實驗一-半波振子天線仿真設(shè)計

實驗一半波振子天線仿真設(shè)計實驗目的：熟悉HFSS軟件設(shè)計天線的根本方法；利用HFSS軟件仿真設(shè)計以了解半波振子天線的結(jié)構(gòu)和工作原理；通過仿真設(shè)計掌握天線的根本參數(shù)：頻率、方向圖、增益等。預習要求熟悉天線的理論知識。熟悉天線設(shè)計的理論知識。實驗原理與參考電路3.1天線介紹天線的定義：用來輻射和接收無線電波的裝置。天線的作用：將電磁波能量轉(zhuǎn)換為導波能量，或?qū)Р芰哭D(zhuǎn)換為電磁波能量。3.1.1天線的根本功能天線應(yīng)盡可能多的將導波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰浚筇炀€是一個良好的開放系統(tǒng)，其次要與發(fā)射機(或接收機)良好匹配;天線應(yīng)使電磁波能量盡量集中于需要的方向，對來波有最大的接收;天線應(yīng)有適當?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天線的分類按用途分：通信天線、播送電視天線、雷達天線等;按工作波長分：長波天線、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)指標大多數(shù)天線電參數(shù)是針對發(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，輻射場的相對場強(歸一化模值)隨方向變化的曲線圖。如圖1所示。假設(shè)天線輻射的電場強度為E(r,θ,φ)，把電場強度〔絕對值〕寫成式中I為歸算電流，對于駐波天線，通常取波腹電流Im作為歸算電流；f(θ,φ)為場強方向函數(shù)。因此，方向函數(shù)可定義為圖1方向圖球坐標系圖1方向圖球坐標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強度;E(θ,φ)為同一距離(θ,φ)方向上的電場強度。通常采用兩個互相垂直的平面方向圖來表示。〔A〕E平面所謂E平面就是電場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面；〔B〕H平面所謂H平面就是磁場強度矢量所在并包含最大輻射方向的平面。實際天線的方向圖要比電根本振子的復雜，通常有多個波瓣，它可細分為主瓣、副瓣和后瓣，如圖2所示。用來描述方向圖的參數(shù)通常有：圖2天線方向圖的一般形狀〔A〕零功率點波瓣寬度〔BeamWidthbetweenFirstNulls,BWFN)2θ0E或2θ0H(下標E、H表示E、H面，下同〕：指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角。〔B〕半功率點波瓣寬度〔HalfPowerBeamWidth,HPBW〕2θ0.5E或2θ0.5H:指主瓣最大值兩邊場強等于最大值的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。〔C〕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?！?〕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〔或場強|Emax|2的平方〕和無方向性天線(點源)的輻射功率密度S0〔或場強|E0|2的平方〕之比，記為D。用公式表示如下：式中Pr、Pr0分別為實際天線和無方向性天線的輻射功率。無方向性天線本身的方向系數(shù)為1。〔3〕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，即Rl是歸算于電流I的損耗電阻，這樣一般來講，損耗電阻的計算是比較困難的，但可由實驗確定。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(或場強|Emax|2的平方〕和理想無方向性天線(理想點源)的輻射功率密度S0〔或場強|E0|2的平方〕之比，記為G。用公式表示如下：式中Pin、Pin0分別為實際天線和理想無方向性天線的輸入功率。理想無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，功率密度為無耗時的ηA倍，式11可改寫為由此可見，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區(qū)輻射電場的空間取向。一般而言，特指為該天線在最大輻射方向上的電場的空間取向。實際上，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。所謂輻射場的極化，即在空間某一固定位置上電場矢量端點隨時間運動的軌跡，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，四指彎向電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向，這時假設(shè)電場矢量端點的旋轉(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傳輸線與發(fā)射機相連，天線作為傳輸線的負載，與傳輸線之間存在阻抗匹配問題。天線與傳輸線的連接處稱為天線的輸入端，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，它們分別對應(yīng)有功功率和無功功率。有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，而無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)、工作頻率以及周圍環(huán)境的影響。輸入阻抗的計算是比較困難的，因為它需要準確地知道天線上的鼓勵電流。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算或?qū)嶒灉y定?！?〕頻帶寬度天線的所有電參數(shù)都和工作頻率有關(guān)。當工作頻率變化時，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時對應(yīng)的頻率范圍稱為頻帶寬度(Bandwidth)。根據(jù)天線設(shè)備系統(tǒng)的工作場合不同，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，對于窄頻帶天線，常用相對帶寬，即［(fmax-fmin)/f0］×100%來表示其頻帶寬度。而對于超寬頻帶天線，常用絕對帶寬，即fmax/fmin來表示其頻帶寬度。通常，相對帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線，例如引向天線；相對帶寬達百分之幾十的為寬頻帶天線，例如螺旋天線；絕對帶寬可到達幾個倍頻程的稱為超寬頻帶天線，例如對數(shù)周期天線。3.2對稱振子如圖2所示，對稱振子(SymmetricalCenter―FedDipole)是中間饋電，其兩臂由兩段等長導線構(gòu)成的振子天線。一臂的導線半徑為a，長度為l。兩臂之間的間隙很小，理論上可忽略不計，所以振子的總長度L=2l。對稱振子的長度與波長相比較，本身已可以構(gòu)成實用天線。圖2對稱振子結(jié)構(gòu)及坐標圖3.2.1電流分布假設(shè)想分析對稱振子的輻射特性，必須首先知道它的電流分布。為了精確地求解對稱振子的電流分布，需要采用數(shù)值分析方法，但計算比較麻煩。實際上，細對稱振子天線可以看成是由末端開路的傳輸線張開形成，理論和實驗都已證實，細對稱振子的電流分布與末端開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，并忽略振子損耗，那么其形式為式中，Im為電流波腹點的復振幅；k=2π/λ=ω/c為相移常數(shù)。根據(jù)正弦分布的特點，對稱振子的末端為電流的波節(jié)點；電流分布關(guān)于振子的中心點對稱；超過半波長就會出現(xiàn)反相電流。3.2.2對稱振子的輻射場確定了對稱振子的電流分布以后，就可以計算它的輻射場。欲計算對稱振子的輻射場，可將對稱振子分成無限多電流元，對稱振子的輻射場就是所有電流元輻射場之和由于對稱振子的輻射場與φ無關(guān)，而觀察點P(r,θ)距對稱振子足夠遠，因而每個電流元到觀察點的射線近似平行，因而各電流元在觀察點處產(chǎn)生的輻射場矢量方向也可被認為相同，和電根本振子一樣，對稱振子仍為線極化天線。由理論得知：此式說明，對稱振子的輻射場仍為球面波；其極化方式仍為線極化；輻射場的方向性不僅與θ有關(guān)，也和振子的電長度有關(guān)。根據(jù)方向函數(shù)的定義式5，對稱振子以波腹電流歸算的方向函數(shù)為上式實際上也就是對稱振子E面的方向函數(shù)；在對稱振子的H面〔θ=90°的xOy面〕上，方向函數(shù)與φ無關(guān)，其方向圖為圓。在一定頻率范圍內(nèi)工作的對稱振子，為保持一定的方向性，一般要求最高工作頻率時，l/λmin<0.7。在所有對稱振子中，半波振子(l=0.25λ,2l=0.5λ)最具有實用性，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對稱振子的方向系數(shù)與輻射電阻隨一臂電長度變化的圖形其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一點。3.2.3對稱振子的輸入阻抗由于對稱振子的實用性，因此必須知道它的輸入阻抗，以便與傳輸線相連。計算天線輸入阻抗時，其值對輸入端的電流非常敏感，而對稱振子的實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)仍然認為振子上的電流分布為正弦分布，對稱振子輸入阻抗的計算會有較大的誤差。由對稱振子平均阻抗的求法得到對稱振子的平均特性阻抗為由上式可知，振子越粗，Z0A就越小。Z0A就是與其對應(yīng)的等效傳輸線的特性阻抗。當振子足夠粗時，振子上的電流分布除了在輸入端及波節(jié)點處有區(qū)別之外，由于振子末端具有較大的端面電容，末端電流實際上不為零，使得振子的等效長度增加，相當于波長縮短。這種現(xiàn)象稱為末端效應(yīng)。顯然,天線越粗，波長縮短現(xiàn)象愈嚴重。3.3HFSS軟件根本使用方法。軟件的啟動，雙擊HFSS圖標，或者從開始菜單翻開程序中的HFSS軟件。創(chuàng)立一個project，insertadesign，然后建模。點頻輸入，中心頻率3GHz，設(shè)置輻射邊界。〔滿足天線遠區(qū)公式kr>>1〕圖4HFSS建模的半波振子天線其中是中心饋電，鼓勵選擇為cab的上半平面，設(shè)置為waveport。運行程序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)計的結(jié)果和理論分析結(jié)果比較。實驗內(nèi)容：設(shè)計一個中心頻率為3GHz的半波振子天線根本結(jié)構(gòu)。使用HF