【正文】 理想無(wú)方向性天線本身的增益系數(shù)為 1，考慮到效率的定義，在有耗情況下，功率 密度為無(wú)耗時(shí)的 η倍，則式 （ 210） 可改寫為 00 0m a x0m a xrrinin PPPP SSSSG?? ??? （ 211） DG ?? （ 212） 式中 η為天線的效率，等于天線的輻射功率與輸入功率之比；可見，天線增益系數(shù)是方向系數(shù)與天線效率的乘積。無(wú)方向性天線的方向系數(shù)為 1。 E 面是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向所在的平面， E 面的方向函數(shù)用 )( ??，Ef 來(lái)表示； H 面是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量所在并包含最大輻射方向所在的平面， H 面的方向函數(shù)用 )( ??，Hf 來(lái)表示。 天線的方向圖按不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。天線的輻射電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為 E（ r， θ， φ） ，把電場(chǎng)強(qiáng)度（絕對(duì)值）寫成 ),(60),( ???? fr IrE ? （ 21） 因此方向函數(shù)可定義為： rIrEf /60 ),(),( ???? ? （ 22） 方向函數(shù)是衡量天線的輻射作用在空間相對(duì)分布的參數(shù)。 導(dǎo)線載有簡(jiǎn)便電流時(shí)，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長(zhǎng)短和形狀有 關(guān)；到導(dǎo)線的長(zhǎng)度增大到可與波長(zhǎng) λ 相比擬時(shí)，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。 在時(shí)域，我們可以得到如下結(jié)論： ，就不可能產(chǎn)生電流，也不會(huì)有輻射。這個(gè)公式簡(jiǎn)單 地說(shuō)明要產(chǎn)生輻射就必須有一個(gè)時(shí)變的電流或者具有加速度的電荷。主要分析該天線的主要參數(shù)，如方向圖、增益等，然后對(duì)天線的性能做出評(píng)價(jià)，從而進(jìn)一步對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行總結(jié)，加深對(duì)該課題的認(rèn)識(shí)。包括天線的方向系數(shù)、增益、方向性等。 第 1 章：緒論。所謂 S 波段是指 頻率在 2~4 GHz 的無(wú)線電波波段 ，該頻段電磁波 主要用 于 衛(wèi)星通信 、 雷達(dá) 、 藍(lán)牙 、 無(wú)線路由 等 多個(gè)領(lǐng)域 。 研究目標(biāo)及內(nèi)容 半波振子 天線 是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的 天線 。遙感系統(tǒng)既可以無(wú)源（如輻射計(jì)）也可以有源（如雷達(dá)），并且各自接收來(lái)自物體的散射和固有輻射，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后產(chǎn)生關(guān)于物體或環(huán)境的信息；工業(yè)的應(yīng)用包括利用微波烹飪和烘干等方面 [7]。 本設(shè)計(jì)所采用的是由 兩個(gè)半波對(duì)稱振子所組成的平行二元陣。在不影響天線的增益和效率的同時(shí)減小天線的尺寸是一項(xiàng)艱巨的工作。如：喇叭天線、板狀 天線、角反射天線、拋物面天線等。自馬可尼 （ Marconi） 和赫茲（ Hertz）發(fā)明了天線以來(lái)，天線技術(shù)經(jīng)發(fā)射機(jī) 接收機(jī) 2 過(guò)了 100 多年的發(fā)展，到目前為止，天線的類型可以說(shuō)是五花八門，種類繁多，形式多樣枚不勝舉。任何無(wú)線電技術(shù)設(shè)備都是通過(guò)電磁波來(lái)傳送信號(hào)的，天線就是這種輻射和接收電磁波的裝置，它把發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生的高頻電流能量轉(zhuǎn)換成電磁波能量，同時(shí)又把電磁波能量轉(zhuǎn)換成高頻電流形態(tài)的能量 [3]。 自從 1873 年麥克斯韋（ Maxwell）從理論上預(yù)言電磁波的存在，并于 1897 年馬可尼（ Marconi）首次獲得一個(gè)完整的無(wú)線電報(bào)系統(tǒng)專利以來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展與進(jìn)步，人類對(duì)于電磁波這一存在于自然界的物質(zhì)形態(tài)的認(rèn)識(shí)在不斷地加深，創(chuàng)造了多種多樣的電磁波工程系統(tǒng) —— 無(wú)線電通信系統(tǒng)。本文的最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)并加工出中心頻率為 （ 該頻率為藍(lán)牙、無(wú)線路由器等所使用的頻率，應(yīng)用范圍極其廣泛 ）的 平行二元半波振子 陣 天線 。 關(guān)鍵詞： 半 波振子天線 方向圖 3D 模型 II ABSTRACT This paper39。從廣播、電視、移動(dòng)通信，到雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星、定位，再到軍事領(lǐng)域 中制作導(dǎo)彈武器等應(yīng)用領(lǐng)域，都取得了豐碩的研究成果 [2]。 在圖 11 所示的通信系統(tǒng)示意圖中，天線的任務(wù)就是將發(fā)射機(jī)輸出的高頻電流能量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去，或?qū)⒖臻g中的高頻電流能量送給接收機(jī)。一般按對(duì)天線的分析方法來(lái)分類共有三大類 [5]: （ 1)線天線 :是指具有線狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)天線，而且金屬導(dǎo)線半徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的天線。 （ 3)天線陣：是指由若干單元天線按一定方式排列起來(lái)的輻射系統(tǒng)稱為天線陣；構(gòu)成陣列的單元天線稱為陣元，本論文所研究的是由兩個(gè)半波振子陣元構(gòu)成的二元陣。隨著電子設(shè)備集成度的 不斷 提高，經(jīng)常需要一個(gè)天線 在較寬的頻率范圍內(nèi)支持兩個(gè)或更多的無(wú)線服務(wù)，寬帶和多波段天線能滿足這樣的需要。 由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)稱振子廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、廣播和電視等無(wú)線電技術(shù)設(shè)備中。盡管傳統(tǒng)類型的天線在將來(lái)仍會(huì)繼續(xù)使用，新的使用要求將引發(fā)天線系統(tǒng)的革命。它是通過(guò)微調(diào)能夠?qū)? 3 現(xiàn)零輸入電抗，于是阻抗匹配問(wèn)題就變得很輕松，這也是半波振子獲得廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 本文的研究目標(biāo)是用 Ansoft HFSS 仿真軟件 設(shè)計(jì)出基于 S 波段的平行二元半波振子 陣 天線，并 進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化，最終加工成實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試。介紹了天線技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，課題的研究背景及意義，國(guó)內(nèi)外 發(fā)展現(xiàn)狀，以及本論文的研究目標(biāo)及內(nèi)容。 第 3 章：仿真模型的創(chuàng)建。 4 第 2 章 天線基礎(chǔ)知識(shí) 天線的輻射機(jī) 理 天線輻射是電磁場(chǎng)中由輻射源產(chǎn)生的一種擾動(dòng)。我們經(jīng)常談到的電流是在時(shí)諧狀態(tài)下的，而電荷往往是討論其瞬間的情況。 ： ，就不會(huì)有輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子，當(dāng)振子的總長(zhǎng)度為 λ/2 時(shí)，稱之為半波振子。我們常 采用其歸一化的方向函數(shù) ),( ),(),( ),(),( m a xm a x ?????????? E Ef fF ?? （ 23） 輻射方向圖簡(jiǎn)稱方向圖，是方向函數(shù) f (θ， φ)的圖示。按照空間維數(shù)，有三維立體方向圖、二維平面方向圖；按照主截面的不同，又有 E 面方向圖和 H 面方向圖之分；按照 坐標(biāo)系的不同，可分為直角坐標(biāo)系方向圖和極坐標(biāo)方向圖。 6 圖 22 單個(gè)半波振子的三維方向圖 方向系數(shù)是天線方向性強(qiáng)弱的集中體現(xiàn)。 因?yàn)闊o(wú)方向性天線在 r 處產(chǎn)生的輻射功 率密度為 ?? 2404 20200 ErPS r ?? （ 25） 則由方向系數(shù)的定義可得， rPErD602m ax2? （ 26） 因此，在最大輻射方向上 r DPE r60ma x ? （ 27） 上式表明，天線的輻射場(chǎng)與 PrD 的平方根成正比，所以對(duì)于不同的天線，若它們的輻射功 7 率相等，則在同是最大輻射方向且同一 r 處的觀察點(diǎn)，輻射場(chǎng)之比為 212m ax1m ax DDEE ? （ 28） 方向系數(shù)的通用計(jì)算公式為 ??? ?? ????? ?0 220 s i n),(4 dFdD （ 29） 半波振子的方向系數(shù)約 為 。 天線的增益常用分貝來(lái)表示，即： GGdB log10? （ 213） 駐波參量 工程上常用的駐波參量是電壓駐波比（ VSWR），其定義為：傳輸線上相鄰的波腹電和 8 波谷點(diǎn)的電壓振幅之比為電壓駐波比，用 VSWR 表示，簡(jiǎn)稱駐波比（ SWR），或稱為電壓駐波系數(shù)，用 ρ 表 示，即有 mi nma x)( VVVSW R ??或 （ 214） 電壓駐波比是射頻工程上最常用的參數(shù)，用來(lái)衡量器件之間的匹配情況是否良好。 不管是天線是用來(lái)發(fā)射，還是接收，我們都要使其與饋線匹配，其匹配條件是： 0ZZin? （ 216） 式中 Z0是饋線 的特性阻抗。 S11 參數(shù) S 參量表達(dá)的是電壓波，它使我們可以用入射電壓波和反射電壓波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出關(guān)系。 半波振子 長(zhǎng)度 L是半個(gè)波長(zhǎng)的振子稱為半波振子。無(wú)線細(xì)半波對(duì)稱振子輻射阻抗 RΣ 的理論值為（ +） Ω，這說(shuō)明細(xì)振子的長(zhǎng)度要略短于半個(gè)波長(zhǎng)，因?yàn)殚L(zhǎng)度為半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)已經(jīng)有剩余的感抗了。 圖 31 HFSS 啟動(dòng)的主界面 表 31 HFSS 的優(yōu)點(diǎn)與天線設(shè)計(jì)的功能 HFSS 的優(yōu)點(diǎn) （ 1） 提供了一簡(jiǎn)潔直觀的用戶設(shè)計(jì)界面； （ 2） 精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器； （ 3） 擁有空前電性能分析能力的功能強(qiáng)大后處理器； （ 4） 能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)和全波電磁場(chǎng)。 當(dāng)今天線設(shè)計(jì)最常使用的設(shè)計(jì)軟件就是 HFSS，本文采用的版本為“ HFSS ”。 圖 33 單位選擇 ，利用 3D 模型工 具欄，點(diǎn)擊 Select 圖 34 3D 模型工具欄 13 在彈出的對(duì)話框中，在以名稱查找欄 Search by Name 輸入 pec→ OK。 圖 313 三維模型樹 16 雙擊 Rectangle1，在彈出的對(duì)話框中，把名稱改為 feed1→ 確定，然后雙擊 Create Rectangle， 彈出 Command 對(duì)話框，按照下圖輸入 圖 314 feed1 的 Command 對(duì)話框 ， Edit→ Select→ By Name，在彈出的對(duì)話框中按住 Ctrl 選擇 Arm Arm feed1→ OK（或者 Ctrl+A 全選）， 圖 315 選擇的 3 個(gè)物體 Edit→ Copy（ Ctrl+C）， Edit→ Duplicate→ Along Line， 往 Y 方向平移 d=。 18 ，選擇 feed1； HFSS→ Excitation→ Assign→ Lumped Port，輸入名稱 Lump port1，參考阻抗為 50Ω→ Next，點(diǎn)擊 Undefined→ New Line，輸入坐標(biāo) X： 0， Y：， Z： ； dX： 0， dY:： 0， dY： 。 ， HFSS→ Validation Check→ Close。 分析電壓駐波比 VSWR 右擊工程樹下的 Result→ Create Report，報(bào)告類型： Terminal Solution Date、顯示類型：Rectangular Plot，在 Category 下選擇 VSWR、在 Quantity 下選擇 VSWR（ Lumpport1）、在Function 下選擇 none，然后單擊 Add Trace，再單擊 Done，即可創(chuàng)建 VSWR 參數(shù)曲線圖 圖 44 VSWR 參數(shù)圖 從 VSWR 參數(shù)圖可以看出，中心頻率 處的 VSWR 的值約為 ，這個(gè)值符合工程上要求的 VSWR，因此該參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。 0≤φ≤360176。 總結(jié)與展望 本論文主要研究的是半波振子天線的設(shè)計(jì)， 半波振子天線是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線。通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，把大學(xué)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)一步鞏固 ，在查閱資料的過(guò)程中也了解到一些課外知識(shí)，對(duì)天線的發(fā)展方向有了一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。 25 參考文獻(xiàn) [1] 王增和，盧春蘭等 . 天線與電波傳播 [M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版 社 ， 2021. 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