实验三、 半波振子天线仿真设计

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1、实验三、半波振子天线仿真设计实验三、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

2、(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

3、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,),把电场强度(绝对值)写成 60( , ,( , )1IE rfr 式式中 I 为归算电流,对于驻波天线,通常取波腹电流 Im作为归算电流;f(,)为场强方向函数。因此,方向函数可定义为( , , )( , )260 /E rfI r 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(,)表示,即yzr Oxmaxmax( , )( , )( , )3( , )EfFfE 式图 1 方向图球坐标系式中,fmax(,)为方向函数的最大值;Emax为最大辐射方向上的电场强度

4、;E(,)为同一距离(,)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)20E或 20H(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。00.

5、502020.5(B)半功率点波瓣宽度(HalfPower Beam Width, HPBW)20.5E或 20.5H: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 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 Smax(或场强|Emax|2的平方)和无方向性天线(点源)的辐

6、射功率密度 S0(或场强|E0|2 的平方) 之比,记为 D。用公式表示如下:式中 Pr、Pr0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 天线效率定义为天线辐射功率 Pr与输入功率 Pin之比,记为 A,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 Pl与损耗电阻 Rl联系起来,即Rl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

7、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 ,则天线的总效率为=(1-|2)A 式 10(4)增益系数增益系数 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 Smax(或场强|Emax|2的平方)和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度 S0(或场强|E0|2的 平方)之比,记为 G。用公式表示如下:,max2max2,maxmax10lg20lg4avavSESLLdBSE式2 maxmax 2 005 rrorroPPPPESDSE式6r A inP P式2172rrPI

8、 R式2182llPI R式9rr A rlrlPR PPRR式002 maxmax 2 0011 ininininPPPPESGSE式式中 Pin、Pin0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 A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

9、。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

10、,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 Zin为天线的输入端电压与电流之比:其中,Rin、Xin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)频带宽度频带宽度天线的所有电参数都和工作频率有关

11、。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 fmax,最低工作频率为 fmin,对于窄频带天线,常用相对带宽,即(fmax-fmin)/f0100%来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线,常用绝对带宽,即 fmax/fmin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

12、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 对称振子对称振子 如图 2 所示,对称振子(Symmetrical CenterFed 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。 lOl2az00maxmax0012 ininrrA PPPPASSGDSS式13in ininin inUZRjXI式图 2 对称振子结构及坐标图 3.2.1 电流分布电流分布 若想分析对称振子的辐射特性,必须首先知道它的

13、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,Im为电流波腹点的复振幅;k=2/=/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

14、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 无关,而观察点 P(r,)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 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/sinmEklklfIr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(=

15、90的 xOy 面)上,方 向函数与 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/min1)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。00012( )120(ln1)18lAlZZz dzla式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。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。

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