实验一 半波振子天线仿真设计

实验一 半波振子天线仿真设计

一、实验目的：

1、 熟悉HFSS 软件设计天线的基本方法；

2、 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；

3、 通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。

二、预习要求

1、 熟悉天线的理论知识。

2、 熟悉天线设计的理论知识。

三、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 60(,,(,)

I

E r f r

θϕθϕ=式式中I 为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流I m 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

(,,)

(,)260/E r f I r

θϕθϕ=

式

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

max max

(,)(,)(,)3

(,)E f F f E θϕθϕθϕθϕ==

式图1 方向图球坐标系

式中，f max(θ,φ)为方向函数的最大值；E max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（Beam Widthbetween FirstNulls,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（HalfPower Beam Width, 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（Side Lobe Lever,SLL ）:指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示，即

（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S max （或场强|E max |2的平方）和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S 0（或场强|E 0|2的平方）之比，记为D 。用公式表示如下： 式中P r 、P r0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P r 与输入功率P in 之比，记为ηA ，即

辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为

类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率P l 与损耗电阻R l 联系起来，即

R l 是归算于电流I 的损耗电阻，这样

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 式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S max (或场强|E max |2的平方）和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S 0（或场强|E 0|2的平方）之比，记为G 。用公式表示如下：

,max2max2,max max 10lg

20lg

4

av av S

E

SLL dB S

E

==式2

max max

2

05r ro r ro P P P P E S D S E ====式6r A in

P P η=式2172

r r P I R =式218

2

l l P I R =式9r r A r l r l

P R P P R R η==++式002max max

2

11in in in in P P P P E S G S E ====式