实验五对称振子天线的设计与仿真
【案例分析】经典HFSS仿真实例详解
【案例分析】经典HFSS仿真实例详解新朋友请点击上⽅RFsister关注我们关于仿真软件HFSS相信⼤家多少都有听过，这是⼀款⾮常强⼤好⽤的仿真软件，已经被应⽤于多个领域，当然，天线设计也离不开仿真软件。
本期⼩编为⼤家带来的是经典天线——对称振⼦天线仿真。
下⾯我们先来看看软件的简介。
HFSS – High Frequency Structure Simulator，Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，⽬前已被ANSYS公司收购；是世界上第⼀个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的⼯业标准。
HFSS提供了⼀简洁直观的⽤户设计界⾯、精确⾃适应的场解器、拥有空前电性能分析能⼒的功能强⼤后处理器，能计算任意形状三维⽆源结构的S参数和全波电磁场。
HFSS软件拥有强⼤的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、⽅向性、远场⽅向图剖⾯、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴⽐。
使⽤HFSS，可以计算：①基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；②端⼝特征阻抗和传输常数；③ S参数和相应端⼝阻抗的归⼀化S参数；④结构的本征模或谐振解。
⽽且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft⾼频解决⽅案，是⽬前唯⼀以物理原型为基础的⾼频设计解决⽅案，提供了从系统到电路直⾄部件级的快速⽽精确的设计⼿段，覆盖了⾼频设计的所有环节。
下⾯我们先来看看建⽴HFSS⼯程的⼀般过程。
（1）⾸先第⼀步是运⾏Ansoft HFSS：（2）然后单击下图红框处图标，在当前⼯程中插⼊⼀个设计：（3）选择求解类型，如下图：（4）为建⽴模型设置合适的单位，如下图：（5）在3D窗⼝中建⽴模型。
（6）设置需要的辐射边界。
（7）如果选择激励求解或激励终端求解，则需要为模型设置激励。
（8）设置求解频率及扫频操作等。
（9）点击下图按钮，检查当前⼯程的有效性。
基于FDTD的对称阵子天线仿真
当△ x, △ y, △z不相等时：
min( x, y, z ) 2c
3.1.2 数值色散
考虑一维情形下波动方程： • 将二阶导数表示为差分形式： • 则有关系式： 相速度v=w/k。差分近似后K与w不再是简单的线性关系c=w/k, k与w的非线性关系必然导致相速度与频率有关，因而出现色散， 称之为数值色散 为减小数值色散，对空间离散间隔要求为:Δx<λ/12
FDTD基本原理（续）
Yee把空间任一网格上的E和H的六个分量，如下图放置：
每一个磁场分量由四个 电场分量环绕； 每一个电场分量由四个 磁场分量环绕
6
FDTD基本原理（续）
根据这一原则可以写出差分方程：
其余也可同样写出。每个网格点上的场分量的新值依赖于该点在前 一时间步长时刻的值以及该点周围的临近点上另一场量在早半个时 间步长时的值。通过这些运算可以交替算出电场磁场在各个时间步 7 的值。
基于FDTD的对称阵子天线仿真
主要内容
• 一. FDTD基本原理
• 二. 物理模型建立
• 三. 子系统分析
• 四. 程序实现 • 五. 仿真结果分析
一.FDTD基本原理
• 时域有限差分法 (FDTD, Finite-Difference TimeDomain)
– 是1966年K.S.Yee发表在AP上的一篇论文建立起来的，后被称为Yee网格空间 离散方式 – 核心思想是把带时间变量的Maxwell旋度方程转化为差分形式，在时间轴上 逐步推进求解 – 号称目前计算电磁学界最受关注，最时髦的算法，但还在发展完善之中
该图为半波振子（选取频率为6GHz， 每根天线长12.5mm）在不同频率下 的回波损耗。
由图可看出当频率约为5.8GHz时，
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=λ/4.则半波偶极子的电流分布，可以写成：I(z)=Imsin（π/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Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry复选框选中。
杭电《通信天线实验》实验报告8
杭州电子科技大学
《通信天线实验》
课程实验报告
实验八: 对称振子天线及天线阵简介
学院通信工程学院
班级
学号
姓名
指导教师毕美华
2017年12 月12 日
实验名称：对称振子天线及天线阵简介
1.实验目的
1、了解对称阵子天线基本概念
2、掌握对称振子天线建模
3、学会根据天线基本参数分析天线工作特性
4、初步了解天线阵的概念及辐射特性
2.实验内容
根据范例完成对称阵子天线设计。
观察对称振子天线输出方向图
初步了解天线阵概念，通过改变对称阵子天线单元的排列，观察方向图的变化。
（阵形状，阵元距离，以及阵元相位差等）
3.实验结果
实验步骤：
1.创建EM structure
2.建立an enclosure
3.创建层
4.定义端口
5.修改端口属性观察E面，H面方向图
6.执行频率扫描(AFS)
7.观察场时间变化特性
8.将EM structure添加到原理图并仿真
9.改变阵元激励或者阵元排列观察其方向特性
结果：。
HFSS天线仿真实验报告
HFSS天线仿真实验报告半波偶极子天线设计通信0905杨巨U2009138922012-3-7半波偶极子天线仿真实验报告一、实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图特性等4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法二、实验仪器1、装有windows系统的PC一台2、HFSS13.0软件3、截图软件三、实验原理1、首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。
2、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a，长度为l。
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=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。
3、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。
取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为：式中，Im为天线上波腹点的电流；k=w/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店对称；超过半波长就会出现反相电流。
4、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。
电流元I(z)dz所产生的辐射场为图2 对称振子辐射场的计算如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为其中5、方向函数四、实验步骤1、设计变量设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。
提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化2、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。
其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。
3、设置端口激励半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。
对称振子天线_阵列天线
kd = - b
骣 ççç桫2p
d l
÷÷÷
• 当阵的最大辐射方向在垂直于阵轴的方向上， a m = 90?
称为边射阵或侧射式天线阵。由上式可得b =0。
Emax
9
“1” “2” “3”
“N-1” “N” z
端射阵
cos a m = - b
kd = - b
骣 ççç桫2p
d l
÷÷÷
• 当阵的最大辐射方向在阵
即由相似元所构成的天线阵列的方向性函数farry()等
于各阵元单独存在时的方向性函数F(q )（元因子）和
阵方向函数fa () （阵因子）的乘积。
方向图乘积定理： farray (a) = F (q) fa (a )
应用方向图乘积定理时应注意：
❖阵元为相似元；
❖阵元的方向性函数F(q ) ，其自变量不一定等 于 ，如对称振子，其q为振子轴与射线之间 的夹角， 而为射线与阵轴的夹角；（q 不 一定等于 ）
y = b + kd cos a
其阵因子是一等比级数：
å fa (a ) = 1+ e jy
+ e j2y
+ ... + e j(N- 1)y
=
N- 1
e jny
n= 0
=
sin 骣 ççç桫N2y
÷÷÷ j 1 (Ne2
1) y
sin y
2
式中1 (N 1) 为总场强的相位因子，如以阵的 中心2点作为参考点，则此因子为零。
r2 = r1 - d cos a
M
由于两阵元有：
F1(a ) = F2(a ) = F(a )
“1”
“2”
cst电磁场仿真实验报告
对称振子天线仿真一．对称振子基本原理对称振子天线是由两根粗细和长度都相同的导线构成, 中间为两个馈电端， 如图 1 所示。
这是一种应用广泛且结构简单的基本线天线。
假如天线上的电流分布是已知的, 则由电基本振子的辐射场沿整个导线积分，便得对称振子天线的辐射场。
然而, 即使振子是由理想导体构成, 要精确求解这种几何结构简单、直径为有限值的天线上的电流分布仍然是很困难的。
实际上, 细振子天线可看成是开路传输线逐渐张开而成,如图2所示。
当导线无限细时，其电流分布与无耗开路传输。
～I ～(a )(b )I ～I(c )图1 细振子的辐射 图2 开路传输线与对称振子前面讲过对称振子天线可看作是由开路传输线张开180°后构成。
因此可借助传输线的阻抗公式来计算对称振子的输入阻抗, 但必须作如下两点修正。
1) 特性阻抗:均匀双导线传输线的特性阻抗沿线不变2) 对称振子上的输入阻抗: 双线传输线几乎没有辐射, 而对称振子zrr ′I md z z hh是一种辐射器, 它相当于具有损耗的传输线。
zzz ＝02h hz图3 对称振子特性阻抗的计算s二．实验目的 1，仿真前的准备：该对称振子天线工作频率为：天线臂尺寸为：振子材料选择铜。
2，仿真过程： 2.1 预处理采用Driven modal, 默认单位为英寸（in ）， 2.2 模型建立：2.2.1 创建同轴馈电 内径0.1in ，外空心圆柱：内径0.31in,外径0.37in ，厚0.06in二、对称振子天线对称振子三维视图方向图三维视图对称振子长度为5时方向图对称振子长度为10时方向图对称振子长度为15时方向图对称振子长度为20时方向图结论由以上结果分析可得，当0.25l λ=，0.5l λ=时，方向图没有出现副瓣，当34l λ=，l λ=时方向图出现了副瓣，故实际中常采用0.25l λ=和0.5l λ=的对称振子。
天线原理与设计—第二章对称振子
2.1 对称振子
对称振子输入阻抗
l / 0.25, l / 0.25, 等效于RC串联电路 等效于RLC谐振状态 等效于RL串联电路 等效于RC串联
0.5 l / 0.25, 0.75 l / 0.5,
l / 0.5， 等效于RLC并联电路谐振
l/a 越 小 ， Za 越 小 ， 曲 线越平坦， Q 值低，频
直线偶极天线可等效为一有耗的均匀传输线，无耗时的等效特 性阻抗为：
有耗时的等效特性阻抗为
将辐射功率看成是沿传输线均匀分布的电阻 R1产生的损耗功率， 则有
2.1 对称振子
等效传输法计算输入阻抗
将电流表达式代入得到
得到
利用开路有耗传输的输入阻抗公式得：
2.1 对称振子
等效传输法计算输入阻抗
当αl较小，2βl不在2π附近时
二. 对称振子
张展
2.1 对称振子
2.1 对称振子
上下导线的电流方向由原来 相反的方向变成方向相同， 使他们产生的场同向叠加， 形成有效辐射
2.1 对称振子
电流分布
确定电流分布 根据电流分布确定远场
2.1 对称振子
不同长度振子的电流分布
2.1 对称振子
远场
z处的微分电流源Idz在P点产生的远区电场为 z
l
上式只适用于细振子 ，且电长度在 0~0.35λ， 0.65λ~ 0.85λ，其输入电抗就是开路传输线的输入电抗，其输入电 阻就是归入输入端电流的辐射电阻：
1 1 | I in |2 Rin | I M |2 Rr 2 2
Iin I M sin l
Rin |
IM 2 Rr | Rr Iin sin 2 l
【最新精选】对称振子天线远区场分析
对称振子天线远区场分析一、实验目的了解振子天线远区辐射场结构及天线电参数二、实验步骤1、创建一个工程创建一个工程，设置求解类型为Driven Modal，设置模型单位为in，设置材料为真空。
2、创建模型创建对称振子模型,创建ring_1，在菜单栏中选择Draw\Cylinder，在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标X:0,Y:0，Z:0,在坐标栏中输入圆柱半径，dX:0.31，dY:0，dZ：0，输入圆柱的高度5.0，将其名称改为ring_inner。
创建另一个圆柱，在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标X:0,Y:0，Z:0,在坐标栏中输入圆柱半径，dX:0.37，dY:0，dZ：0，输入圆柱的高度5.0，将其名称改为ring_1。
将新建的两个圆柱进行相减，效果如下，创建对称振子模型创建ring_2，复制ring_1，将其半径改为0.435in。
创建Arm_1，新建一个Box，将其起始坐标设置为X:-0.1,Y:-0.31，Z:5.0，设置长方体三个方向的尺寸，dX:0.2，dY:-4.69，dZ：-0.065，并将其名称改为Arm_1，然后将创建好的模型组合到一起。
创建Center pin，在菜单栏中点击Draw\Cylinder，输入圆柱的中心坐标X:0,Y:0，Z:0，输入圆柱的半径dX:0.1，dY:0，dZ:0，并输入圆柱的高度dZ:5.1，并将名称修改为center_pin。
创建Arm_2，建一个Box，将其起始坐标设置为X:-0.1,Y:-0，Z:5.1，设置长方体三个方向的尺寸，dX:0.2，dY:-5.0，dZ：-0.065，并将其名称改为Arm_2。
创建Grounding pin，在菜单栏中点击Draw\Cylinder，输入圆柱的中心坐标X:0,Y:1.0，Z:0，输入圆柱的半径dX:0.0625，dY:0，dZ:0，并输入圆柱的高度dZ:5.1，并将名称修改为pin，然后将创建好的模型组合起来。
一种具有防雷保护功能的对称振子天线设计
一种具有防雷保护功能的对称振子天线设计文章在L频段设计了一个对称振子天线，通过矩量法对天线尺寸进行了推导计算，并设计了一种特殊的馈电方式，使其在满足电性能要求的同时具备了防雷保护的功能。
仿真结果表明，天线电性能与理论设计值相符，满足水平全向的使用要求。
标签：对称振子天线；防雷保护；矩量法1 概述对称振子作为一种历史悠久的经典天线[1]，具有结构简单，易于实现等特点，在雷达信标、敌我识别等领域中有着广泛应用。
在实际使用中，为了利用对称振子水平全向辐射特性，往往将对称振子垂直安装于设备平台的最高处，对称振子本身是金属件，暴露在空间中，相当于一个自然的接闪器，容易受到雷击而损坏。
针对这个问题，有文献[2]建议在天线旁架设避雷针，不失为一种有效的办法，但在具体实现中存在一定问题，比如在狭小的安装平台上应该如何处理架设距离和高度，如果避雷针过于靠近，便构成天线的单元，无论是干涉和反射都会对天线的方向性造成一定影响；如果避雷针架设过远，则会影响避雷针的保护范围，天线仍有可能受到雷击而损坏。
还有文献[3]提出为天线设计了自保护功能，从结构上给雷电在天线振子和安装架之间提供一条短接释放路径，由于90%的雷电能量分布在直流和低频，一旦发生雷击，短接释放路径可让雷电流安全入地。
这种做法保护了天线，消除了架设避雷针的不利影响，也提高了天线设计难度，目前还没有适用于对称振子的防雷设计办法，本文将提出一种防雷保护功能结合电性能设计的办法，在保证主要电性能指标的同时，从物理结构上实现对天线的防雷保护功能。
2 设计考虑关于对称振子分析和设计方法较多，最常见是运用矩量法来推导振子长短和粗细对辐射特性的影响。
运用矩量法的推导结论，选取合适的天线振子尺寸，可以保证天线振子的辐射性能，许多文献都有详细的推导，这里不再详述。
而对称振子馈电设计是实现防雷保护功能的重点，本文设计时有以下三点考虑：第一，分离高低频能量的传输路径。
通常采用图1（a）所示的传统馈电方式是不能分离高低频能量的传输路径，雷电流仅有一条传输路径，即通过芯线进入天馈线，会对馈电点或天馈线开路处造成伤害，所以分离高低频能量的传输路径是必需的。
对称振子天线课程设计
对称振子天线课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解对称振子天线的概念、原理和应用；2. 学生能掌握对称振子天线的阻抗特性、辐射特性及影响参数；3. 学生能运用相关公式计算对称振子天线的长度及间距。
技能目标：1. 学生能运用所学知识，分析对称振子天线的性能，并进行优化设计；2. 学生能通过实际操作，制作并测试对称振子天线；3. 学生能运用相关软件（如CST、HFSS等）进行对称振子天线的仿真分析。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对无线电通信及天线技术的兴趣，增强对物理学科的学习热情；2. 学生通过团队协作，培养沟通、合作能力，增强集体荣誉感；3. 学生在学习过程中，培养严谨、细致的科学态度，提高解决问题的能力。
课程性质：本课程为高二年级物理选修课程，旨在让学生了解对称振子天线的基本原理和实际应用，提高学生的实践能力和创新能力。
学生特点：高二学生对物理学科有一定的基础，具备一定的分析、计算能力，对实际操作和新技术具有浓厚兴趣。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的积极性，提高学生的动手能力和创新能力。
在教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，便于后续教学设计和评估。
二、教学内容1. 引入对称振子天线的基本概念，介绍其发展历程及应用领域；相关教材章节：第三章第1节“天线的基本概念与发展”2. 讲解对称振子天线的原理、结构特点及分类；相关教材章节：第三章第2节“对称振子天线的基本原理与结构”3. 详细阐述对称振子天线的阻抗特性、辐射特性及影响参数；相关教材章节：第三章第3节“对称振子天线的阻抗与辐射特性”4. 探讨对称振子天线的优化设计方法，包括长度、间距等参数的调整；相关教材章节：第三章第4节“对称振子天线的优化设计”5. 实践操作：指导学生制作对称振子天线，并进行测试；相关教材章节：第三章第5节“对称振子天线的制作与测试”6. 介绍相关软件（如CST、HFSS等）在对称振子天线仿真分析中的应用；相关教材章节：第三章第6节“对称振子天线的计算机仿真”7. 分析实际应用案例，让学生了解对称振子天线在现代通信系统中的作用；相关教材章节：第三章第7节“对称振子天线的应用实例”教学内容安排与进度：1. 第1课时：引入对称振子天线的基本概念、发展历程及应用领域；2. 第2课时：讲解对称振子天线的原理、结构特点及分类；3. 第3课时：详细阐述对称振子天线的阻抗特性、辐射特性及影响参数；4. 第4课时：探讨对称振子天线的优化设计方法；5. 第5课时：实践操作，制作对称振子天线并进行测试；6. 第6课时：介绍相关软件在对称振子天线仿真分析中的应用；7. 第7课时：分析实际应用案例，总结本章节内容。
双极天线方向图仿真实验报告(B5)
1、matlab的使用并不简单，在学习和修改参数的时候一定认真细心，做好备份，以免弄错后找不回来。
2、对参数的修改采用控制变量法，不能一次修改两个参数。
3、做实验要多修改多发现，才能真正掌握双极天线的工作原理和影响参数。
教员评语：
电基本振子的远区（满足kr>>1，即 ）辐射场表达式如下：
（1-1）
式中：
I——电基本振子的电流；
l——电基本振子的长度；
r——远区中一点到电基本振子的距离。
根据远区辐射场的性质可知，Eθ和Hφ的比值为常数（称为媒质的波阻抗），所以，在研究天线的辐射场时，只需要讨论其中的一个量即可。通常总是采用电场强度作为分析的主体。
3．理解双极天线的方向性及天线臂长、架设高度对
天线方向性的影响；
实验器材：计算机一台、matlab软件。
实验原理阐述、实验方案：
双极天线可以理解成架设在地面上的对称振子，因此，研究双级天线的性质（这里主要指方向性）可以分两步进行。
（1）电基本振子的远区辐射场
如果对称振子的电流分布已知，则由电基本振子的远区辐射场表达式沿对称振子几分，就可以得到对称振子的辐射场表达式。
需要注意的是，如果天线是水平架设，则为副镜像，而如果是垂直架设，则为正镜像。
双极天得地面镜像因子为：
（1-5）
式中：
H——天线架设高度；
——仰角。
综上，双极天线的方向函数如下：
（1-6）
由表达式可知，双极天线的方向性除了和正常的方位参数（仰角，方位角）有关以外，还和天线的臂长l及架设高度H有关。本次实验正是研究双极天线的参数（臂长及架高）对天线方向性的影响。
由于天线是架设在地面上，为了便于研究天线的方向性，通常选取两个相互垂直的平面（垂直平面和水平平面）作为特定平面进行分析。
HFSS仿真对称阵子天线
基于HFSS 的对称阵子天线仿真一、对称阵子天线概述 对称阵子天线是最基本也是最常用的天线形式。
对于中心点馈电的对称振子天线，其结构可看做是一段开路传输线张开而成。
馈电时，在对称振子两臂产生高频电流，此电流将产生辐射场。
可以将对称振子分成无数小段，每一小段都可以看成电基本振子，则对称振子辐射场就是这些无数小段电基本振子辐射场的总和。
由于结构简单，对称振子广泛应用于雷达、通信、电视和广播等无线电技术设备中。
对称振子的工作频率从短波波段到微波波段。
它既可作为独立的天线使用，也可以作为天线阵基本单元组成线阵或平面阵，还可以作为反射面天线的馈源。
二、天线参数对称阵子天线主要有输入阻抗，反射系数，回波损耗这几个重要参数。
图1为用MATLAB 仿真得出的半波对称阵子的E 面方向图。
输入阻抗in in in jX R Z +=，反射系数00Z Z Z Z in in +-=Γ，回波损耗Γ=lg 20RL 。
图1 理论E面方向图三、仿真过程对称阵子天线模型由几部分组成：两臂、馈电、辐射箱。
对称阵子的两臂为圆柱体，材料为理想导体，半径为变量r，臂长为变量l。
对称阵子一般通过同轴馈电，可以看作在振子的两臂之间施加了及总电压。
在用HFSS仿真时通过一个平面连接两臂，在平面上设置激励源来实现。
通过建立辐射箱，表面设置吸收边界条件来模拟无界空间。
依据这些要点建立了对阵振子天线模型，如图2。
图2 对称阵子天线模型四、结果分析图3为阻抗曲线图，深色为实部，浅色为虚部，模拟情况与理论值接近。
图4为端口2匹配时端口1的反射系数。
条件设定为r=1mm，l=25mm，即半波对称阵子。
比较图3和图4，可以得出在2.6GHz处反射系数最低，端口阻抗值约为50Ω，此为半波对称阵子天线的谐振频率。
图3 阻抗曲线图4 S11曲线图5为对称阵子天线的三维方向图，可以得出对称阵子的辐射场关于天线轴向对称。
图5 三维方向图图6是对称阵子的E面方向图，此方向图画出的是天线总增益的绝对值，与理论值接近。
利用HFSS仿真对称振子天线
该天线的设计思路是: 用于野外设台的天线,方便携带,天线合拢以后,最长单节不超过1.5米,共5个单位组件.天线为两个单元,通过装卸振子的单节改变振子长度,使得天线能分别工作在6M,10M,15M,17M,20M../forum/viewthread.php?tid=2628表1 对称振子天线三维体模型名称 形状 顶点(x,y,z) (mm)尺寸(mm) 材料 arm1 圆柱体 (0,0,0.5) radius=$r ，height=$l Pec arm2 圆柱体 (0,0,-0.5)radius =$r ，height=-$l Pec airbox长方体(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l-$r)xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+$l+2*$rvacuum表2 对称振子天线二维面模型名称 所在面 形状 顶点(mm) 尺寸(mm) 边界/源 feedxz矩形(-$r,$r,-0.5) dx=2*$r1, dz=1Lumped port表3 变量表变量名 变量初始值（mm ）变量变化范围（mm ）步长（mm ）$lbd 300 $l 25 [25,200] 25 $r1[1,5]11 新建工程并命名新建工程并命名。
打开HFSS ，新建工程，点击工具，将工程保存为dipole 。
2 设置求解类型设置求解类型。
点击HFSS>Solution Type ，选择Driven Terminal 。
3 设置单位设置单位。
点击Modeler>Units ，选择mm 。
4 画对称振子对称振子的一的一的一支支臂，形状为圆柱体形状为圆柱体，，命名为 arm1，材料设置为理想导体材料设置为理想导体，，半径设置为变量$r ，臂长设置为变量$l 。
将鼠标指向工具，出现文字“Draw cylinder ”，点击，在画图窗口中拖动鼠标画出一个圆柱。
对称阵子天线的设计与仿真郭晓辉
本科毕业论文（设计）
工作记录及成绩评定册
（理工类）
论文题目
学生姓名
学号
所在学院
专业
班级
指导教师
职称
二〇一一年六月
成都信息工程学院教务处制
使用说明
一、此册中各项内容为学校对本科毕业论文（设计）的工作和成绩评定记录，请各环节记录人按指定格式认真填写；
二、指导教师、评阅教师、答辩小组记分均为百分制（无小数点，四舍五入），学院答辩委员会成绩为五级制（优(>=90)、良(>=80、<90)、中(>=70、<80)、合格(>=60、〈70)、不合格(<60)）；
三、参加二辩的学生，根据学生具体情况，由各教学单位选择所需表格填写（表格包括指导教师、评阅教师、答辩小组评阅表）并附于最后；
四、本科毕业论文（设计）工作完成后，由各学院办公室组织将论文（设计）和此册等资料装入专用档案袋中，放入学院资料室保存。
本科毕业论文（设计）任务书
本科毕业论文（设计）开题报告
本科毕业论文（设计）指导工作记录
（注：不足请附页）
本科毕业论文（设计）中期检查记录
本科毕业论文（设计）指导教师评阅表
本科毕业论文（设计）评阅教师评阅表
本科毕业论文（设计）答辩记录及评价表
本科毕业论文（设计）成绩评定表
. .。
作业五Hallen方程求对称振子天线
作业五 Hallen 方程求对称振子天线一、条件和计算目标 已知：对称振子天线长为L ，半径为a ，且天线长度与波长的关系为λ5.0=L ,λ<<<<a L a ,,设1=λ，半径a=0.0000001,因此波数为πλπ2/2==k 。
目标:用Hallen 方程算出半波振子、全波振子以及不同λ/L 值的对应参数值。
求：（1）电流分布（2）输入阻抗及频率响应图（0in f/f ~R 和0in f/f ~X 的关系曲线） （3）E 面方向图 （二维） （4）功率增益及其变化曲线 （5）H 面方向图（二维）（6）半波振子空间方向性图（三维） 二、对称振子放置图图1 半波振子的电流分布半波振子天线平行于z 轴放置，在x 轴和y 轴上的分量都为零，坐标选取方式有两种形式，一般选取图1的空间放置方式。
图1给出了天线的电流分布情况，由图可知，当天线很细时，电流分布近似正弦分布。
三、Hallen 方程的解题思路()()()()21''''12,cos sin sin 'z zi z z z z i z kz G z z dz c kz c kz E k z z dz j ωμ'++=-⎰⎰对于中心馈电的偶极子，Hallen 方程为()22'1222('),'cos sin sin ,2L L iL L V i z G z z dz c kz c kz k z z j η+--++=<<+⎰脉冲函数展开和点选配，得到()1121,''cos sin sin ,1,2,,2nnNz in m m m m z n V I G z z dz c kz c kz k z m N j η+''=++==⋅⋅⋅∑⎰上式可以写成 1122,1,2,,N nmn m m m n Ip c q c s t m N -=++==⋅⋅⋅∑矩阵形式为⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----N N N N N N N N N N N t t t t c c I I I s q p p p s q p p p s q p p p 121211321,322,21,223221,11,11312,,,,,,,,,,,,, 四、结果与分析（1）电流分布图2 不同λ/L 电流分布图分析：由图2可知半波振子天线λ/L =0.5的电流分布最大，馈点电流最大，时辐射电阻近似等于输入电阻，因为半波振子的输入电流正好是波腹电流。
微波技术与天线实验6利用HFSS仿真对称振子天线
word 增加对称振子馈电的理论描述表1 对称振子天线三维体模型名称形状顶点(x,y,z) (mm) 尺寸(mm) 材料arm1 圆柱体(0,0,0.5) radius=$r，height=$l Pec arm2 圆柱体(0,0,-0.5) radius =$r，height=-$l Pecairbox 长方体(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r, -$lbd/3-$l) xsize=2*$lbd/3+2*$rysize=2*$lbd/3+2*$rzsize=2*$lbd/3+2*$lvacuum表2 对称振子天线二维面模型名称所在面形状顶点(mm) 尺寸(mm) 边界/源feed xz 矩形(-$r,0,-0.5) dx=2*$r, dz=1 Lumped port表3 变量表变量名变量初始值（mm）变量值（mm）$lbd 100$l 25 25 (50, 75, 100)$r 1 1 (2, 3, 4)1 新建工程并命名。
打开HFSS，新建工程，点击工具，将工程保存为dipole。
2 设置求解类型。
点击HFSS>Solution Type，选择Driven Terminal。
3 设置单位。
点击Modeler>Units，选择mm。
4 画对称振子的一支臂，形状为圆柱体，命名为arm1，材料设置为理想导体，半径设置为变量$r，臂长设置为变量$l。
将鼠标指向工具，出现文字“Draw cylinder”，点击，在画图窗口中拖动鼠标画出一个圆柱。
在图形左侧的窗口出现此工程的所有模型列表（如图1），“Solids”代表三维图形，“vacuum”代表图形内部填充材料为真空，“Cylinder1”为图形的缺省名字，“CreateCylinder”代表图形是圆柱体。
图1 模型列表双击Cylinder1，出现图形属性窗口“Properties:dipole”，将name项改为arm1。
点击material右边一栏中的Edit如图2（a），出现材料库如图2（b），按字母顺序找到pec，点击确定将振子臂材料改为pec（如图2（c））。
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实验五对称振子天线的设计与仿真
、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
、实验设备
装有HFSS 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= λ/4.
则半波偶极子的电流分布，可以写成：I(z)=Imsin (π/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，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Tool>Options>HFSS 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HFSS>Solution 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 Modeler>Units 。
（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，高为5in ；创建圆柱ring_1: 中心在坐标原点，半径为, 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）Ctrl ＋A 选中ring_1 。
（b）在菜单栏中点击Edit>Copy 。
（c）在菜单栏中点击Edit>Paste 。
（d）在3D 模型的操作历史树中将ring_2 的Create Cylinder 半径改为；ring-inner1 的Create Cylinder 半径改为，。
（3）创建Arm_1。
长方体的起始点位置坐标:X ：，Y：，Z：；长方体的X、Y、Z 三个方向尺寸：dX：，dY：，dZ：
（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，高度为。
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：，Y：，Z：；长方体的X、Y、Z三个方向尺寸：dX：，dY：，dZ：
（7）创建Grounding pin 。
圆柱中心点的坐标：X：，Y：，Z：；圆柱半径：dX：，dY：，dZ：；圆柱的高度：dX：，dY：，dZ：
（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。
（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 ：，Y：，Z：；dX：，dY：，dZ：
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：，Y：，Z：；长方体X、Y、Z 三个方向的尺寸：dX：，dY：，dZ：
（3）设置辐射边界，将辐射边界命名为Rad1
8. 创建地板gnd_plane
9. 辐射场角度设置
在Infinite Sphere 标签中，做如下设置：
Name：ff_2d
Phi ：（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:
Maximum Number of Passes:10
Maximum Delta S per Pass:
( 2)设置扫频。
Sweep Type:Fast
Frequency Setup Type:Linear Count
Start:
Stop:
Count:401
11. 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:Sweep1
Domain: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HFSS>Results>Create Report 。
(b) 在创建报告对话框中做以下选择：
Report Type:Far Fields
Display 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，反射系数S_11 约为。
转换成驻波比指标，ρ约为，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
方向出现在仰角θ=0 处（正Z方向），其增益约为。
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。
φ=时天线都被抬高了。
最大辐射
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析，不难发现，对阵子天线的诸多特性与电长度关系很大，所以可以通过调整天线的电长度来实现不同功能和要求的对阵子天线应用。
6、半波偶极子的输入阻抗还与天线的粗细有关。
通过本次HFSS天线仿真实验，我更加深入的了解天线的结构、原理和用途。
最开始在实验时由于粗心设置模拟单位时没有设置成in ，导致结果出不来，重新设置之后，问题解决。