套筒天线的电磁特性分析

摘要

在现代化通信和遥感系统中，套筒天线因其频带宽、高增益、结构简单、馈电容易、方位面全向、纵向尺寸小等优点，得到了较为广泛的应用。套筒天线的理论研究日益受到人们的重视，本文对安装在有限圆盘的套筒天线进行了分析。

本文首先介绍了电磁辐射理论，接着详细介绍了计算电磁辐射的一种重要方法—矩量法，然后对套筒天线原型—单极子天线进行研究，着重介绍了将基于频域的矩量法应用于套筒天线，计算出电流数据。并在基于有限元法的商业软件HFSS建立套筒模型，设计了一款驻波比小于2、频率围在100MHz到250MHz 的天线。对比两种方法计算结果，其结果大致吻合，由此得到套筒天线的增益方向图，通过此方向图可以计算天线的各项指标。

关键词：矩量法套筒天线 HFSS

Abstract

In modern communication and remote sensing system, the sleeve antenna has been widely used because of its advantages such as frequency bandwidth, high gain, simple structure, easy feeding, omni azimuth and small longitudinal size. The theoretical research of the sleeve antenna has been paid more and more attention, and the analysis of the sleeve antenna installed on the finite disk is made.

This paper first introduces the theory of electromagnetic radiation, and then introduces in detail an important method of calculating electromagnetic radiation-moment method, and then the sleeve antenna prototype-monopole antenna research, focusing on the application of the frequency-domain method based on the rectangular antenna, the calculation of current data. In this paper, a sleeve model is built in the commercial software HFSS based on the finite element method, and a antennas with a standing wave ratio of less than 2 and a frequency range of 100MHz to 250MHz are designed. By comparing the results of the two methods, the gain direction of the sleeve antenna is obtained, and the parameters of the antenna can be calculated by this direction map.

key words： the Method of Moments Sleeve antenna HFSS.

目录

第一章绪论 (1)

第二章电磁辐射理论基础 (3)

2.1电磁场的基本方程——麦克斯韦方程组 (3)

2.2位函数 (4)

2.3格林函数 (4)

2.4电磁辐射理论 (5)

2.5唯一性定理和镜像原理 (6)

2.5.1 唯一性定理 (6)

2.5.2 镜像定理 (6)

2.6天线的基本概念 (6)

第三章矩量法 (10)

3.1概述 (10)

3.2矩量法的步骤 (10)

3.3矩量法的数学基础--加权余量法 (10)

f的选取 (11)

3.4基函数

n

的选取 (12)

3.5权函数

m

3.5矩量法的误差分析和发展 (13)

第四章对单极子天线的研究 (15)

4.1单极子天线的数学模型和波克林顿积分方程 (15)

4.1.1 矢势方程 (15)

4.1.2 任意形状截面柱形天线的波克林顿积分方程 (16)

4.1.3单极子天线波克林顿积分方程及其近似解 (17)

4.2计算仿真及结果 (19)

4.3结论 (20)

第五章套筒天线的研究 (21)

5.1套筒天线的理论分析 (21)

5.2通过MATLAB计算电流参数 (23)

5.3使用HFSS进行验证 (25)

结束语 (28)

词 (29)

参考文献 (30)

附件 (31)

第一章绪论

随着现代通信技术的迅猛发展, 无线通讯越来越广泛, 越来越多地应用于国防建设、经济建设以及人民生活等领域。在无线通信系统中, 需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波, 或者将无线电波转变为导波能量。用来辐射或接收无线电波的装置称为天线。天线在无线通讯中有着极其重要的作用, 它的性能的好坏直接影响到通讯质量的优劣。因此, 对天线辐射特性的研究有着极其重要的作用。

天线的求解问题经常使用几种技术，通常来说这些技术可以分为实验、解析和数值三大类。实验类方法通常是昂贵、费事、甚至是危险的。对于大多数可以解析地求解的问题已经被求解了，直到20世纪40年代，才使用变量分离法和积分方程求解了大多数电磁问题。应用解析技术，需要高度的创新、经验和努力，又由于几何结构的复杂性，这些问题的特点是要么解析解十分棘手，要么是其解析解根本不存在，因此只能尽可能寻找其近似解。

随着高速计算机的出现，数值解得到极大的发展，数值解就是用过数值的方法来逼近解析解。一种解决各种电磁场问题，包括天线的有效、恰当的计算机仿真，由现代快速计算机技术和先进的数值分析技术组成。这种仿真技术能使天线设计师在桌面上是目标天线更形象化；在许多情况下，可提供比实验室更多的信息，且成本低，效率高。

对于各种数值计算方法。它们是将原连续数学模型转换成等价的离散数学模型。取决于不同的数学涵，目前在电磁场数值分析中常用的数值计算方法由：应用于微分方程型数学模型的有限差分法、有限元法和蒙特卡洛法。应用于积分方程型数学模型的模拟电荷法、矩量法和边界元法，以及基于直接积分运算关系式的数值积分等。此外，还有另类数值计算方法的互相组合，如微分和积分组合型数学模型的单标量磁位法、双标量磁位法等，进一步拓展了数值计算方法在工程实践中的应用。

其中，矩量法是分析各种电磁散射与辐射问题的一个重要方法。Harrington 分别在1968年发表论文[1]之后，在电磁中应用矩量法变得普通起来。它的基本思想是将一个积分或微分方程化为矩阵方程,即将积分或微分方程中待求函数

化为有限求和，从而建立代数方程, 然后通过求解该矩阵方程，从而得的一个误差最小的解。矩量法成功地应用于各种实际中人们感兴趣的电磁问题，例如细导线元和阵列的辐射、散射问题、微带线和有耗结构的分析、非均匀土壤上波的传播问题以及天线波束方向图等。

在现代化通信和测向系统中，需要宽频带的天线作为阵列单元，人们发现仅仅通过在普通单极子天线的外面罩上一个接地的金属圆筒，就能极改善单极子的工作特性，拓宽工作频带。因此套筒天线因其频带宽、高增益、结构简单、馈电容易、方位面全向、纵向尺寸小等优点，具有广泛的应用前景。许多学者对这种特殊的单极子天线作了大量的研究，King[2]首先对其进行理论分析，之后