8.4.2 天线方向图

     天线的辐射场在固定距离上随球坐标系的角坐标theta、phi分布的图形被称为天线的辐射方向图，简称方向图；方向图通常是在远区场确定的。用辐射场强表示的方向图称为场强方向图，用辐射功率密度表示的方向图称为功率方向图，用相位表示的方向图称为相位方向图。方 图习惯上采用极坐标绘制，角度表示方向，矢径长度表示场强值或功率密度值。

    天线方向图应是三维空间的立体图，但在计算机辅助设计普及之前，三维空间的方向图绘制复杂，工程上常用两个相互垂直的主平面上的方向图表示；主平面的选取因问题而异，通常选取E平面和H平面作为主平面，E 平面是通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面，H 平面是通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面。现在，借助于HFSS 的强大数据后处理功能，在天线问题的分析中能够方便地绘制出三维空间的立体方向图以及任意方向主平面上的方向图。

    这里以工作频率在2.4GHz 的微带天线设计为例，说明使用 HFSS 数据后处理模块绘制 天线的立体方向图和平面方向图的操作方法。设计文件所在的位置为 DesignFiles/CH8 /MS_Antenna.hfss，首先双击打开该 HFSS 设计文件，然后单击工具栏的按钮；运行仿真计算。仿真计算完成后，我们开始讲解如何绘制天线的方向图。

    1．绘制立体方向图

    首先根据 8.4.1 节介绍的步骤定义和添加一个完整的球面作为远区场辐射表面。右键单击工程树下的 Radiation 节点，从弹出菜单中选择【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】命令，打开图 8.15 所示的“远区场辐射表面设置”对话框。在该对话框 Infinite Sphere 选项卡界面的Name 项输入3D 作为远区场辐射表面的名称，Phi 栏的 Start、Stop 和 Step Size 项 分别输入 0deg、360deg 和 10deg，Theta 栏的 Start、Stop 和 Step Size 项分别输入 0deg、180deg 和 10deg。然后单击确定按钮，这样就定义了一个完整的球面作为辐射表面。完成后，辐射球面的名称 3D 会添加到工程树的 Radiation 节点下，如图 8.16 所示。

图 8.16 自定义的辐射表面3D

    然后，右键单击工程树下的 Results 节点，从弹出菜单中选择【Create Far Fields Report】 →【3D Polar Plot】，打开“三维立体方向图绘制设置”对话框，如图 8.17 所示。

图 8.17 “三维立体方向图绘制设置”对话框

    在该对话框中，①处 Context 栏下的 Solution 项是选择求解设置项，这里选择 Setup1: LastAdaptive；Geometry 项是选择定义的辐射表面，这里选择我们前面定义的辐射表面3D。在②处选择球坐标的角坐标 phi 和 Theta，phi 和 Theta 的范围由 Geometry 处选择的辐射表面给定。在③处选择绘制的方向图的类型，可以选择绘制场强方向图或者增益方向图等，这里选择绘制场强方向图；Category 项选择场强 rE，Quantity 项选择 rETotal，Function 项选择 <none>，如图8.17中阴影部分所示；选择好这3项后，在对话框的Mag文本框中会显示rETotal。 在④处单击按钮，创建一个三维空间的场强方向图。单击Close按钮，退出对话框，可以看到新建的三维场强方向图，如图 8.18 所示。此时，新建的方向图的名称会添加到工程树的 Results 节点下，如图 8.19 所示的。 

图 8.18 三维场强方向图

图 8.19 添加到工程树下的方向图 rETotal

    2．绘制平面方向图

    假设此处需要绘制 yoz 平面上的场强方向图，那么首先需要定义 yOz 截面作为辐射表面。右键单击工程树下的 Radiation 节点，在弹出菜单中选择【Insert Far Field Setup】→【Infinite Sphere】命令，打开“远区场辐射表面设置”对话框。在该对话框中，Infinite Sphere 选项卡 的 Name 项输入 YOZ Plane 作为远区场辐射表面的名称，Phi 栏的 Start、Stop 和 Step Size 项分别输入 90deg、90deg 和 10deg，Theta 栏的 Start、Stop 和 Step Size 项分别输入 0deg、360deg 和 2deg。然后单击确定按钮，这样就定义了yOz 截面周边作为辐射表面。完成后，辐射表面的名称 YOZ Plane 会添加到工程树的 Radiation 节点下。

    然后，右键单击工程树下的 Results 节点，在弹出菜单中选择【Create Far Fields Report】→ 【Radiation Pattern】，打开“平面方向图报告设置”对话框，如图 8.20 所示。

图 8.20 “平面方向图报告设置”对话框

    绘制平面方向图的对话框设置和绘制三维方向图的对话框设置相似。对话框中，①处 Context 栏下的 Solution 项是选择求解设置项，这里选择 Setup1: LastAdaptive；Geometry 项是选择定义的辐射表面，这里选择上面定义的辐射表面：YOZ Plane。②处的 Ang 项选择绘制平面的角坐标，这里选择默认的Theta 即可。③处选择绘制的方向图的类型，这里选择绘制场强方向图；所以， Category 项选择场强rE，Quantity 项选择 rETotal，Function 项选择<none>，如图 8.20 中阴影部分所示。选择好这3 项后，在对话框的 Mag 文本框中会显示 rETotal。在④处单击按钮，创建一个三维空间的场强方向图。然后，单击Close按钮，退出对话框，可以看到新建的平面场强方向图，如图 8.21 所示。同时，新建的方向图的名称会添加到工程树的 Results 节点下。

图 8.21 E 面（yOz 面）场强方向图