单极子天线 论文 电子版

单极子天线

电波传播与天线 冉强 2012302700050

摘要：单极子天线用来发射和接收固定频率的信号，通常用于短波

超短波频段。虽然在平时的测量中都使用宽带天线，但在场地衰减和天线系数的测量中都需要使用偶极子天线和单极子天线。随着近年计算机技术的发展，出现了很多仿真软件，这些工具使工程人员能对设计出来的天线进行仿真。本文介绍了FEKO软件，以及基于FEKO的单极子天线的仿真设计。

关键词：单极子天线；FEKO。 引言

1.1单极子天线简介

天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

单极子（Monopole）天线或称为直立天线是垂直于地面或导电平面架设的 天线，已广泛应用于长、中、短波及超短波波段。其基本原理结构如图1.1 所示，其由长为h 的直立振子和无限大地板组成。地面的影响可用天线的镜像来代替，这样单极子天线就可等效为自由空间内臂长为 2h的对称振子。当然， 这样的等效仅对地面上的半空间

等效，原因是地板以下没有辐射场。

图1.1单极子天线及其等效

在长波波段，大地接近理想导电体，电磁能量主要以地波形式在地面和电离层低层所限制的空间内传播；在中波波段，距离较近时也是以地波形式传播。夜间，在距天线一定距离的环形区域中，同时存在强度大体上相近的天波和地波，两者互相干扰从而产生严重的衰落现象。为了防止衰落，应设法降低高仰角( 超过55度) 的辐射。虽然短波以天波传播为主，但对于几十公里的近距离通信，仍主要采用地波传播的方式。

在地波传播中，水平极化波的衰减远大于垂直极化波。因此，使用垂直天线是有利的。对于接近地面的超短波移动通信，要求沿地面方向产生最大辐射。一般情况下，也要采用产生垂直极化场的单极子天线。 在长、中波波段，单极子天线的主要问题是天线的高度往往受到限制。

例如工作于波长为1000米的电台，天线架设高度100 米，以波长衡

量也仅为0.1λ ，电尺寸是很小的。即使在短波波段，在移动通信中由于天线高度受到涵洞、桥梁等环境等本身结构的限制，也不能架设的太高。因为电长度小将引起下述问题：

(1)辐射电阻小。 与辐射电阻相比，损耗电阻较大。这样，天线的辐射效率就较低。

(2) Q值高。 天线的输入电阻小，但输入电抗很大，因此Q 值高。也就是说，天线的谐振曲线很尖锐，工作频带很窄。

(3)易产生过压或烧毁现象。 当输入功率一定时，由于输入电阻小而输入电抗高，使得天线的匹配电路的电流很大。这样，输入端电压就很高，天线顶端的电压更高，这是大功率电台必须注意的问题，使天线匹配电路易于产生过压现象。

上述问题在长、中波波段都需要考虑。在短波波段，由于工作频率较高，虽然相对带宽不大，但仍可得到较宽的绝对通频带( ?f ) 。加之距离近、所用电台功率均较小，故主要考虑的是效率问题。若天线电尺寸很小，例如小于0.1λ ，将属于“电小天线”的范畴。

1.2FEKO软件简介

FEKO软件是一款强大的三维全波电磁仿真软件。FEKO是德语FEldberechnung bei Korpern mit beliebiger Oberflache的缩写，意思是任意复杂电磁场计算，适用于复杂形状三维物体的电磁场分析。 FEKO是一款用于3D结构电磁场分析的仿真工具。它提供多种核心算法，矩量法（MoM）、多层快速多极子方法（MLFMM）、物理光学法

（PO）、一致性绕射理论（UTD）、有限元（FEM）、平面多层介质的格林函数，以及它们的混合算法来高效处理各类不同的问题。 FEKO界面主要有三个组成部分：CADFEKO、EDITFEKO、POSTFEKO。CADFEKO用于建立几何模型和网格剖分。文件编辑器EDITFEKO用来设置求解参数，还可以用命令定义几何模型，形成一个以*.pre为后缀的文件。前处理器/剖分器POSTFEKO用来处理*.pre为后缀的文件，并生成*.fek文件，即FEKO实际计算的代码；它还可以用于在求解前显示FEKO的几何模型、激励源、所定义的近场点分布情况以及求解后得到的场值和电流。 FEKO主要有以下典型应用：

天线设计：线天线、喇叭和口径天线、反射面天线、微带天线、相控阵天线、螺旋天线、等等；

天线布局：实际上，天线总是装在一个结构上的，这会改变天线的“自由空间”辐射性能；

EMC/EMI分析：由于MoM中仅仅需要离散电流流过的表面，FEKO非常适合各种类型的EMC仿真；

平面微带天线：FEKO采用全波方法分析微带天线，可以精确获得耦合、近场、远场、辐射方向图、电流分布、阻抗等参数； 电缆系统：FEKO与CableMod结合起来，可以非常高效地处理系统中的负责电缆束的耦合以及电缆与天线的耦合问题；

SAR计算：不同介质参数区域内的场值可以计算出来。然后这些场值被用于计算规范吸收比（SAR）；

雷达散射截面（RCS）计算：对于大型目标、地面目标等的RCS雷达散射截面（目标识别）计算也通常是电大尺寸问题，同样，FEKO的混合高频算法对这类问题也有很好的计算效果。

介质体和铁磁材料：FEKO的面等效原理和体等效原理对介质体、铁磁材料体等结构提供有效的计算方式。同时，其在平面多层介质、涂敷线、介质基片等应用领域也提供相应的处理手段。

FEKO软件下的单极子天线模拟仿真

首先定义变量 命名规则有（1）字母数字，支持带下划线（不含有空格）；（2）第一个符号必须是字母；（3）不区分大小写；（4）可与关键点共享名字。

定义变量的目的是参数化表达，应用于几何尺寸的定义、几何的操作及修改、网格剖分。 主要定义如下：

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