《電波與天線》課件第5章

項(xiàng)目五用HFSS仿真天線陣5.1天線陣5.2引向天線5.3電視發(fā)射天線在通信系統(tǒng)中，特別是在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信系統(tǒng)中，要求天線有相當(dāng)強(qiáng)的方向性，即天線能將絕大部分能量集中向某一預(yù)定方向輻射，然而由項(xiàng)目四中的討論可知，單一的對(duì)稱(chēng)天線隨著對(duì)稱(chēng)天線臂的電長(zhǎng)度l/λ的增大，其方向圖的主瓣變窄，方向性會(huì)變好，然而當(dāng)l/λ>0.5時(shí)，天線上就會(huì)出現(xiàn)反向電流，使得主瓣變小，副瓣增大，方向性變差。如圖5－1所示。所以單靠增加天線的長(zhǎng)度來(lái)提高其方向性是不可行的，解決的辦法是使用天線陣列。5.1天線陣圖5－15.1.1天線陣原理

天線陣的作用就是用來(lái)增強(qiáng)天線的方向性，提高天線的增益系數(shù)，或者為了得到所需的方向特性。所謂天線陣，就是將若干個(gè)相同的天線按一定規(guī)律排列起來(lái)組成的天線陣列系統(tǒng)。組成天線陣的獨(dú)立單元稱(chēng)為天線單元或陣元。陣元可以是任何類(lèi)型的天線，可以是對(duì)稱(chēng)振子、縫隙天線、環(huán)天線或其他形式的天線。但同一天線陣的陣元類(lèi)型應(yīng)該是相同的，且在空間擺放的方向也相同。因陣元在空間的排列方式不同，天線陣可組成直線陣列、平面陣列、空間陣列（立體陣列）等多種不同的形式。還有一種稱(chēng)為“共形陣”，即陣元配置在飛機(jī)或?qū)棇?shí)體的表面上，與飛行器表面共形。圖5－2天線陣的輻射特性取決于陣元的類(lèi)型、數(shù)目、排列方式、陣元間距以及陣元上電流的振幅和相位分布。天線陣的輻射場(chǎng)是各個(gè)天線元所產(chǎn)生電磁場(chǎng)的矢量疊加。下面證明，把能量分配到多個(gè)天線單元組成的天線陣上去，可以使方向性增強(qiáng)。

首先以?xún)蓚€(gè)半波振子為例，說(shuō)明方向性增強(qiáng)原理。先討論只有振子Ⅰ的情況，如圖5－2所示：

若振子Ⅰ的輸入功率為PA、輸入電阻為RA，則輸入電流為(5－1)在與振子軸垂直而相距r0的M點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為E0，由(5－2)圖5－3再討論兩個(gè)振子的情況。如再增加一個(gè)振子Ⅱ，如圖5－3所示，使振子上的總功率仍為PA，但平分給兩個(gè)振子，并且假設(shè)兩振子相距較遠(yuǎn)、彼此耦合影響可以忽略，則此時(shí)M點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為即（5－3）由式（5－3）可以得出結(jié)論：在輸入功率相同的條件下，遠(yuǎn)區(qū)M點(diǎn)所得到的場(chǎng)強(qiáng)，二元陣比單個(gè)振子時(shí)增強(qiáng)了 倍。同理可以證明：若功率不變，將能量分配到n個(gè)振子上，則場(chǎng)強(qiáng)將增加為倍，即。

應(yīng)當(dāng)注意的是，電場(chǎng)增強(qiáng)為倍只是對(duì)正前方M點(diǎn)而言，在其他方向上就要具體分析了。如果討論上圖的N點(diǎn)方向，當(dāng)兩射線的行程差為dcosθ=λ/2時(shí)，其引起的相位差將為π，這表示兩振子到達(dá)該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)等值反相，合成場(chǎng)為零。所以說(shuō)把能量分配到各振子上去以后，方向性可以增強(qiáng)的根本原因是由于各振子的場(chǎng)在空間相互干涉，結(jié)果使某些方向的輻射增強(qiáng)，另一些方向的輻射減弱，從而使主瓣變窄。

以上關(guān)于兩個(gè)半波振子的討論和光的雙縫干涉的相關(guān)原理非常相似，可以參考相關(guān)資料以幫助理解。5.1.2二元陣的方向特性

通常組成天線陣的天線單元的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、形狀與尺寸相同，在空間放置方向（取向）也是相同的，所以它們具有相同的方向性函數(shù)。

設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)振子Ⅰ和Ⅱ放置于x軸上，間距為d，且空間取向一致（平行于z軸），如圖5－4所示。圖5－4式中，f1(θ，φ)表示單元天線的方向性函數(shù)，也稱(chēng)為單元天線的自因子，此處為對(duì)稱(chēng)振子的方向性函數(shù)，即（5-4）天線Ⅰ在遠(yuǎn)區(qū)M點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為(5－5)在赤道面中，θ=90°，則此時(shí)f1(θ，φ)=1－cos(βl)為單元天線在赤道面的方向性函數(shù)。所以(5－6)同理天線Ⅱ在遠(yuǎn)區(qū)M點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)為(5－7)因此，在遠(yuǎn)區(qū)M點(diǎn)的合成場(chǎng)強(qiáng)為E=E1+E2

，即：(5－8)這是二元陣輻射場(chǎng)的一般形式。式中，ξ=ψ+βdcosφ代表兩天線單元輻射場(chǎng)的相位差，即天線Ⅱ相對(duì)于天線Ⅰ在M點(diǎn)的輻射場(chǎng)總的領(lǐng)先相位，它是波程差引起的相位差和激勵(lì)電流相位差之和。

由此可見(jiàn)，天線陣的合成場(chǎng)由兩部分相乘得到：第一部分E1是天線陣元Ⅰ在M點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，它只與天線陣元的類(lèi)型、尺寸和取向有關(guān)，即與天線陣元的方向性函數(shù)即自因子有關(guān)，也稱(chēng)為元函數(shù)；第二部分（1+mejξ）取決于兩天線間的電流比（包括振幅比與相位ψ）以及相對(duì)位置d，與天線的類(lèi)型、尺寸無(wú)關(guān)，稱(chēng)為陣因子。合成場(chǎng)的模值，即合

成場(chǎng)的振幅為(5－9)其中： 稱(chēng)為陣因子或陣函數(shù)。對(duì)應(yīng)的二元陣合成場(chǎng)在赤道面的方向性函數(shù)為(5－10)式（5－10）中，自因子f1(φ)=1－cos(βl)為單元天線在赤道面的方向性函數(shù)。稱(chēng)為二元陣的陣因子。f(φ)由天線間的間距d、兩天線電流的比m、ψ來(lái)決定，而與單元天線的尺寸、電流大小無(wú)關(guān)。當(dāng)d、m和ψ確定后，便可確定出陣因子f(φ)和天線陣的方向性函數(shù)F(φ)。用同樣的分析方法可推導(dǎo)出二元陣在子午面的方向性函數(shù)為（要注意：在子午面中，兩射線的行程差是：r1－r2=dsinθ）其中，自因子為(5－12)陣因子為(5－13)則E面的總方向性函數(shù)為F(θ)=f1(θ)·f(θ)。由以上結(jié)果仍可得到上述結(jié)論，即二元陣的方向性函數(shù)無(wú)論是在赤道面內(nèi)還是在子午面內(nèi)，均為單元天線的方向性函數(shù)與陣因子的乘積。結(jié)果表明，由相同天線單元構(gòu)成的天線陣的總方向性函數(shù)（或方向圖），等于單個(gè)天線元的方向性函數(shù)（或方向圖）與陣因子（方向圖）的乘積，這是陣列天線的一個(gè)重要定理——方向性乘積定理。

由上述分析可得出方向性乘積定理的一般式在應(yīng)用方向性乘積定理時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）只有各天線單元方向性函數(shù)相同時(shí)才能應(yīng)用方向性乘積定理。天線單元方向性函數(shù)要相同，除要求陣列中天線單元結(jié)構(gòu)、形式相同以外，還要求天線單元排列方向相同。（2）陣因子函數(shù)只與陣列的構(gòu)成情況（如d、m、ψ等）有關(guān)，而與天線陣元的形式無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，無(wú)論天線單元是對(duì)稱(chēng)陣子、縫隙天線、螺旋天線還是喇叭天線甚至是另外的陣列天線都沒(méi)有關(guān)系，只要它們的組成情況相同（d、m、ψ相同），它們的陣函數(shù)的表示式都相同。

（3）雖然這里是用二元陣導(dǎo)出的方向性乘積定理，但這一定理同樣可以應(yīng)用于多元陣。

（4）若令自因子f1(θ，φ)=1，即陣元為無(wú)方向性點(diǎn)源時(shí)，F(xiàn)(θ，φ)=f(θ，φ)，即整個(gè)天線陣列的方向函數(shù)就等于陣因子。

［例5－1］試求兩個(gè)沿x方向排列、間距d為λ/2且平行于z軸放置的對(duì)稱(chēng)半波振子天線在電流為等幅同相激勵(lì)時(shí)的H面方向圖。

解：由題意知d=λ/2，ψ=0，m=1，2l=λ/2，將其代入相應(yīng)公式（5－11），得二元陣的H面方向性函數(shù)f1(φ)=1-cos(βl)=1為常數(shù)，所以單元天線為無(wú)方向性的點(diǎn)源，其方向性函數(shù)的圖形為一個(gè)圓。(5－14)因F(φ)=f1(φ)·f(φ)，而f1(φ)=1，所以整個(gè)天線陣的方向函數(shù)就等于陣因子方向函數(shù)。

將已知條件代入式（5－14）得（5-15）根據(jù)式（5－15）畫(huà)出H面的方向圖如圖5－5所示。圖5－5在實(shí)際應(yīng)用中，用對(duì)稱(chēng)單元天線組成的二元陣，往往滿足不了方向性的要求。為了得到較強(qiáng)的方向性，可以采用多元陣。多元陣的單元天線按一定方式排列，利用方向性乘積原理，可以增強(qiáng)某些方向的輻射，相應(yīng)地減弱另一些方向的輻射。其中比較常見(jiàn)的多元陣排列方式是直線排列，這點(diǎn)也非常類(lèi)似于光的多縫干涉原理。5.1.3均勻直線式天線陣

在許多無(wú)線電系統(tǒng)中，用對(duì)稱(chēng)單元天線組成的二元陣，往往滿足不了方向性的要求。為了得到較強(qiáng)的方向性，可以采用多元陣。多元陣的單元天線按一定方式排列，利用方向性乘積原理，可以增強(qiáng)某些方向的輻射，相應(yīng)地減弱另一些方向的輻射。

下面我們討論一種具有實(shí)用價(jià)值的簡(jiǎn)單天線陣，即均勻直線式天線陣。

均勻直線式天線陣的條件是：在這種天線陣中，各天線單元電流的幅度相等，相位以均勻比例遞增或遞減，而且以相等間距d排列在一直線上。

n元均勻直線式天線陣，其相鄰單元的間距均為d，各電流的相位差為ψ，即I1=I，I2=Ie-jψ，I3=Ie-j2ψ，…，In=Ie-j(n-1)ψ。

兩種特殊情況的均勻直線陣:

1)邊射式天線陣

最大輻射方向與天線陣軸線互相垂直的天線稱(chēng)為邊射式天線陣或側(cè)射式天線陣。

構(gòu)成邊射式天線陣的條件是：該天線陣的相鄰天線單元的電流相位相同，即ψ=0。

2)端射式天線陣

在實(shí)踐中，有時(shí)需要使天線陣的最大輻射方向指向沿天線陣軸線的方向，即φmax=0°，這樣的天線陣就叫端射式天線陣。構(gòu)成端射陣的條件是：天線陣的相鄰天線單元的電流相位差ψ=βd。 5.2引向天線

引向天線又稱(chēng)為八木天線，是由日本人八木和宇田在1927年研制發(fā)明的，它廣泛應(yīng)用于米波和分米波通信系統(tǒng)以及雷達(dá)、電視和其他無(wú)線通信系統(tǒng)中。引向天線的結(jié)構(gòu)如圖5－6所示，它由三部分組成，即由一個(gè)有源振子（通常為半波振子或半波折合振子），一個(gè)反射器（通常為略長(zhǎng)于半波振子的無(wú)源振子）和若干引向器（分別為略短于半波振子的無(wú)源振子）平行排列構(gòu)成。除了有源振子是通過(guò)饋線與信號(hào)源或接收機(jī)相連外，其余振子均為無(wú)源振子。圖5－6由于各無(wú)源振子中點(diǎn)均為電壓波節(jié)點(diǎn)，因此這些振子的中點(diǎn)電位均為零，所以無(wú)源振子的中點(diǎn)可直接短路，固定在金屬支撐桿上，金屬支撐桿與振子垂直，所以在金屬支撐桿上不會(huì)激勵(lì)起沿桿的縱向電流，也不參與輻射。金屬支撐桿僅起到機(jī)械支撐作用，對(duì)天線的電性能幾乎沒(méi)有什么影響。

引向天線的最大輻射方向在垂直于各振子方向上，且由有源振子指向引向器，所以，它是一種端射式天線陣。

引向天線的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，饋電方便，易于操作，成本低，風(fēng)載荷小，方向性較強(qiáng)，體積小。

引向天線的主要缺點(diǎn)是：工作頻帶窄。5.2.1引向天線的工作原理

由前面討論可知，天線陣可以增強(qiáng)天線的方向性，而改變各單元天線的電流振幅比可以改變方向圖的形狀，以獲得所要的方向性。引向天線實(shí)際上也是一個(gè)天線陣，與前面介紹的天線陣相比不同的是，引向天線只對(duì)其中的一個(gè)振子饋電，其余振子則是靠與饋電振子之間的近場(chǎng)耦合所產(chǎn)生的感應(yīng)電流來(lái)獲得激勵(lì)，而感應(yīng)電流的大小取決于各振子的長(zhǎng)度及其間距。因此，調(diào)整各振子的長(zhǎng)度及間距可以改變各振子之間的電流振幅比，從而達(dá)到控制天線方向性的目的。研究表明，改變無(wú)源振子的長(zhǎng)度及其與有源振子的間距，就可以獲得我們所需要的方向性。一般情況下，有源振子的長(zhǎng)度為半個(gè)波長(zhǎng)，稱(chēng)半波振子。

當(dāng)無(wú)源振子與有源振子的間距d<0.25λ時(shí)，無(wú)源振子的長(zhǎng)度略短于有源振子的長(zhǎng)度，由于無(wú)源振子電流I2相位滯后于有源振子I1

，故二元引向天線的最大輻射方向偏向無(wú)源振子的所在方向。此時(shí)，無(wú)源振子具有引導(dǎo)有源振子輻射場(chǎng)的作用，故稱(chēng)為引向器。反之，當(dāng)無(wú)源振子的長(zhǎng)度長(zhǎng)于有源振子的長(zhǎng)度時(shí)，無(wú)源振子的電流相位超前于有源振子，故二元引向天線的最大輻射方向偏向有源振子所在的方向。在這種情況下，無(wú)源振子具有反射有源振子輻射場(chǎng)的作用，故稱(chēng)為反射器。因此，在超短波天線中，通過(guò)改變無(wú)源振子的長(zhǎng)度2l2以及它與有源振子的間距d來(lái)調(diào)整它們的電流振幅比m和相位差ψ，就可以達(dá)到改變引向天線的方向圖的目的。

一般情況下，當(dāng)只改變無(wú)源振子的長(zhǎng)度2l2時(shí)，無(wú)源振子與有源振子的間距取d=(0.15～0.23)λ；當(dāng)無(wú)源振子作為引向器時(shí)，其振子長(zhǎng)度取為2l2＝（0.42～0.46）λ。當(dāng)無(wú)源振子作為反射器時(shí)，其振子長(zhǎng)度取為2l２＝（0.50～0.55）λ。還可以只調(diào)節(jié)無(wú)源振子與有源振子的間距d，即當(dāng)無(wú)源振子作為引向器時(shí)，取間距d=(0.23~0.3)λ；當(dāng)無(wú)源振子作為反射器時(shí)，取間距d=(0.15~0.23)λ。5.2.2引向天線的設(shè)計(jì)

引向天線的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)給定天線的增益、主瓣寬度、半功率角、前后輻射比和工作的頻帶寬度來(lái)計(jì)算天線的目數(shù)、振子的長(zhǎng)度以及它們之間的距離。這些尺寸對(duì)引向天線的性能都有影響，而且各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)尺寸的要求可能是相互矛盾的。當(dāng)天線增益最佳時(shí)，天線的輸入阻抗很低，頻帶也不寬，要想增加頻帶寬度和獲得合適的輸入阻抗，就得降低增益。所以，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，需要在各項(xiàng)指標(biāo)中尋求最佳方案。

工程上，一般是利用近似公式、曲線圖表和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)（或者仿真），反復(fù)調(diào)整，直到最后滿足設(shè)計(jì)要求。例如，設(shè)計(jì)一副增益為12dB的引向天線的步驟為：

（1）確定振子的個(gè)數(shù)N。由圖5－7所示的G-N關(guān)系曲線圖查得當(dāng)G=12dB時(shí)，N=8，即需8個(gè)單元振子(包括1個(gè)有源振子，1個(gè)反射器和6個(gè)引向器)。

（2）確定天線的總長(zhǎng)度L（即支撐桿的長(zhǎng)度）。由圖5－8所示的L/λ-N的關(guān)系曲線圖查得當(dāng)N=8時(shí)，可以初步確定天線的L/λ＝1.8。進(jìn)而確定L的長(zhǎng)度。圖5－7圖5－8（3）確定振子長(zhǎng)度l和間距d。

反射器與引向器通常均采用單線振子。反射器的長(zhǎng)度一般稍長(zhǎng)于有源振子，即2l/λ在0.5～0.55之間。引向器的長(zhǎng)度略短于有源振子，即2l/λ在0.4～0.44之間。引向器越多，引向器的長(zhǎng)度越短。當(dāng)引向器數(shù)量很多時(shí)，它們的長(zhǎng)度有不同的組合方案：可以是全部等長(zhǎng)（但間距不同）；也可以是隨著與有源振子距離的加大，長(zhǎng)度逐漸減小。單元間距的選擇要同時(shí)從方向特性和阻抗特性?xún)煞矫婵紤]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引向器與有源振子的間距di較大時(shí)，方向圖的主瓣較窄、增益較高，輸入阻抗較高，天線的阻抗頻帶較寬，但副瓣較大，易接收干擾信號(hào)。但當(dāng)di>0.4λ時(shí)，增益開(kāi)始下降，故間距不宜太大。如果間距過(guò)小，振子間的互耦增大，有源振子的輸入阻抗隨頻率的變化劇烈(說(shuō)明帶寬變窄)且電阻的數(shù)值變小，會(huì)影響到天線和饋線間的匹配，因此di取值不應(yīng)小于0.1λ。綜上所述，di的取值范圍為（0.1～0.4）λ。通常，除第一引向器外，其他引向器按等間距排列。實(shí)際應(yīng)用中也有采用不等間距的，其原則是距主振子越遠(yuǎn)的引向器與相鄰單元之間的距離越大。反射器與有源振子的距離dr對(duì)天線方向圖的前后比和輸入阻抗的影響較大。dr的取值范圍為（0.15～0.31）λ。當(dāng)dr值較小（dr＝（0.15～0.17）λ）時(shí)，后瓣電平低，方向圖的前后輻射比較高，但天線的阻抗頻帶較窄，天線的輸入電阻也較低。當(dāng)dr

＝（0.2～0.31）λ時(shí)，后瓣電平高，方向圖的前后輻射比較小，但天線的阻抗頻帶較寬，輸入電阻也較高，便于和常用電纜匹配。當(dāng)反射器不用單根導(dǎo)線，而用由多根導(dǎo)線構(gòu)成的柵狀平面或曲面代替時(shí)，可改善天線的前后輻射比。無(wú)源振子數(shù)量較少時(shí)，為取得最佳組合，它們的長(zhǎng)度和間距常常各不相同；無(wú)源振子數(shù)量較多（如6個(gè)以上）時(shí)，全部引向振子常做成等長(zhǎng)等間距，但其中第一個(gè)引向振子與有源振子的間距d′取的較小一些，與其他引向振子間的間距d的關(guān)系為d′=(0.6～0.7)d。

可調(diào)整引向器的間距d（一般取(0.15～0.27)λ）。若d取值較大，則增益高，方向性尖銳，但是副瓣也高，易接收干擾信號(hào)，且縱向尺寸長(zhǎng)，支撐復(fù)雜。第一根引向器距有源振子的間距d2取得小些（一般取(0.1～0.15)λ），這樣有利于加寬頻帶。5.2.3在HFSS中仿真引向天線

任務(wù)要求：仿真計(jì)算引向天線的特性參數(shù)。

設(shè)備要求：計(jì)算機(jī)一臺(tái)、HFSS軟件。

HFSS設(shè)計(jì)步驟

1.初始步驟

(1)打開(kāi)軟件AnsoftHFSS。點(diǎn)擊Start按鈕，選擇Program，然后選擇Ansoft/HFSS11，點(diǎn)擊HFSS11。

（2）新建一個(gè)項(xiàng)目。在窗口中，點(diǎn)擊新建，或者選擇菜單項(xiàng)File/New，然后在Project菜單中，選擇InsertHFSSDesign。

（3）設(shè)置求解類(lèi)型。點(diǎn)擊菜單項(xiàng)HFSS/SolutionType，在跳出窗口中選擇DrivenModal，如圖5－9所示。再點(diǎn)擊OK按鈕。圖5－9（4）為建立模型設(shè)置單位為mm，如圖5－10所示。圖5－10

2.創(chuàng)建3D模型

(1)繪制棍狀圓柱體作為天線的反射器fanshe。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的如圖5－11所示的窗口中：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，-48mm；[JP2]設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-75mm；定義圓柱體的屬性：Name為fanshe，Transport項(xiàng)為0.8。選中剛才畫(huà)的圓柱體fanshe，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的反射器。圖5－11（2）繪制棍狀圓柱體作為天線的有源振子zhenzi1。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-6mm，0mm，0mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-65mm；定義圓柱體的屬性：Name為zhenzi1，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體zhenzi1，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的有源振子。（3）繪制棍狀圓柱體作為天線的引向器yinxiang1。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，50mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-55mm；定義圓柱體的屬性：Name為yinxiang1，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體yinxiang1，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的引向器。（4）繪制棍狀圓柱體作為天線的引向器yinxiang2。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，100mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-55mm；定義圓柱體的屬性：Name為yinxiang2，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體yinxiang2，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的引向器。（5）繪制棍狀圓柱體作為天線的引向器yinxiang3。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，150mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-55mm；定義圓柱體的屬性：Name為yinxiang3，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體yinxiang3，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的引向器。（6）繪制棍狀圓柱體作為天線的引向器yinxiang4。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，200mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-55mm；定義圓柱體的屬性：Name為yinxiang4，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體yinxiang4，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的引向器。（7）繪制棍狀圓柱體作為天線的引向器yinxiang5。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，250mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-55mm；定義圓柱體的屬性：Name為yinxiang5，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體yinxiang5，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的引向器。（8）繪制棍狀圓柱體作為天線的引向器yinxiang6。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，300mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-55mm；定義圓柱體的屬性：Name為yinxiang6，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體yinxiang6，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的引向器。（9）繪制棍狀圓柱體作為天線的引向器yinxiang7。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Cylinder，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

在操作記錄樹(shù)中找到CreateCylinder雙擊，再在跳出的窗口中進(jìn)行以下操作：

設(shè)置圓柱體中心點(diǎn)坐標(biāo)為-5mm，0mm，350mm；設(shè)置軸Axis為X；設(shè)置圓柱體半徑為2.5mm；設(shè)置圓柱體高度為-55mm；定義圓柱體的屬性：Name為yinxiang7，Transport項(xiàng)為0.8。

選中剛才畫(huà)的圓柱體yinxiang7，在右擊菜單中選擇Edit/Duplicate/Mirror，再在窗口右下角坐標(biāo)輸入欄中輸入如下坐標(biāo)：

X：0，Y：0，Z：0

dX：5，dY：0，dZ：0

這樣經(jīng)鏡像復(fù)制又得到1根圓柱體，上下2根圓柱體就構(gòu)成了天線的引向器。（10）繪制長(zhǎng)方體作為天線的支撐桿zhichenggan。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Box，先繪制一個(gè)任意尺寸的圓柱體。

再在操作記錄樹(shù)中找到CreateBox雙擊，再在跳出如圖5－12所示的窗口中設(shè)置如下：

（11）給天線模型設(shè)置材料特性。

在操作歷史樹(shù)中同時(shí)選中前面所畫(huà)天線的支撐桿、反射器、有源振子、6個(gè)引向器，單擊鼠標(biāo)右鍵，進(jìn)入Properties選項(xiàng)，我們把天線模型材料屬性Material設(shè)置為理想導(dǎo)體pec，如圖5－13所示。圖5－12圖5－13（12）繪制矩形塊作為天線的饋電端口。

選擇菜單項(xiàng)Draw/Rectangle，繪制一個(gè)任意尺寸的矩形塊，再在操作記錄樹(shù)中找到CreateRectangle雙擊，再在跳出的如圖5－14所示的窗口中：

設(shè)置矩形塊左上角頂點(diǎn)坐標(biāo)為6mm，-2.3mm，2mm；設(shè)置軸Axis為Y；設(shè)置矩形塊X軸方向長(zhǎng)為-12mm；設(shè)置矩形塊Z軸方向長(zhǎng)為-4mm。定義矩形塊的屬性：Name為Source。

接下來(lái)是創(chuàng)建集總端口激勵(lì)。

在操作記錄樹(shù)選中矩形塊Source，再右擊菜單進(jìn)入如圖5－15所示的選項(xiàng)。

在跳出來(lái)如圖5－16所示的LumpedPort窗口中將該端口命名為L(zhǎng)umpPort1，端口阻抗值為50歐姆。圖5－14圖5－15圖5－16圖5－17圖5－18圖5－19

3.創(chuàng)建空氣盒

軟件在計(jì)算輻射特性時(shí)，是在模擬實(shí)際的自由空間的情形。類(lèi)似于將天線放入一個(gè)微波暗室。一個(gè)在暗室中的天線輻射出去的能量理論上不應(yīng)該反射回來(lái)。在模型中的空氣盒子就相當(dāng)于暗室，它吸收天線輻射出的能量，同時(shí)可以提供計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)?？諝夂凶拥脑O(shè)置一般來(lái)說(shuō)有兩個(gè)關(guān)鍵：一個(gè)是形狀，另一個(gè)是大小。形狀就像微波暗室一樣，要求反射盡可能得低，那么就要求空氣盒子的表面應(yīng)該與模型表面平行，這樣能保證從天線發(fā)出的波盡可能垂直入射到空氣盒子內(nèi)表面，確切地說(shuō)，是要使大部分波輻射到空氣盒子的內(nèi)表面入射角要小，盡可能少地防止反射的發(fā)生?？諝夂凶哟笮。碚撋蟻?lái)說(shuō)，盒子越大越接近理想自由空間；極限來(lái)說(shuō)，如果盒子無(wú)限大，那么模型就處在一個(gè)理想自由空間中。但是硬件條件不允許盒子太大，越大計(jì)算量越大。一般要求空氣盒子離開(kāi)最近的輻射面距離不小于1/4波長(zhǎng)。我們所要設(shè)計(jì)的天線中心頻率為1GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為0.3m，故我們所設(shè)置圓柱體空氣盒，尺寸坐標(biāo)如圖5－20所示：圖5－20設(shè)置完畢后，同時(shí)按下Ctrl和D鍵(Ctrl+D)，將視圖調(diào)整一下后，再將空氣盒air設(shè)置成輻射邊界條件；

在操作歷史樹(shù)中選中air，單擊鼠標(biāo)右鍵，進(jìn)入AssignBoundary選項(xiàng)，點(diǎn)擊Radiation選項(xiàng)。此時(shí)HFSS系統(tǒng)提示你為此邊界命名，我們把此邊界命名為air。

4.設(shè)置求解條件

(1)在Project工作區(qū)選中Analysis項(xiàng)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇AddSolutionSetup。

這時(shí)系統(tǒng)會(huì)彈出求解設(shè)置對(duì)話框，我們把參數(shù)設(shè)為：

求解頻率為1GHz，最大迭代次數(shù)為20，最大誤差為0.02，如圖5－21所示。

(2)將求解的條件設(shè)好后，我們來(lái)看看HFSS的前期工作是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，在HFSS菜單下，點(diǎn)擊validationcheck進(jìn)行檢測(cè)，如圖5－22所示（或直接點(diǎn)擊圖標(biāo)），檢測(cè)通過(guò)后，顯示如圖5－23所示。

再次選中Project工作區(qū)的Analysis；點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選中Analyze即可開(kāi)始求解。圖5－21圖