【正文】 （ 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)。方向圖直觀、形象，彌補(bǔ)了方向函數(shù)的抽象性。 天線的方向圖按不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。 三維方向圖在 HFSS 仿真軟件下，能夠清楚直觀的看到天線的輻射強(qiáng)弱、輻射方向等參數(shù)，如圖 22。 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 來表示。在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度 maxS （或場(chǎng)強(qiáng) maxE 的平方）與無方向性天線（點(diǎn)源）的輻射功率密度 0S （或場(chǎng)強(qiáng) 0E 的平方）之比，稱之為方向系數(shù) [8]。無方向性天線的方向系數(shù)為 1。 天線的增益 在天線工程上，除了用方向系數(shù)來表征天線的方向特性外，還會(huì)經(jīng)常用到增益來反映天線的特性。 理想無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。 天線的輸入阻抗 在天線系統(tǒng)中，天線的發(fā)射效率直接受到輸入阻抗的影響，天線通過饋線與發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)相連。無論其作為接收還是發(fā)射，在天線輸入端都出在著阻抗 ，其定義為天線輸入端的電壓與電流之比： jXRIVZin ??? （ 215） 式中實(shí)部 R 為輸入電阻，虛部 jX 為輸入電抗。發(fā)射天線匹配即是饋線送來的高頻功率全部供給了天線；接收天線匹配則可使天線輸送給接收機(jī)的功率為最大 [10]。半波振子的輸入阻抗 Rin 約為 。 9 a1 a2 b1 b2 圖 23 兩端口網(wǎng)絡(luò) S 參量的規(guī)定 根據(jù)圖 23 中關(guān)于電壓波方向的規(guī)定，可以定義 S 參量： ???????????????????212221121121 aaSS SSbb （ 219） 其中符號(hào)的意義為： 端口入射波端口反射波1101111 2 ?? ?aabS （ 220） 端口入射波端口傳輸波1202121 2 ?? ?aabS （ 221） 端口入射波端口反射波2202222 1 ?? ?aabS （ 222） 端口入射波端口傳輸波211 0212 1 ?? ?aabS （ 223） 我們注意到 a2=0 和 a1=0 的條件意味著 2 端口和 1 端口都沒有功率波返回網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)條件只能在兩端傳輸線都匹配時(shí)才成立。本文將在下一章節(jié)通過對(duì)天線相關(guān)參數(shù)的修改，來滿足上述的天線的基本參數(shù)。本文所設(shè)計(jì)的半波振子天線是基于 S 波段的，即 2~4GHz 的頻段，平行二元半波振子陣天線，它是由兩個(gè)半波振子組成的二元天線 陣，雖然它使最簡(jiǎn)單的天線陣，但是對(duì)于建立天線陣的感性認(rèn)識(shí)有很大幫助。 [S] 10 半波振子設(shè)計(jì)的主要參數(shù) 本文設(shè)計(jì)的二元半波振子天線陣的中心頻率為 f=，故波長(zhǎng)為： mmmHzmvfc /103 98 ??????? （ 225） 所以半波振子的長(zhǎng)度 L=2h=λ/2=。 近似計(jì)算對(duì)稱振子輸入電阻的某些簡(jiǎn)單公式如表 21 所示 表 21 計(jì)算對(duì)稱振子輸入電阻的一些實(shí)用公式 振子長(zhǎng)度 2h 輸入電阻 Rin/Ω 02h41 λ 80π2(h/λ)2 41 λ2h21 λ 130(πh/λ) 21 λ2h 200(πh/λ) 振子的長(zhǎng)度 2h 等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，輸入電抗 Xin=0，稱為諧振；事實(shí)上導(dǎo)線的線徑越粗，諧振長(zhǎng)度越短于 λ/2，不同粗細(xì)半波振子的諧振長(zhǎng)度如表 22 中所示。 11 第 3 章 仿真模型的創(chuàng)建 Ansoft HFSS 簡(jiǎn)介 HFSS 的英文縮寫是 High Frequency Structure Simulator，是由 Ansoft 公司推出的三維電磁仿真軟件；是第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)無源電磁場(chǎng)仿真軟件；是目前設(shè)計(jì)高頻無源器件公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 HFSS 的天線設(shè)計(jì)功能 （ 1） 可 以 為天線及其 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 提供全面的仿真功能 ； （ 2） 可以計(jì)算天線參量， 如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng) 3D 圖、 天線阻抗 、電壓駐波比、 S 參數(shù)等 ； （ 3） 可以繪制極化特性，包括球形場(chǎng)分量、圓極化場(chǎng)分量等。 12 基于表 31HFSS 的諸多優(yōu)點(diǎn)以及 HFSS 天線設(shè)計(jì)方面的功能，可以看出 HFSS 強(qiáng)大的高頻無源器件設(shè)計(jì)、仿真能力 。下一節(jié)將根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的天線，具體介紹 HFSS v10 的使用方法。 圖 32 解決方案類型 ，選擇菜單中的 3D Modeler→ Units，選擇單位 mm→ OK。 圖 35 材料選擇 ，選擇菜單 HFSS→ Design Properties，彈出如下對(duì)話框 圖 36 添加變量 點(diǎn)擊 Add 在彈出的對(duì)話框中輸入變量名及值 圖 37 添加變量 radius 14 依次加入如下變量： length=26mm、 gap=、 d=；其中 radius 表示振子的半徑，length 表示半波振子天線的一個(gè)臂長(zhǎng)， gap 表示半 波振子兩臂之間的缺口， d 表示平行放置的兩半波振子的元間距。 圖 39 三維模型樹 雙擊 Objects 下的 Cylinder1，打開屬性對(duì)話框，把名稱改為 Arm1→ 確定， 圖 310 Arm1 對(duì)話框 15 雙擊 Create Cylinder，彈出 Command 對(duì)話框，按照下圖輸入 圖 311 Arm1 的 Command 對(duì)話框 同理創(chuàng)建半波振子的另一個(gè)臂 Arm2，在 Command 對(duì)話框中輸入下圖的數(shù)據(jù) 圖 312 Arm2 的 Command 對(duì)話框 ， Draw→ Rectangle 進(jìn)入創(chuàng)建矩形框狀態(tài)，在 3D 模型區(qū)隨意拖一個(gè)矩形框，其會(huì)顯示在三維模型樹下，默認(rèn)名稱為 Rectangle1。 圖 316 二元半波振子模型 17 ，利用 3D 模型材料工具欄，選擇 Vacuum，選擇菜單Draw→ Cylinder 進(jìn)入創(chuàng) 建圓柱模型狀態(tài)，在 3D 模型區(qū)隨意拖一個(gè)圓柱，其會(huì)顯示在三維模型樹的 Vacuum 下，雙擊改名稱為 Air，然后雙擊 Air 下的 Create Cylinder，按下圖修改數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊確定按鈕（這里我們選擇振子距離輻射邊界的距離在 λ/4~λ/2 之間）。 圖 319 完整的 3D 二元半波振子天線模型 ， Edit→ Select→ By Name，選擇 Air→ OK； HFSS→ Boundaries → Assign→ Radiation；輸入邊界名稱 Rad1→ OK。同理，建立 Lump port2，其輸入坐標(biāo)為 X： 0，Y： ， Z： ； dX： 0， dY： 0， dY： 。 ， HFSS→ Analysis Setup→ Add Sweep，選擇解決方案設(shè)置： Setup1；然后按照下圖配置 圖 320 掃頻設(shè)置對(duì)話框 ，命名為 Antenna。 ， HFSS→ Analysis All。 19 第 4 章 仿真結(jié)果分析與總結(jié) 仿真結(jié)果分析 分析 S11 參數(shù) 右擊工程樹下的 Result→ Create Report 彈出對(duì)話框，按照下圖選擇 圖 41 報(bào)告類型選擇 選擇好后，單擊 OK，彈出如下對(duì)話框，按下圖所示，選擇對(duì)應(yīng)選項(xiàng) 圖 42 S11 參數(shù)選擇 20 選擇好后，單擊 Add Trace，再單擊 Done，即可創(chuàng)建 S11 參數(shù)曲線圖 圖 43 S11 參數(shù)圖 從 S11 參數(shù)圖可以看出，該設(shè)計(jì)的二元陣的中心頻率約為 ，在該點(diǎn) S11 的值最小，約為 ，即在 處的反射很小，因此 S11 參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng) S1110dB的相對(duì)帶寬為 Bp=（ fUfL） /fC=（ ） /=%。 21 分析方向圖 定義輻射設(shè)置，輻射表面是基于球坐標(biāo)系定義的， xz 平面即球坐標(biāo)系下 φ=0176。的平面，而三維立體球面在球坐 標(biāo)系下表示為 0≤θ≤180176。；下面依次定義三個(gè)輻射表面 E_Plane、 H_Plane、 3D_Sphere，右擊工程樹下的 Radiation→ Insert Far Field Setup→ Infinite Sphere，在彈出的對(duì)話框中分別設(shè)置如下圖的三個(gè)輻射設(shè)置。 面（ xz 平面）增益方向圖，右擊工程樹下的 Result→ Create Report，報(bào)告類型： Far Fields、顯示類型： Radiation Pattern，在 Geometry 下選擇剛才設(shè)置的 E_Plane、在 Category下選擇 Gain、在 Quantity 下選擇 Gain Total、在 Function 下選擇 dB，然后單擊 Add Trace，再單擊 Done，即可創(chuàng)建 E 面增益方向圖 圖 47 E 面增益方向圖 面（ xy 平面）增益方向圖，右擊工程樹下的 Result→ Create Report，報(bào)告類型： Far Fields、顯示類型： Radiation Pattern，在 Geometry 下選擇剛才設(shè)置的 H_Plane、在 Primary Sweep 下拉菜單選擇 Phi、在 Category下選擇 Gain、在 Quantity下選擇 Gain Total、在 Function下選擇 dB，然后單擊 Add Trace，再單擊 Done，即可創(chuàng)建 H 面增益方向圖 圖 48 H 面增益方向圖 23 總結(jié)與展望 實(shí)物展示 圖 49 實(shí)物照片 1 圖 410 實(shí)物照片 2 如以上兩圖（圖 4圖 410）所示，該二元半波振子天線利用功分器（ 功分器全稱功 24 率分配器，是一種將一路輸入信號(hào)能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件 ）將激勵(lì)同時(shí)加到兩個(gè)半波振子上，使兩半波振子同時(shí)向外輻射，本設(shè)計(jì)所采用的是二功分的功分器，即是將一路輸入激勵(lì)分成兩路相等的能量，同時(shí)加 載到兩個(gè)半波振子上向外輻射。它是通過微調(diào)能夠?qū)崿F(xiàn)零輸入電抗，于是阻抗匹配問題就變得很輕松，這也是半波振子獲得廣泛應(yīng)用的重要原因之一。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)的最后一課，也是最重要的一課；是對(duì)大學(xué)學(xué)習(xí)知識(shí)過程的一個(gè)總結(jié)與檢測(cè)；是把所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通的一個(gè)整合過程；是培養(yǎng)和提高我們獨(dú)立學(xué)習(xí)、分析解決問題能力的一個(gè)重要過程。 萬事開頭難，在畢業(yè)論文選題之時(shí)，對(duì)該設(shè)計(jì)的方向很迷茫，不知如何下手，但是在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助之下，慢慢的對(duì)該設(shè)計(jì)課題有了明確方向。 總之，知識(shí)必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其真正的價(jià)值！此次設(shè)計(jì)過程中的收獲對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有極大幫助，也是我本次設(shè)計(jì)過程中最大收獲，將會(huì)使我終身受用。 6a*CZ7H$dq8Kqqf HVZFedswSyXTyamp。 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