【文章內(nèi)容簡介】 用圓極化天線。[5]。 (4) 天線的有效長度天線上的電流分布是不均勻的，換句話說天線上各部位的輻射能力不相同，為了衡量天線的實(shí)際輻射能量，引入有效長度。天線的有效長度定義如下:在保持實(shí)際天線最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變的條件下,假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時天線的等效長度。它是把天線在最大輻射方向上的場強(qiáng)和電流聯(lián)系起來的一個參數(shù),通常將歸于輸入電流的有效長度記為,把歸于波腹電流的有效長度記為。顯然,有效長度愈長,表明天線的輻射能力愈強(qiáng)。設(shè)實(shí)際的天線長度為ι,電流分布為ι(z),則有： ()(5) 天線的輸入阻抗要使天線效率高,就必須使天線與饋線良好匹配,也就是要使天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,這樣才能使天線獲得最大功率。天線的輸入阻抗對頻率的變化往往十分敏感,當(dāng)天線工作頻率偏離設(shè)計頻率時,天線與傳輸線的匹配變壞,致使傳輸線上電壓駐波比增大,天線效率降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中,還引入電壓駐波比參數(shù),并且駐波比不能大于某一規(guī)定值[6]。(6) 天線的頻帶寬度 天線的所有電參數(shù)都與頻率有關(guān),也就是說,上述電參數(shù)都是針對某一工作頻率設(shè)計的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計頻率時,往往要引起天線參數(shù)的變化,例如主瓣寬度增大、旁瓣電平增高、增益系數(shù)降低、輸入阻抗和極化特性變壞等。實(shí)際上,天線也并非工作在點(diǎn)頻,而是有一定的頻率范圍。當(dāng)工作頻率變化時,天線的電參數(shù)的變化程度在允許的范圍內(nèi)，對應(yīng)的頻率范圍稱為天線的頻帶寬度。 短波天線傳播研究短波通信離不開對短波傳播知識的了解。短波是經(jīng)過電離層反射而達(dá)到地面的。短波天線傳播廣泛應(yīng)用于各種距離的定點(diǎn)通信、廣播、航海通信等。這種通信方式有兩個突出的優(yōu)點(diǎn)：一是傳輸損耗小，能以較小的功率借助電離層的反射進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，可以傳播到上萬千米的距離，甚至環(huán)球傳播。同時，建造通信設(shè)備簡單，成本低。二是對電離層的抗毀性好，只有在高空核爆炸的時候才會遭到一定程度的破壞。 短波的基本傳播途徑有兩個：一個是地波，一個是天波。 　　地波沿地球表面?zhèn)鞑ィ鋫鞑ゾ嚯x取決于地表介質(zhì)特性。海面介質(zhì)的電導(dǎo)特性對于電波傳播最為有利，短波地波信號可以沿海面?zhèn)鞑?000公里左右；陸地表面介質(zhì)電導(dǎo)特性差，對電波衰耗大，而且不同的陸地表面介質(zhì)對電波的衰耗程度不一樣（潮濕土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）。短波信號沿地面最多只能傳播幾十公里。地波傳播不需要經(jīng)常改變工作頻率，但要考慮障礙物的阻擋，這與天波傳播是不同的。 短波的主要傳播途徑是天波。短波信號由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，又由地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠(yuǎn)（幾百至上萬公里），而且不受地面障礙物阻擋。但天波是很不穩(wěn)定的。在天波傳播過程中，路徑衰耗、時間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)、電離層衰落等因素，都會造成信號的弱化和畸變，影響短波通信的效果。第2章 FEKO建模設(shè)計 設(shè)計要求(1)設(shè)計一個9陣子的圓形陣列天線（俯視圖上九陣子排成一個圓），頻率為3MHz—30MHz，在大地放一層銅網(wǎng)，構(gòu)成鏡像；(2)用FEKO或CST建立仿真模型，得出各陣子的相關(guān)饋電參數(shù)，完成設(shè)計要求；(3)輻射方向上的主瓣寬度為60度，增益在14—15MHz處大于5dBi；(4)陣元長度：≤10米(5)建議使用FEKO或者CST軟件仿真，完成設(shè)計要求。 天線設(shè)計的理論根據(jù) 圓形陣列半徑的選擇根據(jù) 隨著圓形陣列半徑 R 的增大，天線的增益在減小。因?yàn)?R 增大，振子之間的相互間距增大，使得天線的副瓣增多增大，同時電磁耦合減小使得方向圖主瓣變寬，因而使增益G降低。不同 R ，當(dāng)R=λ/4時，副瓣較?。划?dāng)R增至R =λ時，雖然還有一個給定指向的主瓣，但出現(xiàn)了幾個與主瓣大小幾乎相同的副瓣，因而增益降低了[7]。 圓形陣列半徑R對方向圖的影響[7]本次畢設(shè)設(shè)計的天線陣列共有9根陣子，其放置方式為9根均勻垂直放置在半徑約為R=λ/4=5m的圓周上（理論值），即在圓周上的間隔為40度，9根陣子底端面處于同一平面且各陣子都垂直于地面。如Error! Reference source not 。 9振子圓形陣列天線模型 陣子長度L的選擇根據(jù)，當(dāng)振子臂長 L 由 ，方向圖主瓣指向發(fā)生偏移，增益值下降。而當(dāng)L=，主瓣指向雖然是 10176。，但方向圖形狀發(fā)生了顯著變化，因而增益值更低。若振子臂長增長至 L = ，則方向圖主瓣指向發(fā)生明顯偏移，且出現(xiàn)一個大副瓣，增益值變小[7]。 陣子臂長L對方向圖的影響[7]圓形陣列各單元陣子為直線對稱偶極子天線，因在地上放足夠大的金屬網(wǎng)來構(gòu)成鏡像(本次畢設(shè)在軟件仿真中使用理想導(dǎo)體圓柱盤代替金屬網(wǎng))，所以單元陣子只要直線對稱偶極天線的一半，這樣可減小天線的尺寸（高度）。圓陣工作中心頻率在15MHz，對應(yīng)波長為20m，直線對稱偶極天線總長度為2L=λ/2=10m，在地面加鏡像金屬導(dǎo)體后，臂長L大約需要λ/4=5m（理論值）。 陣元半徑的選擇根據(jù) ，在短波波段時，振子半徑 a 在所取范圍內(nèi)對天線方向圖和增益幾乎沒有影響[7]。 陣子半徑a對方向圖的影響[7]實(shí)際上陣子半徑a對駐波比的影響比對方向圖的影響要大得多，所以在仿真時，主要考慮的是a對駐波比的影響，而不是對方向圖的影響。 各參數(shù)對陣列輸入阻抗的影響 。[7] 輸入電阻隨R 變化很快，當(dāng) R =λ時，振子間的互耦作用較小，天線輸入阻抗接近單振子的數(shù)值。隨著 R 的減小，振子間的互耦作用增大。當(dāng)R由λ/2減至λ/4時，輸入電阻由150Ω左右減到僅10多Ω。值得說明的是，若 R 變得很小，天線特性將發(fā)生很大的變化。例如當(dāng)R =λ/8時，圓陣半徑R減小了一半，求得其增益G值仍可達(dá)9dB以上，與R =λ/ 4時相近；而天線的輸入電阻小于10Ω,Q遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1，此時出現(xiàn)了超增益特性。由于其頻帶很窄，公差要求高，設(shè)計時需避免出現(xiàn)這種超增益現(xiàn)象。天線的輸入阻抗隨著陣元數(shù)的變化也有明顯的變化[7]。當(dāng)單元增多時，輸入阻抗的實(shí)部變小，Q值變高，帶寬變窄。這是因?yàn)?R 一定，天線的體積不變，單元數(shù)增加，使得增益不斷增大，因而Q值增高。 當(dāng)振子臂長變短時，輸入電阻變化不大，輸入電抗明顯減小。當(dāng)臂長變長時，輸入阻抗的實(shí)部和虛部都增大。振子半徑 a 對天線輸入阻抗的影響比較微小[7]。 建模步驟(1)打開FEKO，選擇File，新建工程文件并進(jìn)入工作界面。把工程名稱保存為bishe6。(2)環(huán)境設(shè)置 ①在菜單欄中選擇motel→motel unit，把建模環(huán)境尺寸設(shè)置成metres,點(diǎn)擊OK。 ②在菜單欄中選擇motel→set extents，進(jìn)入Geometry extents對話框,在Maximum coordinate中選擇“5E+04”以滿足9振子短波圓形陣列天線大尺寸的設(shè)計和仿真環(huán)境需求。點(diǎn)擊OK。(3)變量設(shè)置 在工程樹結(jié)構(gòu)窗口中，雙擊Variables，在create variable對話框中，name表示變量的名稱，Expression表示變量的表達(dá)式，在方框中可以輸入一個預(yù)設(shè)的值。Comment表示對該變量進(jìn)行備注。當(dāng)在Expression中輸入一個預(yù)設(shè)值是，點(diǎn)擊Evaluate可以計算該表達(dá)式的結(jié)果，在value中顯示改結(jié)果，點(diǎn)擊OK即可完成變量的設(shè)置。這些變量都是預(yù)設(shè)的初始值。(4)建立實(shí)體模型①建立圓盤，本次畢設(shè)中，起鏡像反射作用銅網(wǎng)可以用理想導(dǎo)體圓柱盤代替。在“幾何形體創(chuàng)建及編輯工具”欄中，點(diǎn)擊cylinder，彈出create cylinder對話框，在Base centre中，采用(U，V，N)=(0,0,)),表示幾何模型的坐標(biāo)位置，在Dimensions中輸入圓柱盤的參數(shù)radius為R，height為d,采用變量的目的是為了下面的仿真優(yōu)化。把Label命名為GND，表示改圓柱盤作為底盤鏡像。②建立饋線。在幾何工具欄中，選擇線line，在彈出的create line對話框中，設(shè)置start point起點(diǎn)為(U，V，N)=(R/2,0,0)。饋線設(shè)置在R/2處，是為了使振子的反射鏡像竟可能的為無限大(相對于小尺寸的振子來說)。設(shè)置終點(diǎn)End point，(U，V，N)=(R/2,0,(+d))，Babel采用默認(rèn)的名稱，點(diǎn)擊OK即可創(chuàng)建饋線。 Variables初始值設(shè)置變量預(yù)設(shè)值變量意義d圓柱盤厚度freq14e+6中心頻率h5陣元長度Lc0/freq波長P10陣元1的相位P20陣元2的相位P30陣元3的相位P40陣元4的相位P50陣元5的相位P60陣元6的相位P70陣元7的相位P80陣元8的相位P90陣元9的相位R15圓盤半徑rr陣元半徑 ③建立陣元。和建立圓柱盤①的方法一樣，只不過參數(shù)不一樣而已。在Base centre中，(U，V，N)=(R/2,0,0),radius為rr，height為h。把Label命名為zhenzi。 ④建立陣列。選中②③建立的line和zhenzi，然后點(diǎn)擊幾何創(chuàng)建工具中的Union parts。把line和zhenzi通過布爾運(yùn)算聯(lián)合起來，組成一個整體Union1。右鍵單擊Union1，選擇copy special→copy and rotate，在旋轉(zhuǎn)角度Rotation angle中輸入40，在Number of copies 中輸入旋轉(zhuǎn)復(fù)制的數(shù)目為8。點(diǎn)擊OK，即可創(chuàng)建9振子圓形陣列。此時，在生成Union11到Union18，這八個振子。選中Union1，Union11到Union18這9個振子和圓柱盤GND，然后點(diǎn)擊幾何創(chuàng)建工具中的Union parts，把這些幾何實(shí)體聯(lián)合成一個整體Union。方便下一步對這些幾何實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格剖分。(5)網(wǎng)格剖分 在菜單欄Mesh中，選擇Create mesh，彈出網(wǎng)格剖分對話框，分別點(diǎn)擊三個suggest，軟件會自動的設(shè)置合理的剖分尺寸，由于剛才建立了line，網(wǎng)格剖分的時候需要設(shè)置line的大小