知识点的杂记:

       1、振子天线属于垂直极化的方式,而环形天线则属于水平极化的方式。


       因此,Kandoian于1951年在其一篇获授权的专利中首先提出电-磁振子组合天线的概念,即组合振子天线和环形天线,给他们等幅馈电和合理的相位设置能够得到圆极化的辐射特性。


       2.在设计矩形微带天线时,其馈电微带长度应该是工作频率对应的1/4波长。


       3.在设计微带天线时,如果对地面加入某一元素的缺陷地,如:矩形天线的DGS是个位与地面中心的圆环,可能会导致天线电场方向的改变。
       4.在输入阻抗特性曲线上观察谐振点的方法如下:将实部曲线和虚部曲线都画出来,虚部曲线为0对应的频率点就是谐振点。


       5.在设计天线阻抗匹配的过程中,一般需要在HFSS中看史密斯圆图,根据圆图判断所需匹配频段是感性还是容性,再加入相应的容性or感性元素来实现匹配。


       6.要再HFSS中看天线效率,需要再result下面创建直角坐标图,其中radiatedPower是天线效率,radiationeffeciency是指辐射效率。
       7.耦合电流的方向与原电流方向是相反的。


       8.对于微带天线设计,如果要拓宽其阻抗带宽可以使用的方式有:只用半边地,并且最好在这个地面上加入容性缺陷地结构(DGS);加厚介质板或者使用介电常数更高的介质板,但是这样会导致增益的牺牲。 还可以使用阶梯状的贴片形状(DMS)。



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发表于 2022-6-20 20:05:26 | 显示全部楼层
牛哇牛哇,楼主很有钻研精神哇!
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