一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文(编辑修改稿)

一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

接收）的功率或者场强随位置方向坐标的变化规律，并分别称为功率方向图和场方向图。 天线方向图是在远场区确定的，所以又叫远场方向图。 方向性函数绘制出的方向图称为归一化方向图，采用无量纲的相对值或分贝表示。 方向图有二维和三维方向图。 三维方向图分为球坐标三维方向图和直角坐标三维方向图，二维方向图分为极坐标方向图和直角坐标方向图两种。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 第 3 章 基于有限元法的电磁场计算方法 有限元法原理介绍 有限元法（ FEA， Finite Element Analysis）是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。 它将求解 域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 (较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件 (如结构的平衡条件），从而得到问题的解。 这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。 由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。 有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提 出，则是最近的事。 有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。 经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元法的主要求解过程 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。 有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义： 根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。 显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解， 即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。 例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。 总装是在相邻单元结点进 行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。 联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。 求解结果是单元结点处状态变量的近似值。 对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。 前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。 有限元数值计算方法的主要特点 有限元方法与其他求解边值问 题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。 20世纪 60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地将其描绘为： “有限元法 =Rayleigh Ritz法＋分片函数 ”，即有限元法是 Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。 不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因 之一。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 基于有限元法的电磁仿真技术 HFSS Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、 S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。 HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的 S参数和全波电磁场。 在 HFSS的桌面上，你能找到 HFSS的全套功能，这是一个可以完全支持基于三维电磁 场设计的界面。 除了直观的视窗特性 外，图形项目树提供了广为熟知的 HFSS设计流 程的传统风格。 利用 Ansoftlinks接口设计师可将 HFSS和现有的 EDA和 MCAD设计流结 合起来。 利用与 Cadence、 Mentor Graphics， Synopsys以及 Zuken的接口，还可链 接到外部的设计流，从而支持 Hspice、 Pspice及Maxwell SPICE 实现精确的宽带电 路仿真。 自动化 ： HFSS能进行全面的全叁数化设计，从几何结构、材料特性到分析、控制及所有后处 理。 该软体强大的叁数化三维建模能力，和高性能的图形能力，大大节 省了工程师 的设计时间。 直观的分析设置和高级的分析控制确保在全自动化方式下获得设计师 所希望的设计结果。 利用 Optimetrics可自动实现最优化和叁数化扫瞄设计，且很 容易在桌面上同一项目树中直接访问进入。 在优化设计分析技术中增强了敏感性分 析和统计分析功能，其利用 HFSS叁数化分析能力自动设计分析制造公差带来的性能 变化。 用户化 ： HFSS有多个机制允许工程师们根据自己的需要去制作用户特定的设计流程。 视窗、 对话方块、工具栏、甚至菜单均可被用户通过配量缺省来支持个性化叁数定义。 使用者可通过主菜单 、工具栏、项目树和文本栏来灵活操作界面命令。 另外，通 过脚本语言 VB和 JavaScript全面控制 HFSS和专用化定制。 脚本也能支持强大的宏记 录，可以用来定义叁数化几何结构，执行用户分析流程或控制从开始到结束的整个 设计流程。 HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场 3D图和 3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、 Ludwig第三定义场分量和轴比。 Ansoft HFSS提供了一个直观、南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 易于使用、用于建立任意三维无源器件模型的界面。 创建一 个设计包括步骤如下： FileNew，然后点击 ProjectInsert HFSS Design，新建一个 Project。 HFSSSolution Type，设置解算类型，确定如何激励和收敛。 HFSS有三种解算类型，第一种是模式驱动，根据波导模式的入射和反射功率表示 S参数矩阵的解；第二种是终端驱动，根据传输线终端的电压和电流表示 S参数矩阵的解；第三种是本征模，求解物理结构的谐振频率以及这些谐振频率下的场模式。 创建互连结构模型。 HFSS拥有强大的全参数三维模型创建功能，简单的实体建模中，直接使用 HFSS中提供的基本图形即可。 在创建每一个基本结构单元时， HFSS都会提示确定其属性，默认的材料特性是真空。 指定平面设置边界条件（ HFSSBoundariesAssign）。 HFSS有多种边界条件，在高速 设计 中最常用的有，理想电边界表示电场垂直于表面。 理想磁边界是指电场方向与表面相切；；完美匹 配层边界用一种非实际的、阻抗与自由空间相匹配吸收层来模拟开放空间。 指定端口设置激励（ HFSSExcitationsAssign）。 HFSS主要有波端口和集 中 端口，而在高速设计中，使用波端口的情况比较多。 HFSS假定你定义的波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料，每个端口都是独立地激励并且在端口中每一个入射模式的平均功率为 1W，使用波端口可以计算特性阻抗、复传播常数和 S参数。 分析设置。 通过 HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup可以 进行自适应频率和收敛标准的设置，通过 HFSSAnalysis SetupAdd Sweep可以得到互连结构的扫频响应，通常选择插值扫频。 数据处理（ HFSSResults）。 HFSS具有功能强大又很灵活的数据管理和绘图能力，可以输出适合于 Matlab编程，后缀为 .m的 S/Y/Z矩阵参数文件。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 17 页 第 4 章 一种超宽带单极子天线的设计和研究 天线的设计 本次毕业设计任务是设计一个有两个对称臂的单极子天线，其设计要求是： ，小尺寸； ； 基础上通过添 加切口的方法来改变谐振频率点。 由于一个没有双臂的单极子天线特性在一定频率范围内一般只有一个谐振峰值，这明显不是超宽带天线，这时除了谐振频率范围内以外的回波损耗都 在 10dB 以上。 通过在单极子平面两侧添加两个臂，可使天线出现另一个峰值，并且通过添加和改变切口的尺寸，可以产生和调整新的谐振频率点，从而可以实现超宽带工作。 本章主要研究这种天线附加臂对天线性能的影响，着重分析切口尺寸所产生的影响。 天线的形状 天线形状如图 和图 所示，其中 …。 采用的介质基板是介电常数为、正切损耗为 的普通 PCB 板。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 18 页 图 天线正面 图 天线侧面 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 19 页 仿真模型的构建 在 HFSS 软件中构建天线的 3 维图形。 打开 HFSS，如图所示 图 HFSS 界面 点击菜单栏中的 ProjectInsert HFSS Design,建立一个新的工程。 在工程中，使用激励终端求解方式： (1) 在菜单栏中点击 HFSSSolution Type。 （ 2）如图 ，在弹出的 Soulution Type窗口中选择 Driven Modal,点击 OK按钮。 图 设置求解类型 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 20 页 在 菜单栏中点击 3D ModelerUnits，在图 ，然后点击OK按钮。 图 设置模型单位 开始绘制天线模型。 在菜单栏中点击 DrawRectangle,创建矩形模型。 在坐标栏中输入起始坐标： X:,Y:,Z: 按回车键。 在坐标栏中输入长、宽： dX： 8， dY： 按回车键 ,画出一个矩形 Rectangle1。 在菜单栏中点击 DrawRectangle,创建矩形模型。 在坐标栏中输入起始坐标： X:12,Y:0,Z: 按回车键。 在坐标栏中输入长、宽： dX： 8， dY： 按回车键 ,画出一个矩形 Rectangle2。 在 菜 单 栏 中 点 击 EditSelectBy Name,如图 所 示 ， 按 Ctrl选中Rectangle1和 Rectangle2，然后点击 OK。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 21 页 图 在菜单栏中点击 3D ModelerBooleanUnit。 将 Rectangle1和 Rectangle2合并成 Rectangle1。 在菜单栏中点击 EditSelectBy Name，选择 Rectangle1，点击 HFSSBoundariesAssignPerfect E。 将理想边界命名为 PerfE1，点击 OK确认。 如图。 图 可以用 ViewFit AllAll Views 来调整，将 3D模型调成合适的大小显示。 在菜单栏中点击 DrawLine,用闭合线段组成一个不规则的面。 输入坐标按回车键，坐标分别为 X： ,Y： 0,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y：,Z： 0； X： ,Y： 27,Z： 0； X： ,Y： 27,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0；X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y：30,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： ,Z：0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： 27,Z： 0； X： ,Y：27,Z： 0；。