半波振子天线仿真设计.docx

半波振子天线仿真设计
实验目的：
熟悉HFSS软件设计天线的基本方法；
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；
通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。

预习要求
熟悉天线的理论知识。
熟悉天线设计的理论知识。

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(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,θ,φ)，把电场强度（绝对值）写成:
(1)
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(θ,φ)为场强方向函数。因此，方向函数可定义为:
图1方向图球坐标系
(2)
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(θ,φ)表示，即:

(3)

式中，fmax(θ,φ)为方向函数的最大值；Emax为最大辐射方向上的电场强度;E(θ,φ)为同一距离(θ,φ)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（BeamWidthbetweenFirstNulls,BWFN)2θ0E或2θ0H(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。
（B）半功率点波瓣宽度（HalfPowerBeamWidth,HPBW）2θ0.5E或2θ0.5H: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（SideLobeLever,SLL）:指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示，即

(4)

（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：

(5)

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
天线效率定义为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比，记为ηA，即

(6)
辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为

(7)
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:

(8)
Rl是归算于电流I的损耗电阻，这样:

(9)
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Γ，则天线的总效率为:
η=(1-|Γ|2)ηA(10)

（4）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：

(11)

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ηA倍，式11可改写为

(12)

由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换