實(shí)驗(yàn)一-半波振子天線仿真設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)一半波振子天線仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜FSS軟件設(shè)計(jì)天線的根本方法；利用HFSS軟件仿真設(shè)計(jì)以了解半波振子天線的結(jié)構(gòu)和工作原理；通過(guò)仿真設(shè)計(jì)掌握天線的根本參數(shù)：頻率、方向圖、增益等。預(yù)習(xí)要求熟悉天線的理論知識(shí)。熟悉天線設(shè)計(jì)的理論知識(shí)。實(shí)驗(yàn)原理與參考電路3.1天線介紹天線的定義：用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置。天線的作用：將電磁波能量轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，或?qū)?dǎo)波能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量。3.1.1天線的根本功能天線應(yīng)盡可能多的將導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰浚筇炀€是一個(gè)良好的開(kāi)放系統(tǒng)，其次要與發(fā)射機(jī)(或接收機(jī))良好匹配;天線應(yīng)使電磁波能量盡量集中于需要的方向，對(duì)來(lái)波有最大的接收;天線應(yīng)有適當(dāng)?shù)臉O化，以便于發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波;天線應(yīng)有只夠的工作帶寬;3.1.2天線的分類(lèi)按用途分：通信天線、播送電視天線、雷達(dá)天線等;按工作波長(zhǎng)分：長(zhǎng)波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等;按輻射元分：線天線和面天線;3.1.3天線的技術(shù)指標(biāo)大多數(shù)天線電參數(shù)是針對(duì)發(fā)射狀態(tài)規(guī)定的，以衡量天線把高頻電流能量轉(zhuǎn)變成空間電波能量以及定向輻射的能力。天線方向圖及其有關(guān)參數(shù)所謂方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)(歸一化模值)隨方向變化的曲線圖。如圖1所示。假設(shè)天線輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為E(r,θ,φ)，把電場(chǎng)強(qiáng)度〔絕對(duì)值〕寫(xiě)成式中I為歸算電流，對(duì)于駐波天線，通常取波腹電流Im作為歸算電流；f(θ,φ)為場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。因此，方向函數(shù)可定義為圖1方向圖球坐標(biāo)系圖1方向圖球坐標(biāo)系為了便于比較不同天線的方向性，常采用歸一化方向函數(shù)，用F(θ,φ)表示，即式中，fmax(θ,φ)為方向函數(shù)的最大值；Emax為最大輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度;E(θ,φ)為同一距離(θ,φ)方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。通常采用兩個(gè)互相垂直的平面方向圖來(lái)表示?！睞〕E平面所謂E平面就是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面；〔B〕H平面所謂H平面就是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。實(shí)際天線的方向圖要比電根本振子的復(fù)雜，通常有多個(gè)波瓣，它可細(xì)分為主瓣、副瓣和后瓣，如圖2所示。用來(lái)描述方向圖的參數(shù)通常有：圖2天線方向圖的一般形狀〔A〕零功率點(diǎn)波瓣寬度〔BeamWidthbetweenFirstNulls,BWFN)2θ0E或2θ0H(下標(biāo)E、H表示E、H面，下同〕：指主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角?！睟〕半功率點(diǎn)波瓣寬度〔HalfPowerBeamWidth,HPBW〕2θ0.5E或2θ0.5H:指主瓣最大值兩邊場(chǎng)強(qiáng)等于最大值的0.707倍〔或等于最大功率密度的一半〕的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度?！睠〕副瓣電平〔SideLobeLever,SLL〕:指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般以分貝表示，即〔D〕前后比:指主瓣最大值與后瓣最大值之比，通常也用分貝表示。〔2〕方向系數(shù)方向系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輻射功率的條件下,某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax〔或場(chǎng)強(qiáng)|Emax|2的平方〕和無(wú)方向性天線(點(diǎn)源)的輻射功率密度S0〔或場(chǎng)強(qiáng)|E0|2的平方〕之比，記為D。用公式表示如下：式中Pr、Pr0分別為實(shí)際天線和無(wú)方向性天線的輻射功率。無(wú)方向性天線本身的方向系數(shù)為1?！?〕天線效率天線效率定義為天線輻射功率Pr與輸入功率Pin之比，記為ηA，即輻射功率與輻射電阻之間的聯(lián)系公式為類(lèi)似于輻射功率和輻射電阻之間的關(guān)系，也可將損耗功率Pl與損耗電阻Rl聯(lián)系起來(lái)，即Rl是歸算于電流I的損耗電阻，這樣一般來(lái)講，損耗電阻的計(jì)算是比較困難的，但可由實(shí)驗(yàn)確定。從式9可以看出，假設(shè)要提高天線效率,必須盡可能地減小損耗電阻和提高輻射電阻。通常，超短波和微波天線的效率很高，接近于1。值得提出的是，這里定義的天線效率并未包含天線與傳輸線失配引起的反射損失，考慮到天線輸入端的電壓反射系數(shù)為Γ，那么天線的總效率為η=(1-|Γ|2)ηA式10〔4〕增益系數(shù)增益系數(shù)的定義是：在同一距離及相同輸入功率的條件下,某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax(或場(chǎng)強(qiáng)|Emax|2的平方〕和理想無(wú)方向性天線(理想點(diǎn)源)的輻射功率密度S0〔或場(chǎng)強(qiáng)|E0|2的平方〕之比，記為G。用公式表示如下：式中Pin、Pin0分別為實(shí)際天線和理想無(wú)方向性天線的輸入功率。理想無(wú)方向性天線本身的增益系數(shù)為1。考慮到效率的定義，在有耗情況下，功率密度為無(wú)耗時(shí)的ηA倍，式11可改寫(xiě)為由此可見(jiàn)，增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積。在實(shí)際中，天線的最大增益系數(shù)是比方向系數(shù)更為重要的電參量，即使它們密切相關(guān)。〔5〕天線的極化天線的極化(Polarization)是指該天線在給定方向上遠(yuǎn)區(qū)輻射電場(chǎng)的空間取向。一般而言，特指為該天線在最大輻射方向上的電場(chǎng)的空間取向。實(shí)際上，天線的極化隨著偏離最大輻射方向而改變，天線不同輻射方向可以有不同的極化。所謂輻射場(chǎng)的極化，即在空間某一固定位置上電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡，按其軌跡的形狀可分為線極化、圓極化和橢圓極化，其中圓極化還可以根據(jù)其旋轉(zhuǎn)方向分為右旋圓極化和左旋圓極化。就圓極化而言，一般規(guī)定：假設(shè)手的拇指朝向波的傳播方向，四指彎向電場(chǎng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向，這時(shí)假設(shè)電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)方向與傳播方向符合右手螺旋，那么為右旋圓極化，假設(shè)符合左手螺旋，那么為左旋圓極化?！?〕輸入阻抗與輻射阻抗天線通過(guò)傳輸線與發(fā)射機(jī)相連，天線作為傳輸線的負(fù)載，與傳輸線之間存在阻抗匹配問(wèn)題。天線與傳輸線的連接處稱(chēng)為天線的輸入端，天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗(InputResistance)，即天線的輸入阻抗Zin為天線的輸入端電壓與電流之比：其中，Rin、Xin分別為輸入電阻和輸入電抗，它們分別對(duì)應(yīng)有功功率和無(wú)功功率。有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，而無(wú)功功率那么駐存在近區(qū)中。天線的輸入阻抗決定于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率以及周?chē)h(huán)境的影響。輸入阻抗的計(jì)算是比較困難的，因?yàn)樗枰獪?zhǔn)確地知道天線上的鼓勵(lì)電流。除了少數(shù)天線外，大多數(shù)天線的輸入阻抗在工程中采用近似計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定?！?〕頻帶寬度天線的所有電參數(shù)都和工作頻率有關(guān)。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱(chēng)為頻帶寬度(Bandwidth)。根據(jù)天線設(shè)備系統(tǒng)的工作場(chǎng)合不同，影響天線頻帶寬度的主要電參數(shù)也不同。根據(jù)頻帶寬度的不同，可以把天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。假設(shè)天線的最高工作頻率為fmax，最低工作頻率為fmin，對(duì)于窄頻帶天線，常用相對(duì)帶寬，即［(fmax-fmin)/f0］×100%來(lái)表示其頻帶寬度。而對(duì)于超寬頻帶天線，常用絕對(duì)帶寬，即fmax/fmin來(lái)表示其頻帶寬度。通常，相對(duì)帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線，例如引向天線；相對(duì)帶寬達(dá)百分之幾十的為寬頻帶天線，例如螺旋天線；絕對(duì)帶寬可到達(dá)幾個(gè)倍頻程的稱(chēng)為超寬頻帶天線，例如對(duì)數(shù)周期天線。3.2對(duì)稱(chēng)振子如圖2所示，對(duì)稱(chēng)振子(SymmetricalCenter―FedDipole)是中間饋電，其兩臂由兩段等長(zhǎng)導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為a，長(zhǎng)度為l。兩臂之間的間隙很小，理論上可忽略不計(jì)，所以振子的總長(zhǎng)度L=2l。對(duì)稱(chēng)振子的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相比較，本身已可以構(gòu)成實(shí)用天線。圖2對(duì)稱(chēng)振子結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)圖3.2.1電流分布假設(shè)想分析對(duì)稱(chēng)振子的輻射特性，必須首先知道它的電流分布。為了精確地求解對(duì)稱(chēng)振子的電流分布，需要采用數(shù)值分析方法，但計(jì)算比較麻煩。實(shí)際上，細(xì)對(duì)稱(chēng)振子天線可以看成是由末端開(kāi)路的傳輸線張開(kāi)形成，理論和實(shí)驗(yàn)都已證實(shí)，細(xì)對(duì)稱(chēng)振子的電流分布與末端開(kāi)路線上的電流分布相似，即非常接近于正弦駐波分布，假設(shè)取圖2的坐標(biāo)，并忽略振子損耗，那么其形式為式中，Im為電流波腹點(diǎn)的復(fù)振幅；k=2π/λ=ω/c為相移常數(shù)。根據(jù)正弦分布的特點(diǎn)，對(duì)稱(chēng)振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn)；電流分布關(guān)于振子的中心點(diǎn)對(duì)稱(chēng)；超過(guò)半波長(zhǎng)就會(huì)出現(xiàn)反相電流。3.2.2對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)確定了對(duì)稱(chēng)振子的電流分布以后，就可以計(jì)算它的輻射場(chǎng)。欲計(jì)算對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)，可將對(duì)稱(chēng)振子分成無(wú)限多電流元，對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)就是所有電流元輻射場(chǎng)之和由于對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)與φ無(wú)關(guān)，而觀察點(diǎn)P(r,θ)距對(duì)稱(chēng)振子足夠遠(yuǎn)，因而每個(gè)電流元到觀察點(diǎn)的射線近似平行，因而各電流元在觀察點(diǎn)處產(chǎn)生的輻射場(chǎng)矢量方向也可被認(rèn)為相同，和電根本振子一樣，對(duì)稱(chēng)振子仍為線極化天線。由理論得知：此式說(shuō)明，對(duì)稱(chēng)振子的輻射場(chǎng)仍為球面波；其極化方式仍為線極化；輻射場(chǎng)的方向性不僅與θ有關(guān)，也和振子的電長(zhǎng)度有關(guān)。根據(jù)方向函數(shù)的定義式5，對(duì)稱(chēng)振子以波腹電流歸算的方向函數(shù)為上式實(shí)際上也就是對(duì)稱(chēng)振子E面的方向函數(shù)；在對(duì)稱(chēng)振子的H面〔θ=90°的xOy面〕上，方向函數(shù)與φ無(wú)關(guān)，其方向圖為圓。在一定頻率范圍內(nèi)工作的對(duì)稱(chēng)振子，為保持一定的方向性，一般要求最高工作頻率時(shí)，l/λmin<0.7。在所有對(duì)稱(chēng)振子中，半波振子(l=0.25λ,2l=0.5λ)最具有實(shí)用性，它廣泛地應(yīng)用于短波和超短波波段，它既可以作為獨(dú)立天線使用，也可作為天線陣的陣元，還可用作微波波段天線的饋源。將l=0.25λ代入式16可得半波振子的方向函數(shù)圖3對(duì)稱(chēng)振子的方向系數(shù)與輻射電阻隨一臂電長(zhǎng)度變化的圖形其E面波瓣寬度為78°。如圖3所示，半波振子的輻射電阻為Rr=73.1Ω,方向系數(shù)為D=1.64，比電根本振子的方向性稍強(qiáng)一點(diǎn)。3.2.3對(duì)稱(chēng)振子的輸入阻抗由于對(duì)稱(chēng)振子的實(shí)用性，因此必須知道它的輸入阻抗，以便與傳輸線相連。計(jì)算天線輸入阻抗時(shí)，其值對(duì)輸入端的電流非常敏感，而對(duì)稱(chēng)振子的實(shí)際電流分布與理想正弦分布在輸入端和波節(jié)處又有一定的差異，因此假設(shè)仍然認(rèn)為振子上的電流分布為正弦分布，對(duì)稱(chēng)振子輸入阻抗的計(jì)算會(huì)有較大的誤差。由對(duì)稱(chēng)振子平均阻抗的求法得到對(duì)稱(chēng)振子的平均特性阻抗為由上式可知，振子越粗，Z0A就越小。Z0A就是與其對(duì)應(yīng)的等效傳輸線的特性阻抗。當(dāng)振子足夠粗時(shí)，振子上的電流分布除了在輸入端及波節(jié)點(diǎn)處有區(qū)別之外，由于振子末端具有較大的端面電容，末端電流實(shí)際上不為零，使得振子的等效長(zhǎng)度增加，相當(dāng)于波長(zhǎng)縮短。這種現(xiàn)象稱(chēng)為末端效應(yīng)。顯然,天線越粗，波長(zhǎng)縮短現(xiàn)象愈嚴(yán)重。3.3HFSS軟件根本使用方法。軟件的啟動(dòng)，雙擊HFSS圖標(biāo)，或者從開(kāi)始菜單翻開(kāi)程序中的HFSS軟件。創(chuàng)立一個(gè)project，insertadesign，然后建模。點(diǎn)頻輸入，中心頻率3GHz，設(shè)置輻射邊界。〔滿(mǎn)足天線遠(yuǎn)區(qū)公式kr>>1〕圖4HFSS建模的半波振子天線其中是中心饋電，鼓勵(lì)選擇為cab的上半平面，設(shè)置為waveport。運(yùn)行程序Analysis，設(shè)置輻射球，從result中輸出E面、H面、立體方向圖，增益等結(jié)果。圖5參考立體方向圖根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果和理論分析結(jié)果比較。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為3GHz的半波振子天線根本結(jié)構(gòu)。使用HF