8.4.2 天線方向圖

     天線的輻射場(chǎng)在固定距離上隨球坐標(biāo)系的角坐標(biāo)theta、phi分布的圖形被稱為天線的輻射方向圖，簡(jiǎn)稱方向圖；方向圖通常是在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)確定的。用輻射場(chǎng)強(qiáng)表示的方向圖稱為場(chǎng)強(qiáng)方向圖，用輻射功率密度表示的方向圖稱為功率方向圖，用相位表示的方向圖稱為相位方向圖。方 圖習(xí)慣上采用極坐標(biāo)繪制，角度表示方向，矢徑長(zhǎng)度表示場(chǎng)強(qiáng)值或功率密度值。

    天線方向圖應(yīng)是三維空間的立體圖，但在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)普及之前，三維空間的方向圖繪制復(fù)雜，工程上常用兩個(gè)相互垂直的主平面上的方向圖表示；主平面的選取因問題而異，通常選取E平面和H平面作為主平面，E 平面是通過最大輻射方向并與電場(chǎng)矢量平行的平面，H 平面是通過最大輻射方向并與磁場(chǎng)矢量平行的平面。現(xiàn)在，借助于HFSS 的強(qiáng)大數(shù)據(jù)后處理功能，在天線問題的分析中能夠方便地繪制出三維空間的立體方向圖以及任意方向主平面上的方向圖。

    這里以工作頻率在2.4GHz 的微帶天線設(shè)計(jì)為例，說明使用 HFSS 數(shù)據(jù)后處理模塊繪制 天線的立體方向圖和平面方向圖的操作方法。設(shè)計(jì)文件所在的位置為 DesignFiles/CH8 /MS_Antenna.hfss，首先雙擊打開該 HFSS 設(shè)計(jì)文件，然后單擊工具欄的按鈕；運(yùn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算完成后，我們開始講解如何繪制天線的方向圖。

    1．繪制立體方向圖

    首先根據(jù) 8.4.1 節(jié)介紹的步驟定義和添加一個(gè)完整的球面作為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射表面。右鍵單擊工程樹下的 Radiation 節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】命令，打開圖 8.15 所示的“遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射表面設(shè)置”對(duì)話框。在該對(duì)話框 Infinite Sphere 選項(xiàng)卡界面的Name 項(xiàng)輸入3D 作為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射表面的名稱，Phi 欄的 Start、Stop 和 Step Size 項(xiàng) 分別輸入 0deg、360deg 和 10deg，Theta 欄的 Start、Stop 和 Step Size 項(xiàng)分別輸入 0deg、180deg 和 10deg。然后單擊確定按鈕，這樣就定義了一個(gè)完整的球面作為輻射表面。完成后，輻射球面的名稱 3D 會(huì)添加到工程樹的 Radiation 節(jié)點(diǎn)下，如圖 8.16 所示。

圖 8.16 自定義的輻射表面3D

    然后，右鍵單擊工程樹下的 Results 節(jié)點(diǎn)，從彈出菜單中選擇【Create Far Fields Report】 →【3D Polar Plot】，打開“三維立體方向圖繪制設(shè)置”對(duì)話框，如圖 8.17 所示。

圖 8.17 “三維立體方向圖繪制設(shè)置”對(duì)話框

    在該對(duì)話框中，①處 Context 欄下的 Solution 項(xiàng)是選擇求解設(shè)置項(xiàng)，這里選擇 Setup1: LastAdaptive；Geometry 項(xiàng)是選擇定義的輻射表面，這里選擇我們前面定義的輻射表面3D。在②處選擇球坐標(biāo)的角坐標(biāo) phi 和 Theta，phi 和 Theta 的范圍由 Geometry 處選擇的輻射表面給定。在③處選擇繪制的方向圖的類型，可以選擇繪制場(chǎng)強(qiáng)方向圖或者增益方向圖等，這里選擇繪制場(chǎng)強(qiáng)方向圖；Category 項(xiàng)選擇場(chǎng)強(qiáng) rE，Quantity 項(xiàng)選擇 rETotal，F(xiàn)unction 項(xiàng)選擇 <none>，如圖8.17中陰影部分所示；選擇好這3項(xiàng)后，在對(duì)話框的Mag文本框中會(huì)顯示rETotal。 在④處單擊按鈕，創(chuàng)建一個(gè)三維空間的場(chǎng)強(qiáng)方向圖。單擊Close按鈕，退出對(duì)話框，可以看到新建的三維場(chǎng)強(qiáng)方向圖，如圖 8.18 所示。此時(shí)，新建的方向圖的名稱會(huì)添加到工程樹的 Results 節(jié)點(diǎn)下，如圖 8.19 所示的。 

圖 8.18 三維場(chǎng)強(qiáng)方向圖

圖 8.19 添加到工程樹下的方向圖 rETotal

    2．繪制平面方向圖

    假設(shè)此處需要繪制 yoz 平面上的場(chǎng)強(qiáng)方向圖，那么首先需要定義 yOz 截面作為輻射表面。右鍵單擊工程樹下的 Radiation 節(jié)點(diǎn)，在彈出菜單中選擇【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】命令，打開“遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射表面設(shè)置”對(duì)話框。在該對(duì)話框中，Infinite Sphere 選項(xiàng)卡 的 Name 項(xiàng)輸入 YOZ Plane 作為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)輻射表面的名稱，Phi 欄的 Start、Stop 和 Step Size 項(xiàng)分別輸入 90deg、90deg 和 10deg，Theta 欄的 Start、Stop 和 Step Size 項(xiàng)分別輸入 0deg、360deg 和 2deg。然后單擊確定按鈕，這樣就定義了yOz 截面周邊作為輻射表面。完成后，輻射表面的名稱 YOZ Plane 會(huì)添加到工程樹的 Radiation 節(jié)點(diǎn)下。

    然后，右鍵單擊工程樹下的 Results 節(jié)點(diǎn)，在彈出菜單中選擇【Create Far Fields Report】→ 【Radiation Pattern】，打開“平面方向圖報(bào)告設(shè)置”對(duì)話框，如圖 8.20 所示。

圖 8.20 “平面方向圖報(bào)告設(shè)置”對(duì)話框

    繪制平面方向圖的對(duì)話框設(shè)置和繪制三維方向圖的對(duì)話框設(shè)置相似。對(duì)話框中，①處 Context 欄下的 Solution 項(xiàng)是選擇求解設(shè)置項(xiàng)，這里選擇 Setup1: LastAdaptive；Geometry 項(xiàng)是選擇定義的輻射表面，這里選擇上面定義的輻射表面：YOZ Plane。②處的 Ang 項(xiàng)選擇繪制平面的角坐標(biāo)，這里選擇默認(rèn)的Theta 即可。③處選擇繪制的方向圖的類型，這里選擇繪制場(chǎng)強(qiáng)方向圖；所以， Category 項(xiàng)選擇場(chǎng)強(qiáng)rE，Quantity 項(xiàng)選擇 rETotal，F(xiàn)unction 項(xiàng)選擇<none>，如圖 8.20 中陰影部分所示。選擇好這3 項(xiàng)后，在對(duì)話框的 Mag 文本框中會(huì)顯示 rETotal。在④處單擊按鈕，創(chuàng)建一個(gè)三維空間的場(chǎng)強(qiáng)方向圖。然后，單擊Close按鈕，退出對(duì)話框，可以看到新建的平面場(chǎng)強(qiáng)方向圖，如圖 8.21 所示。同時(shí)，新建的方向圖的名稱會(huì)添加到工程樹的 Results 節(jié)點(diǎn)下。

圖 8.21 E 面（yOz 面）場(chǎng)強(qiáng)方向圖