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

、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