CST 仿真半波偶极子天线

文中使用了两种参数来实现 2.724GHz 天线，一种是文内步骤图中所使用的参数（此种方式天线间隙需自行调整得小一些，并且计算式并未考虑间隙），一种是实验原理中提供的计算方式所得出的参数（但未在步骤图中与结果体现，可以自行更改参数重新运行仿真观察结果）；

1. 实验目的

• 熟悉 CST Studio Suite 的使用；
• 完成半波偶极子天线的仿真。

2. 实验原理

​ 半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成，每根导线的长度为 1/4 工作波长。导线的直径远小于工作波长，在中间的两个端点上由等幅反相的电压激励，中间端点之间的距离远小于工作波长，可以忽略不计，其结构如图1所示，

图1 半波偶极子天线结构图

这个结构可以看成是由终端开路的双线传输线张开而成的，平行双线传输线上的导行波在开路终端出将形成全反射，其电流沿线呈驻波分布，在开路终端处电流总为 0.

仿真参数计算方式：（单位：mm、GHz）
频率f，波长wv，天线长度L，天线半径r，端口距离gap，

• f = 2.724;
  wv = 300 / f;
  L = 0457 * wv;
  r = wv / 200;
  gap = L / 200;
• 设置 外径 = r，Zmin = gap / 2， Zmax = gap / 2 + L / 2；
• 由于振子导体有一定直径，末端分布电容增大（称为末端效应），末端电流实际不为零，这等效于振子长度增加，因而造成波长缩短。振子导体越粗，末端效应越显著，波长缩短越严重。所以半波偶极子天线长度略小于半个波长。

3. 实验步骤

1. 新建工程，运行 CST 并创建工程模板，在“New and Recent”界面选择“New Template”，如图2所示，

图2 新建工程样例

2. 选择应用领域，选择微波与射频/光学应用点击“MICROWAVES & RF/OPTICAL”，再选择天线应用“Antennas”，如图3所示，

图3 选择应用领域

3. 选择工作流，选择线结构“Wire”，如图4所示，

图4 选择工作流

4. 设置求解器类型为时域求解器，选择“Time Domain”，如图5所示，

图5 选择求解器

5. 设置单位，此步基本不用作更改，直接前往下一步，如图6所示，

图6 单位设置

6. 扫频设置，设置频率范围为 2 ~ 4 GHz，如图7所示，

图7 扫频设置

7. 点击“Finishi”完成工程创建。

8. 左下角3D工作区，双击空白添加变量，用以计算半波偶极子天线的长度，

   其中设置

   lambda = 100，length = 0.25 * lambda，

   rad = 0.005 * lambda， dis = 1，如图8所示，

图8 设置变量

9. 上方工作区“Moduling”，选择天线振子，模型选择圆柱体，如图9所示，

图9 选择圆柱体

双击工作区，以放置圆柱体，直到跳出圆柱体参数设置窗口，
设置

“Outer radius”为 rad，“Inner radius”为0.0，

“Xcenter”为0，“Ycenter”为0，

“Zmin”为dis/2，“Zmax”为length，

“Segments”为0，“Material”为PEC，如图10所示，

图10 参数设置

此时能正常生成一个单振子；

10. 另一个振子可以使用镜像来生成，上方工作区“Moduling”，选中刚才生成的振子，选择“Transform”中的“Mirror”，如图11所示，

图11 镜像生成

设置窗口中，勾选“Copy”，Z轴参数设置为1，点击“Preview”，如图12所示，

图12 镜像参数设置

最终便能生成偶极子天线模型，如图13所示，

图13 偶极子天线模型

11. 设置激励方式，选择离散端口馈电模式，上方工作区“Moduling”，“Pick Points”中选择“Pick Face Center”，分别选择两个天线相对的面的圆心点，如图14所示，

图14 选择面心

若觉得操作困难可以右键选择查看模型方式选择“Rotate”，旋转模型，以选择两个面，如图15所示，

图15 设置两个中点

12. 选择离散端口，上方工作区“Simulation”，选择“Discrete Port”中的“Discrete Port”，如图16所示，

图16 选择离散端口

参数设置，阻抗为73.2Ω，如图17所示，

图17 阻抗设置

13. 设置求解器，上方工作区“Simulation”，选择“Setup Solver”，如图18所示，设置完毕后（这里默认即可）点击“Start”，

图18 设置求解器

14. 要查看远场结果，需要设置监视器，上方工作区“Simulation”，选择“Field Monitor”，如图19所示，

图19 设置监视器

“Type”选择“Farfield/RCS”远场区，点击“OK”后，再次运行求解器，如图20所示，

图20 监视器设置

4. 仿真结果

1. 左侧工作区，点击“1D Results”再点击“S-Parameters”，即可看到天线的S参数，如图21所示，可以看到该天线在2.724GHz时工作效率最高，

图21 S参数

2. 上方工作区“1D Plot”，点击“Z Smith Chart”，点击“Curve Markers”可添加标记，双击标记设置频率为 2.724GHz，如图22所示，

图22 史密斯圆图

可以看出此时，特性阻抗为73.2Ω；

3. 左侧工作区，选择“VSMR”以观察分析电压驻波比，设置标记点 2.724GHz，如图23所示，

图23 电压驻波比

4. 左侧工作区，“Farfield”中选择图表，勾选上方工作区中的“Show Structure”，可显示天线模型及其方向图，如图24所示，

图24 天线辐射图

5. 上方工作区，点击“1D”可观察二位方向图，如图25所示，

图25 切换二维方向图

图26 Phi=90截面二维方向图

6. 上方工作区“Farfield Plot”，选择“Resolution and Scaling”中的“Constant”设置为“Theta”，即可得到另一个截面上的二维方向图，如图27所示，

图27 Theta=90截面二维方向图

5. 结果

从仿真数据中可以看出，此次仿真设计了一个工作在2.724GHz的半波偶极子天线，符合实验要求与预期。可以尝试仿真另一个在原理中提到的实验数据，其工作效率更高，数据如图28、图29所示。

图28 实验数据

图29 模型数据

参考：

1. 半波偶极子天线——CST仿真（1）-CSDN博客
2. CST仿真半波偶极子天线学习笔记_cst天线仿真-CSDN博客
3. CST微波工作室学习笔记—14.天线设计实例_天线臂长度-CSDN博客