RF仿真
Dipole天线的ADS仿真
天线，是无线电通信与广播领域常用的一个部件，其目的是把高频电信号有效地发射到周围空间，或有效地接收周围空间的电磁场信号，其外形多种多样，Dipole天线是其中结构最简单并且使用最广泛的一种实用天线，很多线天线都是从它衍生出来的，讲天线原理的教科书中都会重点加以分析。
Dipole，原意是偶极子，指相距很近的符号相反的一对电荷（或‘磁荷’）。Dipole天线一般是由相距很近的两根金属杆（或空心管）组成，用相位相反的一对差分电流在间隙处激励，是一种双极天线，因为有结构对称的两个臂，常被翻译为对称振子天线。Dipole天线总长度一般为所用信号频率对应的半波长附近，因此一般也称为半波振子天线。
Dipole天线很早就被使用，赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在研究电磁场时曾用在两根铜棒的间隙处产生电火花的方式发射信号，这两根铜棒其实就是一种Dipole天线。早期的无线电研究者都是实践家，在理论体系还没建立的情况下主要靠个人的感觉和不断摸索，往往是在走了很多弯路否定了很多设想后才得到那些记入科技史的成就的。在那些研究基础上，后来才逐渐形成了较系统的分析方法。到了今天，已经有很多相关的计算机软件了，只要坐在计算机前，很短时间就能把前人数年（甚至十多年）辛苦研究的成果直观地显现出来，技术进步当然也就越来越快了。
ADS软件是美国Agilent公司推出的电子设计自动化软件，是Advanced Design System的缩写，主要用于平面型的高频微波电路领域，其中的电磁仿真（EM Simulation）功能也能用来进行一些天线类型的仿真，主要是PCB天线。如果适当设置参数，ADS软件也可以在一定精度内用于分析dipole天线性能，但因为无法绘制出三维的金属圆棒（或管），所以只能通过金属厚度的设置形成方形截面的金属杆，以下的仿真都是使用这种近似的方法。
1. 电视频段的dipole天线的特性：
Dipole天线最常见是用于电视接收天线，在有线电视网络还不能覆盖的地方，过去常能见到屋顶上高架的对称振子天线或以对称阵子为主振子的鱼骨天线，下面的分析也是以电视频段使用的对称振子天线为例。
电视频段包括VHF和UHF两部分，其中VHF有12个频道，48MHz～223MHz，相对带宽高达170%，远超一般天线的带宽，想全覆盖非常困难。一般天线是保证覆盖高端的7个频道，即167～223MHz，中心频率在190MHz左右，相对带宽约30%，就比较容易做到了。
上图是金属棒宽10mm、半臂长度375mm的对称振子天线仿真出的S11特性曲线，中心频率在188MHz，反射系数为-46.8dB，折合VSWR还不到1.01，特性非常好；但其带宽非常窄，按VSWR<3的带宽还不能全覆盖167～223MHz频段。其Smith圆图为：
可以看出，在中心频率处曲线基本过阻抗匹配点，虚部非常接近0，而实部是按端口阻抗70Ohm设置的，这样特性才最好。按188MHz计算得到的半波波长为800mm，仿真使用的是375mm的半臂长度，也就是大约缩短了6%左右，这里有一个阻抗虚部为零的点，这时的dipole天线特性最好，并不是按波长实际计算得到的长度。一般这个缩短量是要在制作中通过实测得到，仿真只是给出大致的一个值，并不十分精确。
因为天线棒宽度为10mm的带宽太窄，实际中不能满足要求，需要加大宽度到20mm。
从S11曲线可以看出：宽度增加后，中心频率为184MHz，下降约2%，而反射系数有所增加，为-41.6dB，VSWR还不到1.02，特性仍非常好。而VSWR<3的带宽则增加到了61MHz，相对带宽为33%，已可以覆盖6～12频道的频率范围。当然，如果再适当缩短天线臂的长度而使中心频率提高一些更好，这里主要是为了与10mm宽的天线做比较，而没有调整长度进行仿真计算。看Smith圆图，中心频率处仍接近纯阻，阻抗虚部非常接近零。
需要指出的是，这里使用的仿真端口阻抗是75Ohm。Dipole天线的阻抗实部大约是73Ohm，一般实用中是用75Ohm，因此大量采用dipole天线的电视机都是按75Ohm设计的，后来这种阻抗标准值又延续到有线电视中，用于有线电视的同轴电缆阻抗也是75Ohm，而其他领域使用的同轴电缆大多都是50Ohm的。当然，75Ohm阻抗的同轴缆的损耗也较小。
这时还可以得到dipole天线的3D图及近场辐射图，其形状像西点的面包圈，在天线臂伸展的两端方向辐射较弱，而在垂直于天线的方向辐射最强。
Dipole天线是一种被研究得很早也比较深入的天线，在天线测试时往往作为对照的标准，天线增益dBd的参考值就是dipole天线，1dBd=2.15dBi，所以要把仿真出的曲线坐标值显示出来作为对照，而不仅仅看形状。
可以看出，实际上20mm的金属棒组成的dipole天线已可以基本满足收看6～12频道电视节目的需要了。当然，使用更宽的金属杆制作dipole天线带宽会更宽，但需要寻找适当的材料来制作。
2. 易拉罐制作的dipole天线性能分析：
当年，曾经有很多报道是关于使用废弃的易拉罐来制作电视天线，效果会更好。易拉罐的直径大约为2.5英寸，约65mm，按这种直径设定相关参数，得到仿真结果如下：
仍然是按375mm来仿真的，这时中心频率降低到182MHz，而反射系数为-42dB，特性非常好；VSWR<2的带宽大于66.5MHz，相对带宽为35%。请注意，前面的10mm和20mm金属棒组成的天线都是按VSWR<3的带宽，即反射系数小于-6dB，而这里则是反射系数小于-9.5的带宽，即VSWR<2，可见特性改善很多。Smith图上其实标识的是VSWR<3的频率点，这时带宽约145MHz，相对带宽大于76%。
但应注意，易拉罐的高度为115mm（约4.5inch），一般是使用完整的易拉罐，即长度为易拉罐高度的整数倍。如果单臂使用3～5个易拉罐，即单臂长分别为345、460和575mm，这时得到的S11曲线分别为：
可见，其中心频率分别为199、148和118MHz，VSWR<3的带宽分别为186、93和60MHz，而相对带宽则为93%、63%和50%，任何一种结构都无法覆盖全部低12个电视频道，只能根据当地的播出频道折中选择最佳的方案。
3. 大地对dipole天线的影响：
一般dipole天线是架空立在地面上的，距离地面常在2米以上，如果把大地当作良导体，可以仿真出对天线的影响（这里还是用20mm宽的截面为方形的金属棒形成的天线，但长度改为350mm）：
如果只是看S11，架高2m其实对天线特性影响很小，只是反射系数略有增加而已，VSWR<2的相对带宽仍有24%，这个长度时能更好地覆盖6～12频道的高端。但如果看3D场的形状，就有很大的差别了：
因为地面的反射，电磁场只能向上辐射，好像成了多层的蛋糕，向两边伸展的臂的方向仍然是辐射较弱的方向，但有改善。按0度和90度做剖面，从数值上能表现这些差别。
上面是0度剖面的，下面是90度剖面的：
如果把天线降低高度，到1m，这时天线参数就有了一些变化：
可见，中心频率变化并不大，但反射系数有了较明显的变化，只有-20dB了，引起相对带宽也只有16%。这时其3D图也有了明显变化：
似乎“蛋糕”被偷工减料少做了一层。所以，dipole天线架高使用时需要有一定的高度，不然就会对天线特性造成较明显的影响，而这个高度要求其实与波长是有一定关系的。
Dipole，原意是偶极子，指相距很近的符号相反的一对电荷（或‘磁荷’）。Dipole天线一般是由相距很近的两根金属杆（或空心管）组成，用相位相反的一对差分电流在间隙处激励，是一种双极天线，因为有结构对称的两个臂，常被翻译为对称振子天线。Dipole天线总长度一般为所用信号频率对应的半波长附近，因此一般也称为半波振子天线。
Dipole天线很早就被使用，赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在研究电磁场时曾用在两根铜棒的间隙处产生电火花的方式发射信号，这两根铜棒其实就是一种Dipole天线。早期的无线电研究者都是实践家，在理论体系还没建立的情况下主要靠个人的感觉和不断摸索，往往是在走了很多弯路否定了很多设想后才得到那些记入科技史的成就的。在那些研究基础上，后来才逐渐形成了较系统的分析方法。到了今天，已经有很多相关的计算机软件了，只要坐在计算机前，很短时间就能把前人数年（甚至十多年）辛苦研究的成果直观地显现出来，技术进步当然也就越来越快了。
ADS软件是美国Agilent公司推出的电子设计自动化软件，是Advanced Design System的缩写，主要用于平面型的高频微波电路领域，其中的电磁仿真（EM Simulation）功能也能用来进行一些天线类型的仿真，主要是PCB天线。如果适当设置参数，ADS软件也可以在一定精度内用于分析dipole天线性能，但因为无法绘制出三维的金属圆棒（或管），所以只能通过金属厚度的设置形成方形截面的金属杆，以下的仿真都是使用这种近似的方法。
1. 电视频段的dipole天线的特性：
Dipole天线最常见是用于电视接收天线，在有线电视网络还不能覆盖的地方，过去常能见到屋顶上高架的对称振子天线或以对称阵子为主振子的鱼骨天线，下面的分析也是以电视频段使用的对称振子天线为例。
电视频段包括VHF和UHF两部分，其中VHF有12个频道，48MHz～223MHz，相对带宽高达170%，远超一般天线的带宽，想全覆盖非常困难。一般天线是保证覆盖高端的7个频道，即167～223MHz，中心频率在190MHz左右，相对带宽约30%，就比较容易做到了。
上图是金属棒宽10mm、半臂长度375mm的对称振子天线仿真出的S11特性曲线，中心频率在188MHz，反射系数为-46.8dB，折合VSWR还不到1.01，特性非常好；但其带宽非常窄，按VSWR<3的带宽还不能全覆盖167～223MHz频段。其Smith圆图为：
可以看出，在中心频率处曲线基本过阻抗匹配点，虚部非常接近0，而实部是按端口阻抗70Ohm设置的，这样特性才最好。按188MHz计算得到的半波波长为800mm，仿真使用的是375mm的半臂长度，也就是大约缩短了6%左右，这里有一个阻抗虚部为零的点，这时的dipole天线特性最好，并不是按波长实际计算得到的长度。一般这个缩短量是要在制作中通过实测得到，仿真只是给出大致的一个值，并不十分精确。
因为天线棒宽度为10mm的带宽太窄，实际中不能满足要求，需要加大宽度到20mm。
从S11曲线可以看出：宽度增加后，中心频率为184MHz，下降约2%，而反射系数有所增加，为-41.6dB，VSWR还不到1.02，特性仍非常好。而VSWR<3的带宽则增加到了61MHz，相对带宽为33%，已可以覆盖6～12频道的频率范围。当然，如果再适当缩短天线臂的长度而使中心频率提高一些更好，这里主要是为了与10mm宽的天线做比较，而没有调整长度进行仿真计算。看Smith圆图，中心频率处仍接近纯阻，阻抗虚部非常接近零。
需要指出的是，这里使用的仿真端口阻抗是75Ohm。Dipole天线的阻抗实部大约是73Ohm，一般实用中是用75Ohm，因此大量采用dipole天线的电视机都是按75Ohm设计的，后来这种阻抗标准值又延续到有线电视中，用于有线电视的同轴电缆阻抗也是75Ohm，而其他领域使用的同轴电缆大多都是50Ohm的。当然，75Ohm阻抗的同轴缆的损耗也较小。
这时还可以得到dipole天线的3D图及近场辐射图，其形状像西点的面包圈，在天线臂伸展的两端方向辐射较弱，而在垂直于天线的方向辐射最强。
Dipole天线是一种被研究得很早也比较深入的天线，在天线测试时往往作为对照的标准，天线增益dBd的参考值就是dipole天线，1dBd=2.15dBi，所以要把仿真出的曲线坐标值显示出来作为对照，而不仅仅看形状。
因为是用设置很厚的导体厚度形成一种方形截面的金属臂，所以一些仿真出的值未必非常真实反映实际的dipole天线的性能，只能作为一种参考。如果想更接近实际进行仿真，应使用3D电磁场的仿真软件，这只是一种近似。
要更全面反映其“面包圈”式的辐射场，还应看其90度剖面的曲线：
可以看出，实际上20mm的金属棒组成的dipole天线已可以基本满足收看6～12频道电视节目的需要了。当然，使用更宽的金属杆制作dipole天线带宽会更宽，但需要寻找适当的材料来制作。
2. 易拉罐制作的dipole天线性能分析：
当年，曾经有很多报道是关于使用废弃的易拉罐来制作电视天线，效果会更好。易拉罐的直径大约为2.5英寸，约65mm，按这种直径设定相关参数，得到仿真结果如下：
仍然是按375mm来仿真的，这时中心频率降低到182MHz，而反射系数为-42dB，特性非常好；VSWR<2的带宽大于66.5MHz，相对带宽为35%。请注意，前面的10mm和20mm金属棒组成的天线都是按VSWR<3的带宽，即反射系数小于-6dB，而这里则是反射系数小于-9.5的带宽，即VSWR<2，可见特性改善很多。Smith图上其实标识的是VSWR<3的频率点，这时带宽约145MHz，相对带宽大于76%。
但应注意，易拉罐的高度为115mm（约4.5inch），一般是使用完整的易拉罐，即长度为易拉罐高度的整数倍。如果单臂使用3～5个易拉罐，即单臂长分别为345、460和575mm，这时得到的S11曲线分别为：
可见，其中心频率分别为199、148和118MHz，VSWR<3的带宽分别为186、93和60MHz，而相对带宽则为93%、63%和50%，任何一种结构都无法覆盖全部低12个电视频道，只能根据当地的播出频道折中选择最佳的方案。
3. 大地对dipole天线的影响：
一般dipole天线是架空立在地面上的，距离地面常在2米以上，如果把大地当作良导体，可以仿真出对天线的影响（这里还是用20mm宽的截面为方形的金属棒形成的天线，但长度改为350mm）：
如果只是看S11，架高2m其实对天线特性影响很小，只是反射系数略有增加而已，VSWR<2的相对带宽仍有24%，这个长度时能更好地覆盖6～12频道的高端。但如果看3D场的形状，就有很大的差别了：
因为地面的反射，电磁场只能向上辐射，好像成了多层的蛋糕，向两边伸展的臂的方向仍然是辐射较弱的方向，但有改善。按0度和90度做剖面，从数值上能表现这些差别。
上面是0度剖面的，下面是90度剖面的：
如果把天线降低高度，到1m，这时天线参数就有了一些变化：
可见，中心频率变化并不大，但反射系数有了较明显的变化，只有-20dB了，引起相对带宽也只有16%。这时其3D图也有了明显变化：
似乎“蛋糕”被偷工减料少做了一层。所以，dipole天线架高使用时需要有一定的高度，不然就会对天线特性造成较明显的影响，而这个高度要求其实与波长是有一定关系的。