矩形波导天线的HFSS仿真

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1、1天线的主要参数时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。天线能够定向辐射和接收电磁波能量。天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线；按照用途可以分为通信天线、雷达天线、广播天线和电视天线等；按照波段可以分为长波天线、中波天线和短波天线等。一般常见的天线结构为线天线、环天线、面天线、喇叭天线、介质天线、微带天线和裂缝天线等。为了实现特定的工程任务，天线经常也组成天线阵列。1.1方向图天线的空间辐射在不同方向是不同的，可以用方向性函数f(,)来描述。根据方向

2、性函数绘制的天线辐射（或接收）场强-振幅-方向三维特性的图形简称为方向图。工程也常采用两个互相正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，一般为俯视图和水平面方向图。绘制某一平面的方向图时，可以采用极坐标方式。方向图一般呈花瓣状，所以也称为波瓣图，其中最大的波瓣称为主瓣，其余的称为副瓣或旁瓣。方向图主瓣上两个半功率电平点之间的夹角称为主瓣宽度或半功率波束宽度。电场最大值Emax所在的波瓣称为主瓣。在Emax的两边，电场下降到最大值2/2时，对应功率为最大方向的一半，这两个辐射方向之间的夹角即为主瓣宽

3、度。1.2方向性系数发射天线的方向性系数表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力，定义为相同辐射情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比：2E(,)D(,)（1-1）2E0式中，E,是该天线在,方向下某点的场强，E是全方向点源天线0在同一点产生的场强。一般情况下关心的均为最大辐射方向的方向系数。接收天线的方向性系数表征天线从空间接收电磁能量的能力，即在相同来波场强的能量下，天线在某方向接收时向负载输出功率与点源天线在同方向接收是向负载输出功率之比。发射天线的方向

4、性系数和接收天线的方向性系数虽然在定1义上不同，但数值上是一样的。增益：如果将式（1-1）定义的方向性系数中的辐射功率改为天线的输入功率，即考虑天线本身的能量转换效率，则该定义为增益。1.3输入阻抗天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比。接到发射机和接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机的负载。因此，输入抗阻值的大小表征了天线与发射机或接收机的匹配情况，体现了导行波和辐射波之间能量转换的好坏。一般情况下，天线的输入阻抗具有电阻和电抗两个部分。电阻主要包括辐射电阻和损耗电阻，辐射电阻的大小

5、表示天线辐射和接收能力的强弱；损耗电阻表示天线自身对于微波能量的损耗。1.4极化天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。

6、另外，随着新技术的发展，现在大量采用双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）1.5带宽每个天线都有其中心工作频率，在偏离中心工作频率，天线的某些电性能将会下降，电性能

7、下降到容许值的频率范围，就称为天线的带宽。这里所关心的电性能可以是输入阻抗，也可以是增益等。天线带宽的表示方法有两种：一种是绝对带宽，是指天线实际工作的频率范2围，另一种是相对带宽，是绝对带宽与中心频率之比。2惠更斯元的辐射及矩形同相平面口径的辐射2.1惠更斯元的辐射图2-1口径面的辐射如图2-1所示面天线通常由金属面S1和初级辐射源组成。设包围天线的封闭曲面由金属面的外表面S1以及金属面的口径面S2共同组成，由于S1为导体的外表面，其上的场为零，于是面天线的辐射问题就转化为口径面S2的辐射。由

8、于口径面上存在着口径场ES和HS，根据惠更斯原理(Huygen'sPrinciple)，将口径面S2分割成许多面元，这些面元称为惠更斯元或二次辐射源。由所有惠更斯元的辐射之和即得到整个口径面的辐射场。为方便计算，口径面S2通常取为平面。当由口径场求解辐射场时，每一个面元的次级辐射可用等效电流元与等效磁流元来代替，口径场的辐射场就是由所有等效电流元（等效电基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同产生的。这就是电磁场理论中的等效原理(FieldEquivalenceTheorem)。图2-2惠