【正文】 則半波偶極子天線的電流為： （ 314） 輻射場和方向圖 已知半波偶極子天線上的電流分布，可以利用疊加原理來計算半波偶極子天線的輻射場。尤其當(dāng)全長等于兩個波長時，即半長 ， 原來的主射方向變成零 射方向，因為雖然在此方向上各個電流元產(chǎn)生的電場方向相同，但是一半電流元的時間相位與另一半電流元的時間相位相反，兩者產(chǎn)生的場強彼此抵消，導(dǎo)致合成場強為零。當(dāng)天線的全長小于一個波長時，方向圖僅有兩個主葉，且 的方向為主射方向，因為在此方向上各個電流元產(chǎn)生的電場方向相同，相位也相等，合成場強最強。這些 平面方向圖繞天線軸線旋轉(zhuǎn)一周即構(gòu)成空間方向圖。此外，顯然長度不同的對稱天線，其方向性因子也不同。各個電流元在 P 點產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)電場方向相同，合成電場為各個電流元遠(yuǎn)區(qū)電場的標(biāo)量和，即對稱的遠(yuǎn)區(qū)電場為 天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 10 （ 311） 考慮到 ，可以近似認(rèn)為 。這樣，利用電流元的遠(yuǎn)區(qū)場公式即可直接計算對稱天線的輻射場。常數(shù) 。因為兩端開路，電流為零，形成電流駐波的波節(jié)，電流駐波的波腹位置取決于對稱天線長度。其 電流分布以中點為對稱，因此稱為對稱天線。 由此可以看出，在遠(yuǎn)區(qū)內(nèi)，電場只有 分量，磁場只有 分量，且電場和磁場的相位相同。遠(yuǎn)區(qū)場中也有電磁能量的交換部分。天線的極化特性和天線的類型有關(guān)。當(dāng)然，在不同的方向上極化方向不同。 z 向電流元在 的軸線方向上輻射為零，在與軸線垂直的 方向上輻射最強。與方位角 ? 及 ? 有關(guān)的函數(shù)稱為方向性因子，以 f (?, ? ) 表示。 ③ 遠(yuǎn)區(qū)場強振幅與距離 r 一次方成反比，這種衰減不是介質(zhì)的損耗引起的，而是球面波的自然擴散。 的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)，此時 , ,則式（ 34）和（ 35）可以近似為： （ 36） 上式表明，電流元得遠(yuǎn)區(qū)場具有以下特點： ① 傳播方向為 r ，電場及磁場均與 r 垂直，遠(yuǎn)區(qū)場為 TEM 波，電場與磁場的關(guān)系 為 。電基本振子上的電流大小使用 I 表示，則矢量位 A 可以表示為： 圖 31 電流元的輻射場 (31) 在球面坐標(biāo)系中 （ 32） (33) 于是 ，可以求得輻射的磁場強度為： 天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 (34) 再利用麥克斯韋方程，可以求得電場強度為： （ 35） 式中， E 為電場強度，單位為 V/m； H 為磁場強度，單位為 A/m；下標(biāo) r、 、分別表示球坐標(biāo)系的各個方向分量； 為自由空間的介電常數(shù)，單位為 ； 為自由空間導(dǎo)磁率，單位為 H/m； k 是自由空間相位常數(shù)， ，λ是自由空間波長。 設(shè)電流元位于無限大的空間，周圍介質(zhì)是均勻線性且各向同性的理想 性質(zhì)。 天津職業(yè)技 術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 3 理論分析 電基本振子的輻射場 電基本振子又稱電流元或者電偶極子，這是一種最簡單的天線。 天線的 效率 由于天線存在各種損耗，因此實際輻射到空間內(nèi)的 電磁波功率比發(fā)射機輸送到天線的功率小。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。 一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。因此，在移動通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播方式。當(dāng)電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于 14dB。回波損耗的值在0do 的到無窮大之間 ，回波損耗與匹配成反比，即回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越小 表示匹配越好。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務(wù)性能。駐波比為 1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。本設(shè)計中也將主要使用駐波比和回波損耗，下面將介紹駐波比和回波損耗 。匹配的好壞一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系，使用哪種并沒有明文規(guī)定，看個人的習(xí)慣來決定。天線的輸入阻抗取決于天線的結(jié)構(gòu)、工作頻率和周圍環(huán)境天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 的影響。在 射頻微波頻段，饋線通常使用 50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端功率反射為零，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較穩(wěn)定，性能較好 [12]。 3實物分析：按照軟件仿真的天線模型的尺寸大小制作天線，并調(diào)試。歸納整理與天線設(shè)計的相關(guān)理論，重點整理前人關(guān)于半波偶極子天線設(shè)計的研究。如果仿真計算的天線性能滿足設(shè)計要求，接下來可以著手天線的制作和調(diào)試工作 [6]。 查看求解結(jié)果。上述操作完成后，整個仿真計算由 HFSS 軟件自動完成。波長和頻率的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系，具體的計算公式是：波長（單位：米） =300/頻率（單位： MHz）。半波偶極子天線的設(shè)計中，由于在模型內(nèi)部饋電面的激勵方式使用集總端口激勵（ Lumped Port）。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 設(shè)置激勵方式。 設(shè)置邊界條件。 圖 22 HFSS天線設(shè)計流程 創(chuàng)建天線的結(jié)構(gòu)模型。 設(shè)置求解類型。 Ansoft HFSS 是高生產(chǎn)力研究，發(fā)展和虛擬的工具之一。 HFSS 是高頻結(jié)構(gòu)仿真器（ High Frequency Structure Simulator）的縮寫。 HFSS 是基于四面體網(wǎng)格元的交互式仿真系統(tǒng)。 Ansoft HFSS 使用有限元法 (FEM)，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和高性能的圖形界面，能讓你在研究所有三維 EM 問題時得心應(yīng)手。 HFSS 是利用我們所熟悉的windows 圖形用戶界面的一款高性能的全波電磁場 (EM)段任意 3D 無源器件的模擬仿真軟件。導(dǎo)線的直徑遠(yuǎn)小于工作波長，天線的激勵是等幅反向的電壓信號，加在天線中間的兩個相鄰端點上，且天線中間兩個相鄰端點間的距離遠(yuǎn)小于工作波長，可以忽略不計。如圖 21所示，半波偶極子天線由兩根直徑和長度 都相等的直導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線的長度為 1/4 個工作波長。最后依照仿真數(shù)據(jù)進行實物設(shè)計制作并驗證其性能。如果能采用現(xiàn)代計算機為基礎(chǔ)，使用三維電磁仿真軟件對半波偶極子天線進行設(shè)計及仿真、優(yōu)化分析方法可以節(jié)省時間、精力以及費用，設(shè)計出符合要求的半波偶極子天線。而半波偶極子天線這種基礎(chǔ)天線在未來需求量巨大，便宜高質(zhì)量基礎(chǔ)天線將會是各生產(chǎn)廠家喜愛的產(chǎn)品。 課題研究的意義 傳統(tǒng)的天線設(shè)計方法是由設(shè)計師根據(jù)天線的分析理論以及自己的經(jīng)驗通過編程進行數(shù)值計算的方法來確定天線的各參數(shù)，這樣做不僅花費了大量的時間和精力，而且費用昂貴。它既可作為簡單的天線單獨使用 ,又可作為天線陣的單元 或面天線的饋源 [34]。這里著重研究 RFID 技術(shù)中的半波偶極子天線。 dipole antenna 目 錄 1 緒論 ......................................................................................................................... 1 課題研究的背景 ........................................................................................... 1 課題研究的意義 ........................................................................................... 1 本次 課題的主要工作 ................................................................................... 1 2 概述 ......................................................................................................................... 2 半波偶極子天線簡述 ................................................................................... 2 Ansoft HFSS 10 仿真軟件簡介 ................................................................ 2 Ansoft HFSS 10 仿真軟件設(shè)計流程概述 ................................................ 3 本設(shè)計的方案思路 ....................................................................................... 4 主要技術(shù)指標(biāo) ............................................................................................... 4 天線的輸入阻抗 ................................................................................... 4 天線的極化方式 ................................................................................... 5 方向性系數(shù) ........................................................................................... 5 天線的增益 ...................................................................