短波圆形阵列天线研究毕业设计论文 - 图文

毕业设计(论文)说明书

题 目： 短波圆形阵列天线研究 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子科学与技术

题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页 共 III 页

摘 要

短波是指频率在3M－30M的无线电波，短波可以以较小的功率借助电离层反射进行远距离传播。短波天线的有效高度大，辐射电阻大，效率高，方向性良好，增益高，通频带宽等特点。短波天线构成圆形阵列，利用波的干涉原理 , 通过控制各阵子的相位，使空间某一方向上的辐射加强，其他方向上减弱或完全抵消，从而改变了天线的辐射方向，实现了功率的合成，提高发射功率。圆形阵列天线其辐射方向有全向和定向两种情况，全向辐射增益较低，频带窄；而定向辐射增益高，频带较宽。

本毕业设计利用FEKO5.5和CST2009对频率范围在3MHz-30MHz的9阵子短波圆形阵列天线进行设计和研究分析，总结出关于短波圆形阵列天线的一些特点：随着频率的提高，工作波长变小，电长度L/λ增大，虽然增益有所增加，方向性也变好。当频率到达某个频点时，副瓣电平会随频率的增大而明显升高。可以通过加载合适的电感值来抑制副瓣电平。本论文的结构分为五部分：第1部分为引言，主要介绍了短波圆形阵列研究的背景及意义；第1章介绍天线相关理论以及短波的基础知识；第2章介绍了天线建模的理论根据以及建模步骤；第3章通过控制天线的参数，对短波圆形阵列天线的仿真结果进行分析；第4章是对这次毕业设计进行总结。

关键词：短波；圆形阵列天线；相位；辐射方向；增益

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Abstract

Short-wave is the frequency at 3M-30M radio waves, Low power short-wave can be reflected through the ionosphere for long distance transmission. The effective height of the large HF antennas, radiation resistance, high efficiency, good directivity, high gain, passband and so on. Short wave antenna constitution circular array, using wave interference principle, by controlling the phase of the array, make the space radiation in a certain direction to strengthen, weaken or completely offset the other direction, thus changing the direction of the antenna radiation, achieved a synthesis of power, increasing the transmission power. Circular array antenna radiation direction to and directed two situations, low gain omnidirectional radiation, narrow band and directional radiation gain higher, wider frequency band. The graduation design in 3MHz-30MHz using FEKO5.5 and CST2009 in the frequency range of 9 short-wave analysis of circular array antenna design and research summarized on some characteristics of HF circular array antenna：As the frequency increases, wavelength decreases, the electrical length L / λ increases, although the gain is increased, the direction has changed for the better.When the frequency reaches a certain frequency, the sidelobe level increases with the frequency will be increased significantly. You can load the appropriate inductance value to suppress the sidelobe level.The structure of the paper is divided into five parts : The first part is an introduction, introduces the circular array of short-wave background and significance ; Chapter 1 introduces the theory of antennas, and the basics of short-wave ; Chapter 2 describes the theoretical basis of the antenna modeling and modeling steps ; Chapter 3, by controlling the antenna parameters, short-wave simulation results of circular array antenna analysis ; Chapter 4 is a summary of the graduation design .

Keywords: short-wave; Circular array antenna; Phase; Radiation direction; gain

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目 录

引 言 ......................................................... 1 第1章 天线理论和短波传播 ..................................... 2 1.1 天线的理论基础 ............................................ 2 1.1.1 电基本振子的辐射 ...................................... 2 1.1.2 磁基本振子的辐射 ...................................... 4 1.2 天线的基本参数 ............................................ 5 1.2.1 天线方向性 ........................................... 5 1.2.2 天线的主要电参数 ...................................... 8 1.3 短波天线传播 ............................................. 10 第2章 FEKO建模设计 ......................................... 11 2.1 设计要求 ................................................ 11 2.2 天线设计的理论根据 ........................................ 11 2.2.1 圆形阵列半径的选择根据 ................................ 11 2.2.2 阵子长度L的选择根据 .................................. 12 2.2.3 阵元半径的选择根据 ................................... 13 2.2.4 各参数对阵列输入阻抗的影响 ............................ 14 2.3 建模步骤 ................................................ 14 第3章 圆形阵列天线的优化与分析 .............................. 19 3.1 相位优化与分析 ........................................... 19 3.2 圆形阵列天线的等值相差分析 ................................. 25 3.3 圆形阵列天线的加载分析 .................................... 30 3.4 圆形阵列天线的几何参数分析 ................................. 37 第4章 结论 .................................................. 41 谢 辞 ........................................................ 42 参考文献 ...................................................... 43

引 言

自从1873年英国物理学家Maxwell从理论上预言电磁波的存在，并于1897年由Marconi首次获得一个完整的无线电报系统专利以来，伴随着科学技术的不断进步，人类创造了各种各样的通信方式，并取得了丰硕的研究成果。而天线是任何无线电通信系统都离不开的重要的前端器件，是一种在导波设备和自由空间之间的过渡结构，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，从而在任意两点之间实现电磁信号的传递。离开了承担电磁波的发射与接收功能的天线，就不可能实现任何无线电通信。随着人类社会的进步、军事需求、科技的发展，人们对天线提出了更高的要求，无论在军用还是民用中，天线起到了不可替代的作用，可以这么说，没有天线技术的发展就没有21世纪的数字化、信息化、军事现代化。

从20世纪80年代初,短波通信与天线技术的结合，使得短波通信进入了复兴和发展的新时期。短波通信不像卫星、光纤、电缆通信一样，是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段。战争或灾害一但发生，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比；在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波；与卫星通信相比，短波通信不用支付话费，运行成本低。短波能够传输的距离很远，达几千公里至上万公里。许多国家加速了对短波通信技术的研究与开发,短波通信的可靠性、稳定性、通信质量和通信速率都已提高了一个新水平。

在一般情况下，单阵子短波天线的辐射功率、效率、增益都是比较小的，而其辐射方向也比较弱，要想短波天线具有强大的方向性和很高的增益,且波瓣可以扫描 ,并具有一定的形状等，就要求短波天线设计成阵列的形式。如果各个天线单元排列成一个圆环 ,称之为圆阵。短波线阵只能提供180°的方位角 ,大大限制了其使用范围，而短波圆形阵列却能提供360°的方位角,能通过循环移动阵列激励简单而灵活地操纵波束方位,在方位上的方向图是对称的,而在俯仰方向上特性也是比较理想的。因此 ,研究短波圆形阵列天线具有十分重要的意义

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第1章 天线理论和短波传播

1.1 天线的理论基础

尽管天线的结构、特性各不相同，但是分析它们的基础确实建立在电、磁基本振子的辐射机理上，而电、磁基本振子作为最基本的辐射源，它们的分析基础就基于Maxwell 方程。辐射是电磁场中由辐射源产生的一种扰动。 1.1.1 电基本振子的辐射

电基本振子又称电流源，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度ι远小于波长λ，其半径a远小于ι，同时振子沿线的电流I处处等幅同相，根据微积分的思想，实际天线可以看作是无数个电基本振子的叠加，天线的辐射场等于所有这些电基本振子贡献的总和。

如图1.1所示，在电磁场理论中，以给出了在球坐标系原点O沿z轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为：

Hr?O[3]

(1.1)

H??0 (1.2)

H???lk1sin?(j?)e?jkr (1.3) 4?rr2?l2k1Er?cos?(?j)e?jkr (1.4)

4???0r2r3?l1k2k1E??sin?(j??j)e?jkr (1.5)

4???0rr3r3 E??0 (1.6)

E?Erer?E?e? (1.7)

H?H?e? (1.8)

式中，E为电场单位；H为磁场强度，电基本振子的场强矢量由三个分量

H?,Er,E? 组成，每个分量都由几项组成，它们与距离

r有着复杂的关系。

[3]

(1) 近场区：当r<<λ/2π的区域称为近区。在近场区，电基本振子的表达式变成：

H???lsin? (1.9) 4?Er??jE???j?l32134?r??0?l4?r??0cos? (1.10) sin? (1.11)

E??Hr?H??0 (1.12)

近场区的一个重要的特点是电场和磁场之间存在90°的相位差，能量在电场和磁场以及场与源之间交换而没有辐射，这表明在近场区几乎没有功率损耗。 (2) 远场区：当r>>λ/2π的区域称为远区。在远场区，电基本振子的表达式变成：

H??j?lsin?e?jkr (1.13) 2?r60??lE??jsin?e?jkr (1.14)

?r E??Er?H??Hr?0 (1.15)

对比近场区和远场区，可以发现，远场区的性质和近场区的性质完全不同，远场区中场强只有两个相位相同的分量(E?,H?),本次毕业设计不管是用FEKO5.5仿真，还是用CST2009仿真，都是研究远场区的情况，所以有必要对远场区的性质做说明。由公式(1.13)和(1.14)可以看出，远场区具有以下四个性质：

①无论是电场E?，还是磁场H?，都与距离r成反比，E?和H?都含有相位因子e?jkr，等相位面则是以振子为球心的球面，并且沿着r增大的方向传播。

②传播方向上电磁场的分量为0，所以该波形为TEM波，即横电磁波。 ③E?和H?与sinθ成正比，说明电基本振子的辐射具有方向性。远场区不同于近场区，远场区是辐射场，可以用坡印廷矢量法计算辐射功率：

??11?I?z?*22S?E?H??0|H|r?r60???sin? (1.16)

22?2?r?2在任意半径r的假想球面上对上式 (1.16)积分，则得到电基本振子的辐射功率P?（单位为W）。

P??I?z?2??32?I?z????S?rrsin??d??d??60????d??sin?d??40???

2????00??2?22(1.17)

此公式为实功功率，说明存在功率的消耗，这是电磁波由源不断向外传播或者说电磁能从振子表明不断向外辐射引起的。这个功率表达式与距离r的大小无

关。根据电路理论，电阻R与实功功率P的关系可以知道，电基本振子所呈电阻

R?（单位为欧姆），可以按照(1.18)计算：

R??80??? (1.18)

???2??z?2为了与普通电阻有所区分，通常称R?为辐射电阻。对于电小天线而言，辐射电阻越大，辐射本领越强；设法增大辐射电阻，减小焦耳损耗电阻，对电小天线往往是有益的；然而，对于谐振天线和宽带天线而言，辐射电阻通常远大于焦耳损耗电阻，一味追求大的辐射电阻不仅无益反而有害，很有可能导致天线其他电性能的恶化。

④E?和H?的比值为常数，该常数称为媒质的波阻抗，记为η，对于自由空间当中的波阻抗：

??E???0?120???? (1.19) H??01.1.2 磁基本振子的辐射

磁基本振子又称为磁流元、磁偶极子。尽管它是虚拟的，自然界中还没有证

据证实其存在，但是讨论它是有必要的。如图1.2所示，设想一段长为ι(ι<<λ)的磁流元?ml置于球坐标系原点，根据电磁对称性原理，有如下的变换（e和m分别对于电源和磁源）：

Ee?Hm (1.20) He??Em (1.21) Ie?Im,Qe?Qm (1.22)

?0??0 (1.23)

现在只讨论磁基本振子的远区辐射场的表达式：

E???jlImsin??e?jkr (1.24) 2r?

H??jlIm?0sin??e?jkr (1.25)

2r??0磁偶极子的辐射总功率是：

1?s?Pr???Sav?ds???ReE?H*?ds?160?4I2?2??瓦? (1.26)

SS2?????2其辐射电阻是：

Rr?2PrI2?s??320?4?2??欧姆? (1.27)

???21.2 天线的基本参数 1.2.1 天线方向性

(1) 天线的方向函数和方向图

由电基本振子的分析可以知道，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，却不是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。电基本振子的方向函数如公式(1.28)所示。为了便于比较不同的天线方向性，常采用归一化方向函数，用F??,??表示。天线方向图是指天线辐射特性与空间坐标之间的函数图形。即，与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中相对分布随方向变化的图形。用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。分析天线的方向图就可分析天线的辐射特性。大多情况下，天线方向图是在远场区确定的，所以又叫做远场方向图。

l?f??,???f????|sin?| (1.28)

?归一化方向函数：

F??,???f??,??|E??,??|? (1.29)

fmax??,??|Emax| 按照空间的维度，方向图有三维的立体方向图和二维的平面方向图之分，如图1.3，图1.4，图1.5所示。在实际中，工程上常采用两个特定的正交平面方向图，这两个平面方向图就是E面和H面。E面即电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面；H面即磁场强度矢量所在的并包含最大辐射方向的平面。方向图常用极坐标来绘制，E面和H面方向图就是立体方向图沿E面和H面两个主平面的剖面图。

(2) 天线的方向图参数

①主瓣宽度：指方向图主瓣上两个半功率点(即场强下降到最大值的0.707倍处或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点)之间的夹角。记为2?0.5，见图1.6所示。主瓣宽度有时又称为半功率波束宽度或3dB波束宽度。一般情况下，天线的E面和H面方向图的主瓣宽度不等，可分别记为2?0.5E和2?0.5H。主瓣宽度这一参量可以描述天线波束在空间的覆盖范围，在工程上，往往由主瓣宽度来设计口径天线和阵列天线的结构尺寸。对于低副瓣天线来说，主瓣宽度愈窄，方向图愈尖锐，天线辐射能量就愈集中，或接收能力愈强，其定向作用或方向性就愈强。

但对于高副瓣天线(副瓣电平接近于主瓣情况)，主瓣宽度这一指标就不能说明天线的辐射集中程度，也不能说明天线的方向性强弱。

②副瓣电平(SLL)：指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示。公式(1.30)中，Sav,max2和Sav,max表示最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；Emax2和

Emax分别表示最大副瓣和主瓣的场强最大值。一般情况下，紧靠主瓣的第一副

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瓣的电平值最高，副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。天线副瓣电平愈低，表明天线在不需要方向上辐射或接收的能量愈弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑制能力愈强，抗干扰能力就愈强，因此要求天线的副瓣电平尽可能的低。

SLL?10lgSav,max2Sav,max?20lgEmax2?dB? (1.30) Emax③零功率点波瓣宽度(BWFN):指的是主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，用2?0E和2?0H表示。

④前后比：指主瓣最大值与后瓣最大值之比，通常也用分贝表示。

图1.6方向图参数

(3) 天线的方向系数

方向图函数表示了天线在各个方向上辐射场的相对大小，它不能明确表示天线辐射能量在某个特定方向上集中的程度，未能反映辐射在全空间的分布状态，因而不能单独体现天线的定向辐射能力。为了更为精确的反映和比较不同天线之间的方向性，需要引入一个能定量的表示天线定向辐射能力的电参数，这就是方向系数。方向系数是用来表征天线辐射能量集中程度的一个参数。

方向系数的定义是：在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或者场强|Emax|的平方)和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S0(或者场强|E0|的平方)之比，记为D，公式如下：

Smax|Emax|2D?|P?P?|P?P (1.31)

S0rr0|E0|2rr0

式中，Pr和Pr0分别表示实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线本身的方向系数为1，无方向性天线在r处产生的辐射功率密度为：

|Emax|2S0?2? (1.32)

240?4r?Pr0在最大辐射方向上：

Emax?60PrDr (1.33)

经过坡印廷矢量积分和归一化之后，方向性系数最终计算公式可以表示为： 4? (1.34) D?2??2??F??,??sin?d?d?00显然，方向系数与辐射功率在全空间的分布状态有关，要使天线的方向系数大，不仅要求主瓣窄，而且要求全空间的副瓣电平小。 1.2.2 天线的主要电参数 (1) 天线的效率?a

天线的效率是用来计及损耗的。天线的损耗包括其结构内的欧姆损耗和天线与传输线失配产生反射而引起的损耗。而天线结构内的损耗又包括导体和介质的损耗。天线的总效率?a定义为：天线辐射到外部空间的实功率Pr与天线馈电端输入的实功率Pin之比。即：

?a?Pr (1.35) Pin 如果从电阻的角度来考虑天线的效率的话，天线的效率还可以表示成：

?a?Rr (1.36)

Rr?Rl 从公式(1.36)可以看出，若想提高天线效率，必须尽可能的减小损耗电阻

Rl，提高辐射电阻Rr。

(2) 天线的增益系数G

方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只取决于方向图，天线效率则表示天线在能量上的转换效能。人们关心的不只是天线的方向性，还关心天线的定向收益程度，这就是天线的增益。天线的增益系数的定义为：在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax(或者场强|Emax|的平方)和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S0(或者场强

|E0|的平方)之比，记为G，公式如下：

Smax|Emax|2G?|Pin?Pin?|Pin?Pin (1.37) 200S0|E0|式中Pin和Pin0分别表示实际天线和理想无方向性天线的输入功率，理想无方向性天线本身的增益为1。结合前面的天线方向性系数(1.31)和天线效率(1.35)，可以得到：天线的增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数和天线效率的乘积，即：

G?Smax?S|Pin?Pin?amax|Pr?Pr0?G?D?a (1.38)

0S0S0(3) 天线的极化

电磁波的极化方向通常是以其电场矢量的空间指向来描述的。电磁波的极化是指：在空间某位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。如果这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。天线不能够接收与其正交的极化分量，如线极化天线不能接收来波中与其极化方向垂直的线极化波；圆极化天线不能接收来波中与其旋向相反的圆极化分量；对于椭圆极化来波，其中与接收天线的极化相反的圆极化分量不能接收。在通信和雷达中,通常是采用线极化天线；但如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的,为了提高通信的可靠性,发射和接收都应采用圆极化天线；如果雷达是为了干扰和侦察对方目标,也要使用圆极化天线。另外,在人造卫星、宇宙飞船和弹道导弹等空间遥测技术中,由于信号通过电离层后会产生法拉第旋转效应,因此其发射和接收也采用圆极化天线。图1.7所示为电磁波电场矢量取向随时间变化的典型轨迹曲线。

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图1.7空间某点处平面电磁波电场矢量取向随时间变化及极化轨迹 (4) 天线的有效长度

天线上的电流分布是不均匀的，换句话说天线上各部位的辐射能力不相同，为了衡量天线的实际辐射能量，引入有效长度。天线的有效长度定义如下:在保

持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下,假设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。它是把天线在最大辐射方向上的场强和电流联系起来的一个参数,通常将归于输入电流Iin的有效长度记为lein,把归于波腹电流Im的有效长度记为lem。显然,有效长度愈长,表明天线的辐射能力愈强。设实际的天线长度为ι,电流分布为ι(z),则有：

IinIein??I?z?dz (1.39)

0l(5) 天线的输入阻抗

要使天线效率高,就必须使天线与馈线良好匹配,也就是要使天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,这样才能使天线获得最大功率。天线的输入阻抗对频率的变化往往十分敏感,当天线工作频率偏离设计频率时,天线与传输线的匹配变坏,致使传输线上电压驻波比增大,天线效率降低。因此在实际应用中,还引入电压驻波比参数,并且驻波比不能大于某一规定值。 (6) 天线的频带宽度

天线的所有电参数都与频率有关,也就是说,上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时,往往要引起天线参数的变化,例如主瓣宽度增大、旁瓣电平增高、增益系数降低、输入阻抗和极化特性变坏等。实际上,天线也并非工作在点频,而是有一定的频率范围。当工作频率变化时,天线的电参数的变化程度在允许的范围内，对应的频率范围称为天线的频带宽度。 1.3 短波天线传播

研究短波通信离不开对短波传播知识的了解。短波是经过电离层反射而达到地面的。短波天线传播广泛应用于各种距离的定点通信、广播、航海通信等。这种通信方式有两个突出的优点：一是传输损耗小，能以较小的功率借助电离层的反射进行远距离通信，可以传播到上万千米的距离，甚至环球传播。同时，建造通信设备简单，成本低。二是对电离层的抗毁性好，只有在高空核爆炸的时候才会遭到一定程度的破坏。

短波的基本传播途径有两个：一个是地波，一个是天波。

地波沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性。海面介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1000公里左右；陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，而且不同的陆地表面介质对电波的衰耗程度不一样（潮湿土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）。短波信号沿地面最多只能传播几十公里。地波传播不需要经常改变工作频率，但要考虑障碍物的阻挡，这与天波传播是不同的。

短波的主要传播途径是天波。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，

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又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远（几百至上万公里），而且不受地面障碍物阻挡。但天波是很不稳定的。在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响短波通信的效果。

第2章 FEKO建模设计

2.1 设计要求

(1)设计一个9阵子的圆形阵列天线（俯视图上九阵子排成一个圆），频率为3MHz—30MHz，在大地放一层铜网，构成镜像；

(2)用FEKO或CST建立仿真模型，得出各阵子的相关馈电参数，完成设计要求； (3)辐射方向上的主瓣宽度为60度，增益在14—15MHz处大于5dBi； (4)阵元长度：≤10米

(5)建议使用FEKO或者CST软件仿真，完成设计要求。 2.2 天线设计的理论根据 2.2.1 圆形阵列半径的选择根据

随着圆形阵列半径 R 的增大，天线的增益在减小。因为 R 增大，振子之间的相互间距增大，使得天线的副瓣增多增大，同时电磁耦合减小使得方向图主瓣变宽，因而使增益G降低。不同 R 时的方向图如图2.所示，当R=λ/4时，副

瓣较小；当R增至R =λ时，虽然还有一个给定指向的主瓣，但出现了几个与主瓣大小几乎相同的副瓣，因而增益降低了。

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图2.1 圆形阵列半径R对方向图的影响

本次毕设设计的天线阵列共有9根阵子，其放置方式为9根均匀垂直放置在半径约为R=λ/4=5m的圆周上（理论值），即在圆周上的间隔为40度，9根阵子底端面处于同一平面且各阵子都垂直于地面。如错误！未找到引用源。所示。

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图2.2 9振子圆形阵列天线模型

2.2.2 阵子长度L的选择根据

由图2.可见，当振子臂长 L 由 0.25λ降到 0.248λ时，方向图主瓣指向发生偏移，增益值下降。而当L=0.245λ时，主瓣指向虽然是 10°，但方向图形状发生了显著变化，因而增益值更低。若振子臂长增长至 L = 0.252λ，则方

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向图主瓣指向发生明显偏移，且出现一个大副瓣，增益值变小。

图2.3 阵子臂长L对方向图的影响

圆形阵列各单元阵子为直线对称偶极子天线，因在地上放足够大的金属网来构成镜像(本次毕设在软件仿真中使用理想导体圆柱盘代替金属网)，所以单元阵子只要直线对称偶极天线的一半，这样可减小天线的尺寸（高度）。圆阵工作中心频率在15MHz，对应波长为20m，直线对称偶极天线总长度为2L=λ/2=10m，在地面加镜像金属导体后，臂长L大约需要λ/4=5m（理论值）。 2.2.3 阵元半径的选择根据

由下图2.1可知，在短波波段时，振子半径 a 在所取范围内对天线方向图和增益几乎没有影响。

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[7]

图2.1 阵子半径a对方向图的影响

实际上阵子半径a对驻波比的影响比对方向图的影响要大得多，所以在仿真时，主要考虑的是a对驻波比的影响，而不是对方向图的影响。

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2.2.4 各参数对阵列输入阻抗的影响 对应的阵列输入阻抗如表2.1所示。

表2.1各参数对阵列输入阻抗的影响

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输入电阻随R 变化很快，当 R =λ时，振子间的互耦作用较小，天线输入阻抗接近单振子的数值。随着 R 的减小，振子间的互耦作用增大。当R由λ/2减至λ/4时，输入电阻由150Ω左右减到仅10多Ω。值得说明的是，若 R 变得很小，天线特性将发生很大的变化。例如当R =λ/8时，圆阵半径R减小了一半，求得其增益G值仍可达9dB以上，与R =λ/ 4时相近；而天线的输入电阻小于10Ω,Q远远大于 1，此时出现了超增益特性。由于其频带很窄，公差要求高，设计时需避免出现这种超增益现象。天线的输入阻抗随着阵元数的变化也有明显的变化。

当单元增多时，输入阻抗的实部变小，Q值变高，带宽变窄。这是因为 R 一定，天线的体积不变，单元数增加，使得增益不断增大，因而Q值增高。

当振子臂长变短时，输入电阻变化不大，输入电抗明显减小。当臂长变长时，输入阻抗的实部和虚部都增大。

振子半径 a 对天线输入阻抗的影响比较微小。 2.3 建模步骤

(1)打开FEKO，选择File，新建工程文件并进入工作界面。把工程名称保存为bishe6。 (2)环境设置

①在菜单栏中选择motel→motel unit，把建模环境尺寸设置成metres,点击OK。feko5.5默认的设置就是metres。

②在菜单栏中选择motel→set extents，进入Geometry extents对话框,在Maximum coordinate中选择“5E+04”以满足9振子短波圆形阵列天线大尺寸的设计和仿真环境需求。点击OK。 (3)变量设置

在工程树结构窗口中，双击Variables，在create variable对话框中，name

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表示变量的名称，Expression表示变量的表达式，在方框中可以输入一个预设的值。Comment表示对该变量进行备注。当在Expression中输入一个预设值是，点击Evaluate可以计算该表达式的结果，在value中显示改结果，点击OK即可完成变量的设置。本次毕设要求设置的变量如表2.2。这些变量都是预设的初始值。

(4)建立实体模型

①建立圆盘，本次毕设中，起镜像反射作用铜网可以用理想导体圆柱盘代替。在“几何形体创建及编辑工具”栏中，点击cylinder，弹出create cylinder对话框，在Base centre中，采用(U，V，N)=(0,0,-0.51)),表示几何模型的坐标位置，在Dimensions中输入圆柱盘的参数radius为R，height为d,采用变量的目的是为了下面的仿真优化。把Label命名为GND，表示改圆柱盘作为底盘镜像。

②建立馈线。在几何工具栏中，选择线line，在弹出的create line对话框中，设置start point起点为(U，V，N)=(R/2,0,0)。馈线设置在R/2处，是为了使振子的反射镜像竟可能的为无限大(相对于小尺寸的振子来说)。设置终点End point，(U，V，N)=(R/2,0,-(0.05+d))，Babel采用默认的名称，点击OK即可创建馈线。

表2.2 Variables初始值设置

变量 d freq h L P1 P2 P3 P4 P5

预设值 0.5 14e+6 5 c0/freq 0 0 0 0 0 变量意义 圆柱盘厚度 中心频率 阵元长度 波长 阵元1的相位 阵元2的相位 阵元3的相位 阵元4的相位 阵元5的相位

P6 P7 P8 P9 R rr

0 0 0 0 15 0.03 阵元6的相位 阵元7的相位 阵元8的相位 阵元9的相位 圆盘半径 阵元半径 ③建立阵元。和建立圆柱盘①的方法一样，只不过参数不一样而已。在Base centre中，(U，V，N)=(R/2,0,0),radius为rr，height为h。把Label命名为zhenzi。

④建立阵列。选中②③建立的line和zhenzi，然后点击几何创建工具中的Union parts。把line和zhenzi通过布尔运算联合起来，组成一个整体Union1。右键单击Union1，选择copy special→copy and rotate，在旋转角度Rotation angle中输入40，在Number of copies 中输入旋转复制的数目为8。点击OK，即可创建9振子圆形阵列。此时，在生成Union1-1到Union1-8，这八个振子。选中Union1，Union1-1到Union1-8这9个振子和圆柱盘GND，然后点击几何创建工具中的Union parts，把这些几何实体联合成一个整体Union。方便下一步对这些几何实体进行网格剖分。 (5)网格剖分

在菜单栏Mesh中，选择Create mesh，弹出网格剖分对话框，分别点击三个suggest，软件会自动的设置合理的剖分尺寸，由于刚才建立了line，网格剖分的时候需要设置line的大小，这里我们设置Wire segment radius为0.0001。点击creat即可对整个union实体进行网格剖分。 (6)建立端口

右击ports→Create port→Wire port，弹出窗口对话框，把端口置于line的中间Middle处，先点击Edge方框，此时方框变成黄色，在双击需要加入端口的line，按照逆时针的顺序，依次建立9个端口，即port1到port9。 (7)设置solution

①建立仿真频率。本次毕设要求频率在14M到15M之间的增益至少为5dB,所以我们不妨取仿真频率为14.5M。双击solution目录树下的frequency，选择single frequency，输入频率14.5e6。点击OK。

②设置激励。右击Excitations,选择电压源激励Voltage source，在弹出的对话框当中，端口port选择port3，电压的幅度用默认值1V，相位为P3，点击creat即可创建port3的激励。重复这个方法，按照端口和相位一一对应的顺

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