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=/4.则半波偶极子的电流分布，可以写成：I(z)=Imsin（/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ToolOptionsHFSS 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HFSSSolution 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 ModelerUnits。（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)CtrlA选中ring_1。(b)在菜单栏中点击EditCopy。(c)在菜单栏中点击EditPaste。(d)在3D模型的操作历史树中将ring_2的 Create Cylinder半径改为0.5in； ring-inner1的Create Cylinder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Center pin，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Grounding pin。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New Line，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Rad18.创建地板gnd_plane9.辐射场角度设置在Infinite Sphere标签中，做如下设置：Name：ff_2dPhi：（Start：0，Stop：90，Step Size：90）Theta：（Start：-180，Stop：180，Step Size：2） 10.求解设置（1）设置求解频率。Solution Frequency:0.55GHzMaximum Number of Passes:10Maximum Delta S per Pass:0.02（2）设置扫频。Sweep Type:FastFrequency Setup Type:Linear CountStart:0.35GHzStop:0.75GHzCount:40111.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:Sweep1Domain:Sweep(c)点击Y标签，选择：Category:S parameter；Quantity:S(p1，p1)；Function:dB，然后点击Add Trace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HFSSResultsCreate Report。(b)在创建报告对话框中做以下选择：Report Type:Far FieldsDisplay Type:Radiation Pattern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，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=0.90时天线都被抬高了。最大辐射方向出现在仰角=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