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 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：