套筒天线的电磁特性分析

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1、 装 订 线 摘 要 在现代化通信和遥感系统中，套筒天线因其频带宽、高增益、结构简单、 馈电容易、方位面全向、纵向尺寸小等优点，得到了较为广泛的应用。套筒天 线的理论研究日益受到人们的重视，本文对安装在有限圆盘的套筒天线进行了 分析。 本文首先介绍了电磁辐射理论，接着详细介绍了计算电磁辐射的一种重要 方法矩量法，然后对套筒天线原型单极子天线进行研究，着重介绍了将基 于频域的矩量法应用于套筒天线，计算出电流数据。并在基于有限元法的商业 软件 HFSS 内建立套筒模型，设计了一款驻波比小于 2、频率范围在 100MHz 到 250MHz 的天线。对比两种方法计算结果，其结果大致吻合，由此得到套筒

2、天线的增益方向图，通过此方向图可以计算天线的各项指标。 关键词关键词： 矩量法 套筒天线 HFSS 装 订 线 Abstract In modern communication and remote sensing system, the sleeve antenna has been widely used because of its advantages such as frequency bandwidth, high gain, simple structure, easy feeding, omni azimuth and small longitudinal size. The

3、theoretical research of the sleeve antenna has been paid more and more attention, and the analysis of the sleeve antenna installed on the finite disk is made. This paper first introduces the theory of electromagnetic radiation, and then introduces in detail an important method of calculating electro

4、magnetic radiation- moment method, and then the sleeve antenna prototype-monopole antenna research, focusing on the application of the frequency-domain method based on the rectangular antenna, the calculation of current data. In this paper, a sleeve model is built in the commercial software HFSS bas

5、ed on the finite element method, and a antennas with a standing wave ratio of less than 2 and a frequency range of 100MHz to 250MHz are designed. By comparing the results of the two methods, the gain direction of the sleeve antenna is obtained, and the parameters of the antenna can be calculated by

6、this direction map. key words： the Method of Moments Sleeve antenna HFSS. 目录 第一章 绪论.1 装 订 线 第二章 电磁辐射理论基础.3 2.1 电磁场的基本方程麦克斯韦方程组.3 2.2 位函数 4 2.3 格林函数 4 2.4 电磁辐射理论 5 2.5 唯一性定理和镜像原理 6 2.5.1 唯一性定理.6 2.5.2 镜像定理.6 2.6 天线的基本概念 6 第三章 矩量法.10 3.1 概述 10 3.2 矩量法的步骤 10 3.3 矩量法的数学基础-加权余量法 10 3.4 基函数的选取 11 n f 3.5

7、权函数的选取 .12 m 3.5 矩量法的误差分析和发展 13 第四章 对单极子天线的研究.15 4.1 单极子天线的数学模型和波克林顿积分方程 15 4.1.1 矢势方程.15 4.1.2 任意形状截面柱形天线的波克林顿积分方程.16 4.1.3 单极子天线波克林顿积分方程及其近似解17 4.2 计算仿真及结果 19 4.3 结论.20 第五章 套筒天线的研究.21 5.1 套筒天线的理论分析 21 5.2 通过MATLAB计算电流参数 .23 5.3 使用 HFSS 进行验证.25 结束语.28 谢词.29 参考文献.30 附件.31 装 订 线 第 0 页 第一章 绪论 随着现代通信技术

8、的迅猛发展, 无线通讯越来越广泛, 越来越多地应用于 国防建设、经济建设以及人民生活等领域。在无线通信系统中, 需要将来自发 射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转变为导波能量。用来辐射 或接收无线电波的装置称为天线。天线在无线通讯中有着极其重要的作用, 它 的性能的好坏直接影响到通讯质量的优劣。因此, 对天线辐射特性的研究有着 极其重要的作用。 天线的求解问题经常使用几种技术，通常来说这些技术可以分为实验、解 析和数值三大类。实验类方法通常是昂贵、费事、甚至是危险的。对于大多数 可以解析地求解的问题已经被求解了，直到 20 世纪 40 年代，才使用变量分离 法和积分方程求解了大多数

9、电磁问题。应用解析技术，需要高度的创新、经验 和努力，又由于几何结构的复杂性，这些问题的特点是要么解析解十分棘手， 要么是其解析解根本不存在，因此只能尽可能寻找其近似解。 随着高速计算机的出现，数值解得到极大的发展，数值解就是用过数值的 方法来逼近解析解。一种解决各种电磁场问题，包括天线的有效、恰当的计算 机仿真，由现代快速计算机技术和先进的数值分析技术组成。这种仿真技术能 使天线设计师在桌面上是目标天线更形象化；在许多情况下，可提供比实验室 更多的信息，且成本低，效率高。 对于各种数值计算方法。它们是将原连续数学模型转换成等价的离散数学 模型。取决于不同的数学内涵，目前在电磁场数值分析中常用

10、的数值计算方法 由：应用于微分方程型数学模型的有限差分法、有限元法和蒙特卡洛法。应用 于积分方程型数学模型的模拟电荷法、矩量法和边界元法，以及基于直接积分 运算关系式的数值积分等。此外，还有另类数值计算方法的互相组合，如微分 和积分组合型数学模型的单标量磁位法、双标量磁位法等，进一步拓展了数值 计算方法在工程实践中的应用。 其中，矩量法是分析各种电磁散射与辐射问题的一个重要方法。 Harrington 分别在 1968 年发表论文1之后，在电磁中应用矩量法变得普通起来。它的基 本思想是将一个积分或微分方程化为矩阵方程,即将积分或微分方程中待求函数 化为有限求和，从而建立代数方程, 然后通过求解

11、该矩阵方程，从而得的一个 误差最小的解。矩量法成功地应用于各种实际中人们感兴趣的电磁问题，例如 细导线元和阵列的辐射、散射问题、微带线和有耗结构的分析、非均匀土壤上 波的传播问题以及天线波束方向图等。 在现代化通信和测向系统中，需要宽频带的天线作为阵列单元，人们发现 仅仅通过在普通单极子天线的外面罩上一个接地的金属圆筒，就能极大地改善 单极子的工作特性，拓宽工作频带。因此套筒天线因其频带宽、高增益、结构 简单、馈电容易、方位面全向、纵向尺寸小等优点，具有广泛的应用前景。许 多学者对这种特殊的单极子天线作了大量的研究，King2首先对其进行理论分 装 订 线 第 1 页 析，之后 Taylor

12、使用一种复杂的变量技术对 King3的模型进行验证，并取得一 致的效果。由于他们对于套筒和单极子上的电流分布应用了镜像以及叠加理论， 并没有考虑振子和套筒半径的不连续性，因此，有一定的误差。 本文首先回顾了电磁辐射理论，介绍了基础电磁场知识、天线的基本参数。 再引入矩量法、对单极子天线的辐射特性进行研究，最后用首先采用基于频域 的矩量法，使用 MATLAB 计算得到电流分布，从而计算天线的驻波比（VSWR）, 辐射方向图。再借助商业软件建立同样的模型，得到结果基本一致，从而验证 了矩量法作为研究电磁问题的数值方法之一, 在分析天线的散射与辐射中能得 到较好的结果。 装 订 线 第 2 页 第二

13、章 电磁辐射理论基础 2.1 电磁场的基本方程麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组是宏观电磁场满足的总方程，真空或介质中的宏观电磁场 的麦克斯韦方程组为: t B E （2.1.1） t D JH （2.1.2） D （2.1.3） 0 B （2.1.4） 式中，为电场强度；为磁场强度；为电位移矢量；为体电流密度；EHDJ 为体电荷密度。 对于线性媒质 HB EJ ED （2.1.5） 式中， 、分别表示媒质的介电常数、电导率和磁导率。只有在线 性且各向同性媒质的情况才是简单的常数。麦克斯韦方程组描述了场源激发的 场的一般规律，为了全面分析电磁场，还需要电荷守恒定律 t J （2.1.6） 上式体现

14、了时变电荷和全电流之间的电流连续性关系，上式可由式J 2.1 中第二个和第三个推导得到。 图 2.1 两种媒质交界面 在电磁问题中要涉及不同参数媒质所构成的临边区域，把电磁场矢量、E 装 订 线 第 3 页 、在不同媒质分界面上各自满足的关系称为电磁场的边界条件。为DBH 了使得到的边界条件不受到坐标系的限制，可将场矢量在分界面上分解为与分 界面垂直的法向分量和平行于分界面的切向分量： 0 21 EnEn s JHnHn 21 （2.1.7） 21 DnDn 0 21 BnBn 式中，表示为分界面的单位法线矢量，方向从媒质 2 指向媒质 1；为面传n s J 导电流密度。 若媒质 2 为一个理想导体，理想导体的电导率为无穷大，则边界条件为 0 1 En s JHn 1 （2.1.8） 1 Dn 0 1 Bn 在分析电磁问题时，给予一定的激励，应用正确的边界条件，求解麦克斯 韦方程组。但通过直接求解微分方程或者积分方程不易求解。 2.2 位函数 在时变电磁场的情况下，通过引入辅助位函数来描述电磁场