單極子天線 論文 電子版

1、單極子天線電波傳播與天線 冉強(qiáng) 2012302700050摘要：?jiǎn)螛O子天線用來發(fā)射和接收固定頻率的信號(hào)，通常用于短波超短波頻段。雖然在平時(shí)的測(cè)量中都使用寬帶天線，但在場(chǎng)地衰減和天線系數(shù)的測(cè)量中都需要使用偶極子天線和單極子天線。隨著近年計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多仿真軟件，這些工具使工程人員能對(duì)設(shè)計(jì)出來的天線進(jìn)行仿真。本文介紹了FEKO軟件，以及基于FEKO的單極子天線的仿真設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)螛O子天線；FEKO。引言1.1單極子天線簡(jiǎn)介天線（antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。單極子（Monopole）天線或

2、稱為直立天線是垂直于地面或?qū)щ娖矫婕茉O(shè)的天線，已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)、中、短波及超短波波段。其基本原理結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，其由長(zhǎng)為h的直立振子和無(wú)限大地板組成。地面的影響可用天線的鏡像來代替，這樣單極子天線就可等效為自由空間內(nèi)臂長(zhǎng)為2h的對(duì)稱振子。當(dāng)然，這樣的等效僅對(duì)地面上的半空間等效，原因是地板以下沒有輻射場(chǎng)。圖1.1單極子天線及其等效在長(zhǎng)波波段，大地接近理想導(dǎo)電體，電磁能量主要以地波形式在地面和電離層低層所限制的空間內(nèi)傳播；在中波波段，距離較近時(shí)也是以地波形式傳播。夜間，在距天線一定距離的環(huán)形區(qū)域中，同時(shí)存在強(qiáng)度大體上相近的天波和地波，兩者互相干擾從而產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落現(xiàn)象。為了防止衰落，應(yīng)設(shè)法降低高

3、仰角(超過55度)的輻射。雖然短波以天波傳播為主，但對(duì)于幾十公里的近距離通信，仍主要采用地波傳播的方式。在地波傳播中，水平極化波的衰減遠(yuǎn)大于垂直極化波。因此，使用垂直天線是有利的。對(duì)于接近地面的超短波移動(dòng)通信，要求沿地面方向產(chǎn)生最大輻射。一般情況下，也要采用產(chǎn)生垂直極化場(chǎng)的單極子天線。在長(zhǎng)、中波波段，單極子天線的主要問題是天線的高度往往受到限制。例如工作于波長(zhǎng)為1000米的電臺(tái)，天線架設(shè)高度100米，以波長(zhǎng)衡量也僅為0.1，電尺寸是很小的。即使在短波波段，在移動(dòng)通信中由于天線高度受到涵洞、橋梁等環(huán)境等本身結(jié)構(gòu)的限制，也不能架設(shè)的太高。因?yàn)殡婇L(zhǎng)度小將引起下述問題：(1)輻射電阻小。與輻射電阻相比

4、，損耗電阻較大。這樣，天線的輻射效率就較低。(2)Q值高。天線的輸入電阻小，但輸入電抗很大，因此Q值高。也就是說，天線的諧振曲線很尖銳，工作頻帶很窄。(3)易產(chǎn)生過壓或燒毀現(xiàn)象。當(dāng)輸入功率一定時(shí)，由于輸入電阻小而輸入電抗高，使得天線的匹配電路的電流很大。這樣，輸入端電壓就很高，天線頂端的電壓更高，這是大功率電臺(tái)必須注意的問題，使天線匹配電路易于產(chǎn)生過壓現(xiàn)象。上述問題在長(zhǎng)、中波波段都需要考慮。在短波波段，由于工作頻率較高，雖然相對(duì)帶寬不大，但仍可得到較寬的絕對(duì)通頻帶(f)。加之距離近、所用電臺(tái)功率均較小，故主要考慮的是效率問題。若天線電尺寸很小，例如小于0.1，將屬于“電小天線”的范疇。1.2F

5、EKO軟件簡(jiǎn)介FEKO軟件是一款強(qiáng)大的三維全波電磁仿真軟件。FEKO是德語(yǔ)FEldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache的縮寫，意思是任意復(fù)雜電磁場(chǎng)計(jì)算，適用于復(fù)雜形狀三維物體的電磁場(chǎng)分析。FEKO是一款用于3D結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)分析的仿真工具。它提供多種核心算法，矩量法（MoM）、多層快速多極子方法（MLFMM）、物理光學(xué)法（PO）、一致性繞射理論（UTD）、有限元（FEM）、平面多層介質(zhì)的格林函數(shù)，以及它們的混合算法來高效處理各類不同的問題。 FEKO界面主要有三個(gè)組成部分：CADFEKO、EDITFEKO、POSTFEKO。CADFEKO

6、用于建立幾何模型和網(wǎng)格剖分。文件編輯器EDITFEKO用來設(shè)置求解參數(shù)，還可以用命令定義幾何模型，形成一個(gè)以*.pre為后綴的文件。前處理器/剖分器POSTFEKO用來處理*.pre為后綴的文件，并生成*.fek文件，即FEKO實(shí)際計(jì)算的代碼；它還可以用于在求解前顯示FEKO的幾何模型、激勵(lì)源、所定義的近場(chǎng)點(diǎn)分布情況以及求解后得到的場(chǎng)值和電流。 FEKO主要有以下典型應(yīng)用： 天線設(shè)計(jì)：線天線、喇叭和口徑天線、反射面天線、微帶天線、相控陣天線、螺旋天線、等等； 天線布局：實(shí)際上，天線總是裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)上的，這會(huì)改變天線的“自由空間”輻射性能； EMC/EMI分析：由于MoM中僅僅需要離散電流流過的

7、表面，F(xiàn)EKO非常適合各種類型的EMC仿真； 平面微帶天線：FEKO采用全波方法分析微帶天線，可以精確獲得耦合、近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、輻射方向圖、電流分布、阻抗等參數(shù)； 電纜系統(tǒng)：FEKO與CableMod結(jié)合起來，可以非常高效地處理系統(tǒng)中的負(fù)責(zé)電纜束的耦合以及電纜與天線的耦合問題； SAR計(jì)算：不同介質(zhì)參數(shù)區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)值可以計(jì)算出來。然后這些場(chǎng)值被用于計(jì)算規(guī)范吸收比（SAR）； 雷達(dá)散射截面（RCS）計(jì)算：對(duì)于大型目標(biāo)、地面目標(biāo)等的RCS雷達(dá)散射截面（目標(biāo)識(shí)別）計(jì)算也通常是電大尺寸問題，同樣，F(xiàn)EKO的混合高頻算法對(duì)這類問題也有很好的計(jì)算效果。 介質(zhì)體和鐵磁材料：FEKO的面等效原理和體等效原理對(duì)介質(zhì)體

8、、鐵磁材料體等結(jié)構(gòu)提供有效的計(jì)算方式。同時(shí)，其在平面多層介質(zhì)、涂敷線、介質(zhì)基片等應(yīng)用領(lǐng)域也提供相應(yīng)的處理手段。FEKO軟件下的單極子天線模擬仿真首先定義變量命名規(guī)則有（1）字母數(shù)字，支持帶下劃線（不含有空格）；（2）第一個(gè)符號(hào)必須是字母；（3）不區(qū)分大小寫；（4）可與關(guān)鍵點(diǎn)共享名字。定義變量的目的是參數(shù)化表達(dá)，應(yīng)用于幾何尺寸的定義、幾何的操作及修改、網(wǎng)格剖分。主要定義如下：1. 創(chuàng)建多邊形及圓弧2. 使用變量修改幾何模型依次修改平板和圓弧3. 創(chuàng)建第二個(gè)圓弧，利用圓弧一復(fù)制。LOFT面：界面顯示為：4. 復(fù)制并旋轉(zhuǎn)“Elliptic_Arc1”部分、復(fù)制并旋轉(zhuǎn)“Elliptic_Arc1”部分、LOFT： 5. 復(fù)制“Elliptic_Arc1”部分part and Spin 6. 創(chuàng)建線