矩形波導(dǎo)天線的HFSS仿真

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1、1天線的主要參數(shù)時(shí)變的電流和被加速的電荷都可以產(chǎn)生輻射，輻射產(chǎn)生的電磁能量能夠在空間中傳播。天線能夠定向輻射和接收電磁波能量。天線按照工作性質(zhì)可以分為發(fā)射天線和接收天線；按照用途可以分為通信天線、雷達(dá)天線、廣播天線和電視天線等；按照波段可以分為長(zhǎng)波天線、中波天線和短波天線等。一般常見(jiàn)的天線結(jié)構(gòu)為線天線、環(huán)天線、面天線、喇叭天線、介質(zhì)天線、微帶天線和裂縫天線等。為了實(shí)現(xiàn)特定的工程任務(wù)，天線經(jīng)常也組成天線陣列。1.1方向圖天線的空間輻射在不同方向是不同的，可以用方向性函數(shù)f(,)??來(lái)描述。根據(jù)方向

2、性函數(shù)繪制的天線輻射（或接收）場(chǎng)強(qiáng)-振幅-方向三維特性的圖形簡(jiǎn)稱為方向圖。工程也常采用兩個(gè)互相正交主平面上的剖面圖來(lái)描述天線的方向性，一般為俯視圖和水平面方向圖。繪制某一平面的方向圖時(shí)，可以采用極坐標(biāo)方式。方向圖一般呈花瓣?duì)?，所以也稱為波瓣圖，其中最大的波瓣稱為主瓣，其余的稱為副瓣或旁瓣。方向圖主瓣上兩個(gè)半功率電平點(diǎn)之間的夾角稱為主瓣寬度或半功率波束寬度。電場(chǎng)最大值Emax所在的波瓣稱為主瓣。在Emax的兩邊，電場(chǎng)下降到最大值2/2時(shí)，對(duì)應(yīng)功率為最大方向的一半，這兩個(gè)輻射方向之間的夾角即為主瓣寬

3、度。1.2方向性系數(shù)發(fā)射天線的方向性系數(shù)表征天線輻射的能量在空間分布的集中能力，定義為相同輻射情況下，天線在給定方向的輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度之比：2E(,)??D(,)???（1-1）2E0式中，E???,?是該天線在???,?方向下某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，E是全方向點(diǎn)源天線0在同一點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)。一般情況下關(guān)心的均為最大輻射方向的方向系數(shù)。接收天線的方向性系數(shù)表征天線從空間接收電磁能量的能力，即在相同來(lái)波場(chǎng)強(qiáng)的能量下，天線在某方向接收時(shí)向負(fù)載輸出功率與點(diǎn)源天線在同方向接收是向負(fù)載輸出功率之比。發(fā)射天線的方向

4、性系數(shù)和接收天線的方向性系數(shù)雖然在定1義上不同，但數(shù)值上是一樣的。增益：如果將式（1-1）定義的方向性系數(shù)中的輻射功率改為天線的輸入功率，即考慮天線本身的能量轉(zhuǎn)換效率，則該定義為增益。1.3輸入阻抗天線的輸入阻抗定義為輸入端電壓和電流之比。接到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線，其輸入阻抗等效為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的負(fù)載。因此，輸入抗阻值的大小表征了天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的匹配情況，體現(xiàn)了導(dǎo)行波和輻射波之間能量轉(zhuǎn)換的好壞。一般情況下，天線的輸入阻抗具有電阻和電抗兩個(gè)部分。電阻主要包括輻射電阻和損耗電阻，輻射電阻的大小

5、表示天線輻射和接收能力的強(qiáng)弱；損耗電阻表示天線自身對(duì)于微波能量的損耗。1.4極化天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場(chǎng)信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播。因此，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播方式。

6、另外，隨著新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大量采用雙極化天線。就其設(shè)計(jì)思路而言，一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式，性能上一般后者優(yōu)于前者，因此目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線，并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個(gè)小區(qū)的天線數(shù)量；同時(shí)由于±45°為正交極化，有效保證了分集接收的良好效果。（其極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB。）1.5帶寬每個(gè)天線都有其中心工作頻率，在偏離中心工作頻率，天線的某些電性能將會(huì)下降，電性能

7、下降到容許值的頻率范圍，就稱為天線的帶寬。這里所關(guān)心的電性能可以是輸入阻抗，也可以是增益等。天線帶寬的表示方法有兩種：一種是絕對(duì)帶寬，是指天線實(shí)際工作的頻率范2圍，另一種是相對(duì)帶寬，是絕對(duì)帶寬與中心頻率之比。2惠更斯元的輻射及矩形同相平面口徑的輻射2.1惠更斯元的輻射圖2-1口徑面的輻射如圖2-1所示面天線通常由金屬面S1和初級(jí)輻射源組成。設(shè)包圍天線的封閉曲面由金屬面的外表面S1以及金屬面的口徑面S2共同組成，由于S1為導(dǎo)體的外表面，其上的場(chǎng)為零，于是面天線的輻射問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為口徑面S2的輻射。由

8、于口徑面上存在著口徑場(chǎng)ES和HS，根據(jù)惠更斯原理(Huygen'sPrinciple)，將口徑面S2分割成許多面元，這些面元稱為惠更斯元或二次輻射源。由所有惠更斯元的輻射之和即得到整個(gè)口徑面的輻射場(chǎng)。為方便計(jì)算，口徑面S2通常取為平面。當(dāng)由口徑場(chǎng)求解輻射場(chǎng)時(shí)，每一個(gè)面元的次級(jí)輻射可用等效電流元與等效磁流元來(lái)代替，口徑場(chǎng)的輻射場(chǎng)就是由所有等效電流元（等效電基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同產(chǎn)生的。這就是電磁場(chǎng)理論中的等效原理(FieldEquivalenceTheorem)。圖2-2惠