中波定向天线辐射场的仿真分析

吴戈成(国家广电总局六五四台，新疆831200)

在介绍高频电磁仿真软件HFSS的基础上，对摘要:针对传统中波定向天线辐射场型一般由实际测量得到的方法，

利用HFSS进行中波定向天线的仿真进行了分析，结合一座中波八塔天线的实际构成数据及播出频率等参数，仿真了该中波定向天线的主向、偏向发射增益场强图，从而证明了可以充分利用HFSS软件超强的高频仿真能力来研究、预测定向中波天线精确的服务方向和服务区，或对新建发射台及中波定向天线的调试提供一定的借鉴。关键词:HFSS软件;中波;天线仿真;辐射场中图分类号:TN822+．2

文献标识码:A

文章编号:1673－4793(2019)增－0086－06

DOI:10.16196/j.cnki.issn.1673-4793.2019.s1.019

ＲadiationFieldSimulationAnalysis

ofMWDirectionalAntenna

WUGE-cheng(654StationofStateAdministrationofＲadioandTelevisionofChina，Xinjiang，831200，China)

Abstract:TraditionalMWdirectionalantenna’sradiationfieldisusuallygotbyactualmeasurementda-ta．OnthebasedintroductionoftheHFSSsoftware，theradiationfieldofMWdirectionalantennawasan-alyzedbyHFSSsoftware，simulatedthemainanddeflectedradiationfieldsbasedthebroadcastingfre-quencyandactualparametersofaeightelementsMWantenna．ItwasdeducedthatHFSSsoftwarecanbeusedtoresearchtheservedirectionandareaofMWdirectionalantennabyitssupersimulationcapabilityofhighfrequency，andprovidedreferencetobuildthenewMWstationordebugsomeMWdirectionalan-tennas．

Keywords:HFSSsoftware;MW;antennasimulation;radiationfield

1引言

天线辐射场的数据基本上都是从实际测试得来，特

别是大型中波天线的前期论证，都要通过一个缩小比例的小型天线的模型实际去仿真得到，比如某台八塔中波天线的设计之初，就进行了10:1的短波模型试验。而在拥有了HFSS软件之后，就可以通过HFSS仿真软件，结合我们的工程特例，不断利用实际数据进行尽可能接近真实的仿真，给我们中波定向天线的设计、安装、调试提供一个正确的方向，进

笔者在进行中波天线阻抗匹配研究及调试，特

别是在中波八塔定向天线阻抗调配研究的过程中，

经常会遇到验证我们所做工作是否满足工程需求，特别是天线偏向工作时主辐射场强方向是否符合设计要求的问题。在HFSS高频仿真软件诞生之前，

收稿日期:2019－01－20

作者简介:吴戈成，国家广电总局六五四台．

增刊吴戈成：中波定向天线辐射场的仿真分析87

而在充分利用现代科学技术手段的辅助下，尽快更好的使中波定向天线发挥出设计的功能。2传统中波天线的设计与测量

天线测量和天线理论研究及天线工程设计是相

互促进、互为补充的。当某些天线理论还不成熟时，

天线设计问题要靠实验来解决。

在广播领域，中波天线几何尺寸都很大，还配有金属地网，因此真实天线的测量会遇到很多困难。如果我们将真实天线的尺寸按一定比例缩小成模型天线，同时将激励模型天线的电磁振荡频率按相同比例提高，那么在模型天线上测得的方向图、增益、输入阻抗、互阻抗等参数将与真实天线相同。一般将中波天线缩小到1/10～1/30，天线尺寸缩小了，测量工作就要方便的多，但也不能缩的太小，太小了对加工精度要求过高，同时也给馈电系统的设计带来困难。传统天线的测量方法一般有固定天线法和旋转天线法。固定天线法适用于大型长、中、短波地面广播发射天线。旋转天线法指在合格的场地上使用旋转天线法可以对待测天线的方向图做出准确的评价。

3天线的计算机辅助设计

过去，天线的理论分析与设计严重脱节，许多问题虽有理论分析，但无法计算，只能依靠实验图表或

经验公式来进行设计，这既不方便，又有很多问题无法解决，随着电子计算机的出现和计算技术的发展，与其他各个领域一样，天线的计算机辅助设计也得到了广泛应用。借助计算机采用数值计算的方法来研究天线，使许多以往无法解决的问题得到了实现。

求解空间的电磁场分布，根本上是由空间的电荷电流分布和特定的边界条件求解麦克斯韦方程组。但作为一组较复杂的微分方程，其求解非常复杂，特别是在边界条件比较复杂的情况下，基本上不可能用解析的方法来求解麦克斯韦方程组。常用数值计算的方法来求得电磁场的近似解。

在高速数字计算机出现以前，对电磁理论和天线工程的一些问题的分析只能依靠经典的解析方法，如分离变量法，积分方程法、模式展开法以及变分法，渐进法。这些方法有效使用的范围较小，只能

解决一些几何形状比较简单的问题，或者是具有某些特殊形状物体的辐射、散射问题。近几十年来计算机辅助设计在不断地发展，计算机作为运算工具逐渐代替了繁重的人工计算。随着计算技术的发展，在对天线理论研究和实际测量数据的基础上，满足基本麦克斯韦方程组理论约束的电磁场仿真软件HFSS被开发了出来。

4HFSS高频仿真软件介绍

HFSS是高频结构仿真器(HighFrequencyStructureSimulator)的缩写，是美国Ansoft公司开发出的一个高性能EDA软件。HFSS以其极高的仿真

精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准。

HFSS可以计算增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽等天线基本特性参数。

当然HFSS软件也是当今天线设计最流行的设计软件。

5

HFSS软件应用于仿真中波定向天线

5．1

镜像法

中波天线大多架设在地面上，而地面在电波频

率比较低、投射角比较小的情况下可以被看作为良导体，并且当地面被认为是无限大理想导电平面时，对于中波天线的辐射场型可以用镜像法去求解。如图1所示的坐标系统，以实际天线的电流I为参考电流，当天线的架高为H时，镜像天线相对于实际天线之间的波程差为－2kHsinΔ，于是由实际天线与镜像天线构成的二元阵的阵因子为Fa(Δ)=cos(kHsinΔ)。

根据镜像原理，讨论一个电流元的镜像时，在与

该电流元相对的无限大理想导电平面的另一侧设置一镜像电流元，该镜像电流元的作用就是代替导电平面上的感应电流，使得真实电流元和镜像电流元的合成场在理想导电平面上的切向值处处为零。由于镜像电流元不位于求解空间内，因而在真实电流元所处的上半空间，一个电流元在无限大理想导电

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自然科学版）中国传媒大学学报（第26卷图1

理想导电平面上天线的坐标图

平面上的辐射场就可以由真实电流元与镜像电流元

的合成场而得到。对于垂直架设的l=λ/2的驻波单导线，其镜像为正。对于电流分布不均匀的实际天线，可以把它分解成许多电流元，所有电流元的镜像集合起来即为整个天线的镜像。用镜像天线来代替反射面的作用后，反射面对天线电性能的影响，就转化为实际天线和镜像天线构成的二元阵的相应问题。5．2

中波八塔天线的仿真

所要仿真的天线是一部八塔强定向中波天线，属于带无源反射器的边射式天线阵。天线铁塔(振子)高度为104米，左右相距104米，前后相距52米，由此可见该天线的中心频率波长为208米，对应中波工作频率为1442kHz，而实际使用的工作频率为1521kHz，距离中心频率有一定差异，对应的波长为λ=197米，

197×0．53=104．41≈104(米)。有可能最初设计者选择这样的工作频率是为了满足中波对推远衰落区最有利的天线高度是0．53λ这样的条件。

对于本例中塔间距为104米的八塔天线，工作在1521kHz时，其间距已不满足当初设计时标准边射天线单元振子间距λ/2的最佳设计要求，特别是在左右偏向发射时，其偏向最大方向，一般需要由根据发射塔之间的间距d与λ/2之间的差值由移相网络的移相角度去补足。具体计算公式为:

φψ

s=arcsin

ad

其中，

φs为偏向发射时最大场强方向偏移无移相网络工作时主向的最大场强方向，ψ为所设计移相网络的移相角度，d为四个发射塔之间的间距，本

例为实际间距104米，

a=2π

λ

，λ就为所工作频率的波长。通过该式，可计算出偏移主向26°时的移相网络移相角度为:

ψ=adsinφπ

s=

2197

×104×sin26°=0．4623π=83．2°

前文已经分析了实际中波天线的构成，

由于镜像原理的作用，中波天线一般由一个半波振子构成，

另一半由大地镜像构成另一半，为使大地增强良导体的特性，实际一般以塔高为半径铺设地网。因此在利用HFSS软件仿真中波八塔天线的辐射方向图时，必须把其镜像的另一半补足。下面具体介绍仿真工程:

1)新建中波八塔天线仿真工程。打开AnsoftHFSS软件，选择InsertHFSSDesign。HFSS/SolutionType，选择默认DrivenModal。由于本工程模拟大型中波天线，所以，选择建模单位选择为meter。

2)定义变量。选择HFSS/DesignProperties，在Name处输入变量名lambda，用lambda表示天线工作波长，

Value具体值根据实际天线振子长度有关。于此类似，再定义dip_rad(振子半径)，radiation_rad(辐射半径)，gap_src(馈电间隙)，res_length(振子

有效辐射长度)，

dip_length(振子长度)，radiation_height(辐射高度)等变量。

3)创建八塔中波天线3D模型

a．绘制棍状圆柱体作为中波天线的模型。绘制一个与所仿真天线尺寸近似的圆柱体(实际中铁塔是由边宽一米的三棱柱框架构成)。

对称天线的电流分析是在假定天线上电流分布于相应传输线的电流相同而得出的结论。事实上由于这两种系统的结构差异，电流分布不可能一样，一般来讲，天线的终端电流总是不为零的，这又叫做天线的

“末端效应”。它对于方向性来讲可忽略不计，但在计算天线的输入阻抗时需考虑。对于半波振子，实践表明，振子越粗，末端效应越大。为和馈线匹配，希望输入阻抗呈纯阻性，考虑到天线的“末端效应”，天线的长度稍短于λ/2。

b．绘制天线对称的镜像下臂。

c．完成所有四个发射塔和反射塔的模型设置。以此类推，最终完成发射四个塔，反射四个塔的模型设置，与实际天线塔不同的是，都要为对应铁塔添加

增刊吴戈成：中波定向天线辐射场的仿真分析89

上各自所镜像的另一个半波振子。在发射塔与镜像单元之间需要设置给整个天线系统馈电的馈电端口。可以把天线模型材料属性Material设置成铁材料i-ron。一副中波八塔天线的仿真3D效果如图2所示。

图2中波八塔天线的仿真3D效果(HFSS15．0(64－bit))

d．绘制矩形块作为天线的馈电端口。绘制一个

任意形状的矩形块，再通过修改矩形块的属性，完成每座发射塔及镜像单元的馈电端口的设计。

e．创建集总端口激励。选中一个馈电端口矩形块，在LumpPort窗口中将该端口命名为P1，端口阻抗值设为150欧姆。然后分别在馈电端口P1的上下边缘的中点位置确定积分线的起点和终点，完成积分线的设置。依次类推，完成其余3座发射塔及对应镜像单元馈电端口P2、

P3、P4激励积分线的设置。f．创建空气盒。HFSS在仿真天线辐射特性时，是模拟天线在自由空间的情形，类似于将天线放入一个微波暗室。在暗室中的天线辐射出去的能量理论上不应该被反射回来。天线模型中的空气盒子就相当于暗室，它吸收天线辐射出去的能量，同时提供可以计算远场的数据。空气盒子的设置一般来说有两个关键:一个是形状，一个是大小。形状就像微波暗室一样，要求反射尽可能低，要求空气盒子的表面应该与模型表面平行，保证从天线发出的波尽可能垂直入射到空气盒子的表面，要使大部分波辐射到空气盒子内表面的入射角要小，尽可能少的防止反射发生。理论上，空气盒子越大越接近理想自由空间。但硬件条件不允许盒子太大，越大计算量越大，一般要求空气盒子离开最近的辐射面距离不小于1/4波长，本工程选择距中心为4个波长的圆柱体，满足以八塔中心为圆心的每个振子与空气盒边缘均超过1/4波长。

4)设置求解参数。在Project选中Analysis项，

选择AddSolutionSetup，设置求解频率为1．521MHz，最大迭代次数为20，最大误差为0．2。具体求解过程依据配置计算机硬件的高低、迭代次数、空气盒子大小而有快有慢。5)设置3D球面参数。选择HFSS/Ｒadiation/InsertFarField/InfiniteSphere，设置3D仿真时辐射场的球面参数。

6)中波八塔天线HFSS增益方向图的仿真结果。

选择HFSS/Ｒesults/CreateFarFieldsＲeport/3DPolarPlot，本例八塔天线左偏向发射的整个E面增益方向图如图3所示。

图3

中波八塔天线左偏向发射时方向增益仿真图(1521kHz)

图4、图5、图6显示了该八塔天线，

在1521kHz工作频率下，实际八塔天线右、主、左三个方向的场强测试效果图和相对应的仿真辐射场型图。

表1、表2仿真结果显示了该八塔天线，1521kHz频率下，左、右偏向时每发射塔馈电单元均接入相互相移83．2°移相网络后的最大增益方向与无偏向时最大增益方向的偏移角度，可以看到在左偏向工作时的最大增益角度在206°，与标准球坐标边射阵无移相网络时的最大增益方向180°正好左偏向26°。而在右偏向时，最大增益角度在155°，与设计要求的180°－26°=154°相差1°，与154°的增益相差17．581723－17．580999=0．0071733，差异非常小，基本都处于最大增益辐射方向。从而进一步从数据上验证了应用HFSS软件仿真研究中波八塔定向天线的可行性。

6结束语

通过仿真结果表明，

中波八塔天线的实际场强90

自然科学版）中国传媒大学学报（第26卷图4中波八塔天线右偏场强测试效果图和

右偏3D辐射仿真场型图(1521kHz)

图5中波八塔天线主向(标准边射阵)场强测试效果图和主向3D辐射仿真场型图(1521kHz)

图6中波八塔天线左偏场强测试效果图和

左偏3D辐射仿真场型图(1521kHz)

图7中波八塔天线左偏向26°仿真增益方向数值

(1521kHz)

图8中波八塔天线右偏向26°仿真增益方向数值

(1521kHz)

增刊吴戈成：中波定向天线辐射场的仿真分析91

测试效果图和远区3D辐射仿真场型图基本一致，并由实际移相网络的移相度数仿真得到了中波八塔天

线偏向发射时的最大辐射方向所需要的偏转角度，并与实际测试结果相符。同时说明，HFSS软件的良好使用，可以很好的指导中波定向天线的设计、调试。中波定向天线的仿真只是HFSS软件极小的一部分功能，对HFSS的进一步熟悉，还可以对维护的其它类型天线进行有效仿真，从而更好的为安全传输发射工作的有效性和准确性提供科学的技术支撑。参考文献

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hfss/1101139

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