(完整word版)实验一 半波振子天线仿真设计

实验一 半波振子天线仿真设计

一、实验目的：

1、 熟悉HFSS 软件设计天线的基本方法；

2、 利用HFSS 软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理；

3、 通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。

二、预习要求

1、 熟悉天线的理论知识。

2、 熟悉天线设计的理论知识。

三、实验原理与参考电路 3.1天线介绍

天线的定义：用来辐射和接收无线电波的装置。天线的作用：将电磁波能量转换为导波能量，或将导波能量转换为电磁波能量。 3.1.1天线的基本功能

天线应尽可能多的将导波能量转变为电磁波能量，要求天线是一个良好的开放系统，其次要与发射机(或接收机)良好匹配;

（1）、 天线应使电磁波能量尽量集中于需要的方向， （2）、 对来波有最大的接收;

（3）、 天线应有适当的极化，以便于发射或接收规定极化的电磁波; （4）、 天线应有只够的工作带宽; 3.1.2天线的分类

（1）、 按用途分：通信天线、广播电视天线、雷达天线等;

（2）、 按工作波长分：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等; （3）、 按辐射元分：线天线和面天线; 3.1.3天线的技术指标

大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及

定向辐射的能力。

（1） 天线方向图及其有关参数

所谓方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强 (归一化模值)随方向变化的曲线图。如图1所示。若天线辐射的电场

强度为E (r ,θ,φ)，把电场强度（绝对值）写成 60(,,(,)

I E r f r

θ?θ?=式式中I 为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流I m 作为归算电流；

f (θ,φ)为场强方向函数。因此，方向函数可定义为

(,,)

(,)260/E r f I r

θ?θ?=

式

为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数， 用F (θ,φ)表示，即

max max

(,)(,)(,)3

(,)E f F f E θ?θ?θ?θ?==

式图1 方向图球坐标系

式中，f max (θ,φ)为方向函数的最大值；E max 为最大辐射方向上的电场强度;E (θ,φ)为同一距离(θ,φ)方向上的电场强度。

通常采用两个互相垂直的平面方向图来表示。 （A ） E 平面

所谓E 平面就是电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面； （B ） H 平面

所谓H 平面就是磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。

实际天线的方向图要比电基本振子的复杂，通常有多个波瓣，它可细分为主瓣、副瓣和后瓣，如图2所示。用来描述方向图的参数通常有：

图2 天线方向图的一般形状

（A ）零功率点波瓣宽度（Beam Widthbetween FirstNulls,BWFN)2θ0E 或2θ0H (下标E 、H 表示E 、H 面，下同）：指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。

后

（B ）半功率点波瓣宽度（HalfPower Beam Width, HPBW ）2θ0.5E 或2θ0.5H :指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的一半）的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度。

（C ）副瓣电平（Side Lobe Lever,SLL ）:指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示，即

（D ）前后比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比，通常也用分贝表示。 （2）方向系数

方向系数的定义是：在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度S max （或场强|E max |2的平方）和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S 0（或场强|E 0|2的平方）之比，记为D 。用公式表示如下： 式中P r 、P r0分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线本身的方向系数为1。 （3）天线效率

天线效率定义为天线辐射功率P r 与输入功率P in 之比，记为ηA ，即

辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为

类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率P l 与损耗电阻R l 联系起来，即

R l 是归算于电流I 的损耗电阻，这样

一般来讲，损耗电阻的计算是比较困难的，但可由实验确定。从式9可以看出，若要提高天线效率,必须尽可能地减小损耗电阻和提高辐射电阻。

通常，超短波和微波天线的效率很高，接近于1。

值得提出的是，这里定义的天线效率并未包含天线与传输线失配引起的反射损失，考虑到天线输入端的电压反射系数为Γ，则天线的总效率为

η=(1-|Γ|2)ηA 式10

（4）增益系数

增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度S max (或场强|E max |2的平方）和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S 0（或场强|E 0|2的平方）之比，记为G 。用公式表示如下：

,max2max2,max max 10lg

20lg

4

av av S

E

SLL dB S

E

==式2

max max

2

05r ro r ro P P P P E S D S E ====式6r A in

P P η=式2172

r r P I R =式218

2

l l P I R =式9r r A r l r l

P R P P R R η==++式002max max

2

11in in in in P P P P E S G S E ====式

式中P in 、P in0分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线本身的增益系数为1。

考虑到效率的定义，在有耗情况下，功率密度为无耗时的ηA 倍，式11可改写为

由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。在实际中，天线的最大增益系数是比方向系数更为重要的电参量，即使它们密切相关。 （5）天线的极化

天线的极化(Polarization)是指该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。

所谓辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。就圆极化而言，一般规定：若手的拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量的旋转方向，这时若电场矢量端点的旋转方向与传播方向符合右手螺旋，则为右旋圆极化，若符合左手螺旋，则为左旋圆极化。

（6）输入阻抗与辐射阻抗

天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配问题。天线与传输线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗(Input Resistance)，即天线的输入阻抗Z in 为天线的输入端电压与电流之比：

其中，R in 、X in 分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。

有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，而无功功率则驻存在近区中。天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及周围环境的影响。输入阻抗的计算是比较困难的，因为它需要准确地知道天线上的激励电流。除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。 （7）频带宽度

天线的所有电参数都和工作频率有关。当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度(Bandwidth)。根据天线设备系统的工作场合不同，影响天线频带宽度的主要电参数也不同。

根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为f max ，最低工作频率为f min ，对于窄频带天线，常用相对带宽，即［(f max -f min )/f 0］×100%来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，即f max /f min 来表示其频带宽度。

通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线，例如引向天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如螺旋天线；绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。 3.2对称振子

如图2所示，对称振子(Symmetrical Center ―Fed Dipole)是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a ，长度为l 。两臂之间的间隙很小，理论上可忽略不计，所以振子的总长度L=2l 。对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。

图2 对称振子结构及坐标图

00max max 00

12in in r r A P P P P A S S

G D S S ηη=====式13in in in in in

U Z R jX I ==+式

3.2.1 电流分布

若想分析对称振子的辐射特性，必须首先知道它的电流分布。为了精确地求解对称振子的电流分布，需要采用数值分析方法，但计算比较麻烦。实际上，细对称振子天线可以看成是由末端开路的传输线张开形成，理论和实验都已证实，细对称振子的电流分布与末端开路线上的电流分布相似，即非常接近于正弦驻波分布，若取图2的坐标，并忽略振子损耗，则其形式为

式中，I m 为电流波腹点的复振幅；k=2π/λ=ω/c 为相移常数。根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心点对称；超过半波长就会出现反相电流。 3.2.2 对称振子的辐射场

确定了对称振子的电流分布以后，就可以计算它的辐射场。

欲计算对称振子的辐射场，可将对称振子分成无限多电流元，对称振子的辐射场就是所有电流元辐射场之和由于对称振子的辐射场与φ无关，而观察点P(r,θ)距对称振子足够远，因而每个电流元到观察点的射线近似平行，因而各电流元在观察点处产生的辐射场矢量方向也可被认为相同，和电基本振子一样，对称振子仍为线极化天线。 由理论得知：

此式说明，对称振子的辐射场仍为球面波；其极化方式仍为线极化；辐射场的方向性不仅与θ有关，也和振子的电长度有关。

根据方向函数的定义式5，对称振子以波腹电流归算的方向函数为

()cos(cos )cos()

()1660/sin m E kl kl f I r θθθθθ

-=

=

式

上式实际上也就是对称振子E 面的方向函数；在对称振子的H 面（θ=90°的xOy 面）上，方向

函数与φ无关，其方向图为圆。

在一定频率范围内工作的对称振子，为保持一定的方向性，一般要求最高工作频率时，l/λmin<0.7。

在所有对称振子中，半波振子(l=0.25λ,2l=0.5λ)最具有实用性，它广泛地应用于短波和超短波波段，它既可以作为独立天线使用，也可作为天线阵的阵元，还可用作微波波段天线的馈源。 将l =0.25λ代入式16可得半波振子的方向函数

sin ()0()sin ()14sin ()0

m m m I k l z z I z I k l z I k l z z -≥??=-=?+

m I kl kl E j e θθθλθ

--=式

()F θ=0

Ω

l / λ

图3 对称振子的方向系数与辐射电阻随一臂电长度变化的图形

其E 面波瓣宽度为78°。如图3所示，半波振子的辐射电阻为R r =73.1Ω,方向系数为D=1.64，比电基本振子的方向性稍强一点。 3.2.3 对称振子的输入阻抗 由于对称振子的实用性，因此必须知道它的输入阻抗，以便与传输线相连。计算天线输入阻抗时，其值对输入端的电流非常敏感，而对称振子的实际电流分布与理想正弦分布在输入端和波节处又有一定的差别，因此若仍然认为振子上的电流分布为正弦分布，对称振子输入阻抗的计算会有较大的误差。由对称振子平均阻抗的求法得到对称振子的平均特性阻抗为 由上式可知，振子越粗，Z 0A 就越小。Z 0A 就是与其对应的等效传输线的特性阻抗。

当振子足够粗时，振子上的电流分布除了在输入端及波节点处有区别之外，由于振子末端具有较大的端面电容，末端电流实际上不为零，使得振子的等效长度增加，相当于波长缩短。这种现象称为末端效应。显然,天线越粗，波长缩短现象愈严重。 3.3 HFSS 软件基本使用方法。

（1）、 软件的启动，双击HFSS 图标，或者从开始菜单打开程序中的HFSS 软件。 （2）、 创建一个project ，insert a design ，然后建模。 （3）、 点频输入，中心频率3GHz ，设置辐射边界。（满足天线远区公式kr>>1）

图4 HFSS 建模的半波振子天线

其中是中心馈电，激励选择为cab 的上半平面，设置为waveport 。

（4）、 运行程序Analysis ，设置辐射球，从result 中输出E 面、H 面、立体方向图，增益等结果。

图5 参考立体方向图

（5）、 根据软件设计的结果和理论分析结果比较。

四、实验内容：

1、 设计一个中心频率为3GHz 的半波振子天线基本结构。

2、 使用HFSS 软件建模，并选取合适的参数，并对其参数进行优化仿真。

3、 根据软件设计的结果和理论分析结果比较。

00012()120(ln 1)18l A l

Z Z z dz l a

==-?

式

五、实验报告要求

1、写清学号、姓名、班级及实验名称；

2、写出半波振子天线参数的设计过程。

3、简略写出在HFSS仿真中步骤及运行结果，附上输出图形。

4、根据软件设计的结果和理论分析结果比较,并分析给出一定的结论。

5、写出实验体会。

六、思考题

1、天线的基本功能是什么？

2、半波振子天线的工作原理是什么，它的方向系数是多少，为什么有波长缩短的现象？

3、辐射边界如何选取？

七、注意事项

八、实验元器件、仪器、仪表

1、PC；

2、HFSS仿真软件。