基于HFSS的半波偶极子天线仿真

目录

1 引言

2 理论分析

  2.1 电流分布

  2.2 辐射场与方向图

  2.3方向性系数

  2.4 辐射阻抗

3 模型构建

  3.1 实物图

  3.2 参数设计

  3.3 结果图分析

4 仿真结果

参考文献

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1. 引言

   1. 半波偶极子天线

偶极天线一般是圆棍式的全向天线，全向天线以水平360度信号覆盖，不同的全向天线有不同大小的垂直方向的发射夹角。偶极天线亦称“振子天线”、“对称振子”。有对称双臂的线天线 [1]。是一种能产生与基本电偶极子辐射波瓣相似的天线。习惯上是将偶极天线看作两根大小相同的金属辐射构件[3]。在其中心处馈电，天线上的电流分布类似于开路传输线上的电流分布，它的两末端是电流波节。

半波长偶极子实质指偶极子的单臂振子长度为1/4波长，全长为二分之一波长的天线[2]。偶极子是指相距较近，符号相反的一对电荷或者“磁荷”，沿直线往返做简谐运动。偶极子天线中做往返简谐振动的电荷就是天线辐射场产生的根源。振子就是最基础的天线单元，两臂长度相等的振子叫做对称振子，对称振子就是承载偶极子电荷的物理实现载体。因此，半波长偶极子是指单臂振子长度为1/4波长的对称振子。在天线领域是指全长为二分之一波长的天线[3]。

半波长偶极子天线是半波长偶极子的具体应用，半波长偶极天线也是应用最广的对称天线。半波长偶极天线由两根导体组成，每根为1/4波长，即天线总长度为半波长。偶极天线的振子可以水平位置，也可垂直位置。它的方向图以馈电点为对称。馈电点在半波振子的中心。

   2 理论计算

1. 2.1电流分布

对于从中心馈电的偶极子天线，其两端为开路，故电流为零。工程上通常将其电流分布近似为正弦分布。假设将偶极子天线沿z轴方向放置，其中心位于坐标原点，如下图所示：

图 1偶极子电流分布图

长度为l的偶极子天线的电流分布可以表示为:

2.2辐射场与方向图

已知半波偶极子天线上的电流分布，可利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。半波偶极子天线可以看成是由长度为dz的电基本振子天线连接而成的，dz 这一小段天线上的电流等幅同相，但沿着Z轴的电流幅度是按 

分布的。电基本振子的远区辐射场为:

对此进行积分得半波偶极子天线的辐射场为:

称为半波偶极子天线的方向性函数。
在电基本振子得辐射场中，电场分量

和磁场分量

的比值为常数，将其称为波阻抗。对于自由空间而言，媒质的波阻抗为:

根据方向性函数可绘出半波偶极子天线的归一化场强方向图，在H面（θ = 90 ° )极坐标方向图是一个圆。在E平面（φ为常数）中，辐射场强会随着角度θ的变化而变化，θ = ± 9 0 ∘方向上场强最大，θ = 0 ∘和θ = 18 0 ∘方向上场强为零。

2.3 方向性系数

2.4  辐射阻抗

当考虑近区场时，辐射功率既有实部，又有虚部。实部产生辐射场，虚部产生储能场。对应地，辐射阻抗为：

1. 3 模型创建

3.1 实物图 

图 2 模型概图

3.2 变量参数

图 3 变量参数

其中：

lamda为工作波长 

length为偶极子天线单臂与半个gap的长度 

gap为偶极子天线双臂中间的距离

dip_length为偶极子天线单臂的长度

dip_radius是偶极子天线金属圆柱的半径

rad_radius是辐射空间的半径

rad_height是辐射空间的高度

4 仿真结果

4.1回波损耗S（1，1）

图 4 回波损耗图

从分析结果可以看出，设计的偶极子天线中心频率约为3GHz，

的相对带宽BW =( 3.245 − 2.785 )/3 = 15.3 %

 4.2电压驻波比VSWR

图 5 电压驻波比VSWR

4.3史密斯圆图

图 6 史密斯圆图

从Smith圆图结果中可以看出，在中心频率为3CHz时的归一化阻抗约为1，说明天线的端口阻抗匹配良好。

4..4输入阻抗

图 7 输入阻抗

从结果报告中可以看出,设计的半波偶极子天线在中心频率3GHz.上，输入阻抗约为(73.4−j0.4)Ω。

参考文献

1. 谢处方，饶克谨．电磁场与电磁波．高等教育出版社．2006
2. 李云潇.H FSS在微波天线教学中的应用[J].科学技术创新,2021,(16):90-92.
3. 《通信机世界》报社 编;李进良,伍碧珊 主编.移动通信词典.成都：电子科技术大学出版社.1996.第202页.