实验五 对称振子天线的设计与仿真

实验五 对称振子天线的设计与仿真

一、实验目的

1. 设计一个对称振子天线

2. 查看并分析该对称振子天线的反射系数及远场增益方向

二、实验设备

装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台

三、实验原理

1、电流分布

对于从中心馈电的偶极子，其两端开路，故电流为零。工程上通常将其电流分布近似为正弦分布。

假设天线沿z 轴放置，其中心坐标位于坐标原点，如图所示，则长度为l 的偶极子天线的电流分布为：I(z)=Imsink(l-|z|)，其中Im 是波腹电流，k 波数。对半波偶极子而言l=λ/4.则半波偶极子的电流分布，可以写成：I(z)=Imsin（π/2-kz ）=Imcos（kz ）。

首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。

2、辐射场和方向图

已知半波偶极子天线上的电流分布，可以利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。

式中，

称为半波偶极子的方向性函数。

3、方向系数：

对称振子是中间馈电，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，长度为I 。两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=21。对称振子的长度与波长相比拟，本身己可以构成实用天线。在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布，忽略振子损耗。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店对称; 超过半波长 就会出现反相电流。在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)，长度为dz 的电流元件串联而成。利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。

四、实验内容

利用HFSS 软件设计一个近似理想导体平面的UHF 对称振子天线。

中心频率为0.55GHz ，采用同轴线馈电，并考虑平衡馈电的巴伦结构。最后得到反射系数和二维辐射远场仿真结果。

五、实验步骤

. 建立新工程

了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry复选框选中。

2. 将求解类型设置为激励求解类型：

（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。

（2）在弹出的Solution Type窗口中

(a)选择Driven Modal。

(b)点击OK 按钮。

3. 设置模型单位

（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。

（2）在设置单位窗口中选择：in 。

4. 设置模型的默认材料

在工具栏中设置模型的默认材料为copper 。

5. 创建对称振子模型

（1）创建ring_1。

创建圆柱ring_inner：中心在坐标原点，半径为0.31in ，高为5in ；创建圆柱ring_1: 中心在坐标原点，半径为0.37in, 高为5in ；用ring_1将ring_inner减去，使之成为一个圆环柱体。

（2）创建ring_2。

(a)Ctrl＋A 选中ring_1。

(b)在菜单栏中点击Edit>Copy。

(c)在菜单栏中点击Edit>Paste。

(d)在3D 模型的操作历史树中将ring_2的 CreateCylinder 半径改为0.5in ；

ring-inner1

的CreateCylinder 半径改为0.435in ，。

（3）创建Arm_1。

长方体的起始点位置坐标:X：-0.1，Y ：-0.31，Z ：5.0；长方体的X 、Y 、Z 三个方向尺寸：dX ：0.2，dY ：-4.69，dZ ：-0.065

（4）将已建立的模型组合起来。

将建立好的ring_1、ring_2及Arm_1组合成为一个模型。

（5）创建Centerpin ，即同轴线的内导体，半径为0.1inch ，高度为5.1inch 。

（6）创建对称振子的另一臂Arm_2。

长方体的起始点位置坐标：X ：-0.1，Y ：0.0，Z ：5.1；长方体的X 、Y 、Z 三个方向尺寸：dX ：0.2，dY ：5.0，dZ ：-0.065

（7）创建Groundingpin 。

圆柱中心点的坐标：X ：0.0，Y ：1.0，Z ：0.0；圆柱半径：dX ：0.0625，dY ：0.0，dZ ：0.0；圆柱的高度：dX ：0.0，dY ：0.0，dZ ：5.1

（8）将已建立的模型组合起来。

6. 创建波端口

（1）创建端口圆面模型，半径为0.31in 。

（2）设置波端口，并将该端口命名为p1

选择NewLine ，在坐标栏中输入:X：0.31，Y ：0.0，Z ：0.0；dX ：-0.21，dY ：0.0，dZ ：0.0

7. 创建辐射边界

（1）设置默认材料为真空（vacuum ）。

（2）创建Air 。

长方体的起始点位置坐标：X ：-5.0，Y ：-10.0，Z ：0.0；长方体X 、Y 、Z 三个方向的尺寸：dX ：10.0，dY ：20.0，dZ ：12.0

（3）设置辐射边界，将辐射边界命名为Rad1

8. 创建地板gnd_plane

9. 辐射场角度设置

在InfiniteSphere 标签中，做如下设置：

Name ：ff_2d

Phi ：（Start ：0，Stop ：90，StepSize ：90）

Theta ：（Start ：-180，Stop ：180，StepSize ：2）

10. 求解设置

（1）设置求解频率。

SolutionFrequency:0.55GHz

MaximumNumberofPasses:10

MaximumDeltaSperPass:0.02

（2）设置扫频。

SweepType:Fast

FrequencySetupType:LinearCount

Start:0.35GHz

Stop:0.75GHz

Count:401

11. 保存工程

12. 求解该工程

13. 后处理操作

（1）S 参数（反射系数）。

(a)绘制该问题的反射系数曲线，该问题为单端口问题，因此反射系数是S11。

(b)在Trace 窗口中做以下设置：

Solution:Setup1:Sweep1

Domain:Sweep

(c)点击Y 标签，选择：Category:Sparameter；Quantity:S(p1，p1) ；Function:dB，然后点击AddTrace 按钮。点击Done 按钮完成操作

（2）2D 辐射远场。

(a)在菜单栏中点击HFSS>Results>CreateReport。

(b)在创建报告对话框中做以下选择：

ReportType:FarFields

DisplayType:RadiationPattern

六、实验结果

仿真图如下：

对称阵子的反射系数曲线如下：

由上图可知，在天线的中心频率0.55GHz ，反射系数S_11约为-16.03dB 。转换成驻波比指标，ρ约为1.36，满足实验设计要求。

对称阵子的远场增益方向图如下：

由上图可知，由于理想导体平面的存在，存在水平角φ=0.90

时天线都被抬高了。最大

辐射方向出现在仰角θ=0处（正Z 方向），其增益约为8.1462dB 。

七、问题思考及小结

设计一个天线，无论是作为发射天线还是接收天线，我们都很关心其方向参数输入阻抗参数、增益参数、频带宽度等参数。这里也主要就上诉几个参数来讨论半波偶极子天线的优缺 点。

1、对阵子天线在轴向无辐射

2、对阵子天线的辐射与其电长度密切相关。当电长度小于0.5时，波瓣宽度最窄，在垂直与轴向的平面内辐射最强，随着电长度的增加，开始出现副瓣，主瓣宽度变宽，最大辐射方向发生偏移。

3、对阵子天线的输入阻抗受频率影响很剧烈，说明宽频带时其较难实现负载匹配，所以相对应的频带宽度也较窄。

4、在谐振频率附近时，天线的输入阻抗接近传输线的特性阻抗，实现匹配较易，而且在中心频率附近，电波的传输特性也最好，从而可以实现较大效率的功率传输。

5、通过对实验得到结果的分析，不难发现，对阵子天线的诸多特性与电长度关系很大，所以可以通过调整天线的电长度来实现不同功能和要求的对阵子天线应用。

6、半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。

通过本次HFSS 天线仿真实验，我更加深入的了解天线的结构、原理和用途。最开始在实验时由于粗心设置模拟单位时没有设置成in ，导致结果出不来，重新设置之后，问题解决。