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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、POSTFEKOCADFEKO 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：1. 创建多边形及圆弧2. 使用变量修改几何模型依次修改平板和圆弧3. 创建第二个圆弧，利用圆弧一复制LOFT 面：界面显示为：4. 复制并旋转“Elliptic_Arc1”部分、复制并旋转“Elliptic_Arc1”部分、LOFT ：5. 复制“Elliptic_Arc1”部分 part and Spin 6. 创建线：单极子天线8.设置单极子天线局部特性尺寸9．创建偶极子天线，合并（union）操作10.生成全模型并设置对称11.定义 ports12.设置频率及 S 参数计算13.剖分网格14.几何模型局部网格细化15.POSTFEKO:S 参数结果16.修改模型提取电流分布。