实验一 半波振子天线仿真设计.docx

实验一半波振子天线仿真设计

实验目得:

熟悉HＦＳS软件设计天线得基本方法;

利用ＨFSS软件仿真设计以了解半波振子天线得结构和工作原理;

通过仿真设计掌握天线得基本参数:频率、方向图、增益等。

预习要求

熟悉天线得理论知识。

熟悉天线设计得理论知识。

实验原理与参考电路

３、1天线介绍

天线得定义:用来辐射和接收无线电波得装置。天线得作用: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天线得基本功能

天线应尽可能多得将导波能量转变为电磁波能量,要求天线就就是一个良好得开放系统,其次要与发射机(或接收机)良好匹配;

天线应使电磁波能量尽量集中于需要得方向,

对来波有最大得接收;

天线应有适当得极化,以便于发射或接收规定极化得电磁波;

天线应有只够得工作带宽;

３、1、２天线得分类

按用途分:通信天线、广播电视天线、雷达天线等;

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;

按辐射元分:线天线和面天线;

３、１、3天线得技术指标

大多数天线电参数就就是针对发射状态规定得,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得能力。

天线方向图及其有关参数

所谓方向图,就就是指在离天线一定距离处,辐射场得相对场强

(归一化模值)随方向变化得曲线图。如图1所示。若天线辐射得电场

强度为E(r,θ,φ),把电场强度(绝对值)写成

式中I为归算电流,对于驻波天线,通常取波腹电流Iｍ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

图1方向图球坐标系

图1方向图球坐标系

为了便于比较不同天线得方向性,常采用归一化方向函数,

用F(θ,φ)表示,即

式中,fmａx(θ,φ)为方向函数得最大值;Ｅｍax为最大辐射方向上得电场强度;E(θ,φ)为同一距离(θ,φ)方向上得电场强度。

通常采用两个互相垂直得平面方向图来表示。

(A)E平面

所谓E平面就就就是电场强度矢量所在并包含最大辐射方向得平面;

(B)Ｈ平面

所谓H平面就就就是磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向得平面。

实际天线得方向图要比电基本振子得复杂,通常有多个波瓣,她可细分为主瓣、副瓣和后瓣,如图2所示。用来描述方向图得参数通常有:

图２天线方向图得一般形状

(A)零功率点波瓣宽度(BeaｍWidthbeｔweenFirｓtNulls,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得夹角。

(B)半功率点波瓣宽度(HaｌfＰoweｒBeａmＷidth,HPBW)2θ0、5E或２θ0、５H:指主瓣最大值两边场强等于最大值得0、707倍(或等于最大功率密度得一半)得两辐射方向之间得夹角,又叫3分贝波束宽度。

(Ｃ)副瓣电平(SidｅLobｅＬｅvｅｒ,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

方向系数得定义就就是:在同一距离及相同辐射功率得条件下,某天线在最大辐射方向上得辐射功率密度Ｓmax(或场强|Ｅmaｘ|2得平方)和无方向性天线(点源)得辐射功率密度S0(或场强｜E0|２得平方)之比,记为D。用公式表示如下:

式中Pr、Pr０分别为实际天线和无方向性天线得辐射功率。无方向性天线本身得方向系数为１。

(３)天线效率

天线效率定义为天线辐射功率Ｐｒ与输入功率Pｉn之比,记为ηA,即

辐射功率与辐射电阻之间得联系公式为

类似于辐射功率和辐射电阻之间得关系,也可将损耗功率Pl与损耗电阻Rl联系起来,即

Ｒl就就是归算于电流I得损耗电阻,这样

一般来讲,损耗电阻得计算就就是比较困难得,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,超短波和微波天线得效率很高,接近于１。

值得提出得就就是,这里定义得天线效率并未包含天线与传输线失配引起得反射损失,考虑到天线输入端得电压反射系数为Γ,则天线得总效率为

η=(1-|Γ｜2)ηA式10

(4)增益系数

增益系数得定义就就是:在同一距离及相同输入功率得条件下,某天线在最大辐射方向上得辐射功率密度Sｍａｘ(或场强｜Eｍａx|2得平方)和理想无方向性天线(理想点源)得辐射功率密度Ｓ0(或场强|E0|2得平方)之比,记为G。用公式表示如下:

式中Ｐｉn、Piｎ0分别为实际天线和理想无方向性天线得输入功率。理想无方向性天线本身得增益系数为1。

考虑到效率得定义,在有耗情况下,功率密度