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偶极子天线的仿真设计实验

发布时间:2014-07-01


  半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线,也是一种经典、迄今为止使用最广泛的天线之一。半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成,每根导线的长度为1/4个工作波长。导线的直径远小于工作波长,天线的激励是等幅反向的电压信号,加在天线中间的两个相邻断点上,且天线中间两个相邻端点间的距离远小于工作波长,可忽略不计。

实验内容
利用HFSS软件,设计一个工作在550MHz的半波偶极子天线,该天线采用同轴线馈电,并在天线臂上适当位置加载开路导线,抑制同轴线外导体上的电流。通过仿真得到该天线在工作频率处的电流分布、输入阻抗、反射系数、方向性系数以及方向图等。
(a)模型的创建和仿真。在HFSS软件中绘制出该偶极子天线,其结构如图1所示。该天线包含一对导体臂,采用同轴从中间馈电。为抑制同轴线外导体上的电流,需在其中一条导体臂上额外设计一段1/4个工作波长的终端开路导线(相当于巴伦,实现平衡到非平衡转换)。在定义好元件属性、边界条件,选择求解器,设置激励、计算频率、频率扫描范围等后,模型创建完成,即可进行电磁场全波仿真。

图1 HFSS操作界面(半波偶极子天线)

(b)性能参数的分析。仿真计算完成后,HFSS软件数据后处理部分能够给出天线的各项性能参数的仿真分析结果,如反射系数、驻波比、阻抗圆图、输入阻抗和方向图等。图2展示了仿真完成后,各项性能参数图。从图中我们可以看出,该偶极子天线在550MHz附近的反射系数达到-30dB,归一化阻抗约为1,匹配良好。并且,其-10dB带宽为520MHz到620MHz,相对带宽为18%。同时,从三维方向图可以得知,半波偶极子天线在一个辐射平面(xz平面,H面)内为全向辐射。


图6 HFSS软件仿真后半波偶极子天线的性能参数图

功能效果
至此,我们完成了使用HFSS软件设计分析半波偶极子天线的操作,在结果中我们查看了半波偶极子天线的各项性能参数。我们可将仿真所得各项结果与半波偶极子天线的理论值进行比较,加深对理论的理解和掌握。值得一提的是,我们在制作加工微波天线之前,十分有必要对结构进行电磁场全波仿真(如HFSS软件),这样才能得到预期可靠的性能。

实验视频