引向天线研究与设计
引向天线的研究与设计
摘要：天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换，它是发射和接收电磁波的重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。本文主要介绍引向天线的设计以及其MATLAB 仿真，并且讲解了天线的基础知识以及引向天线的重要参数等，让大家对引向天线有更多的认识。
关键词：引向天线、方向系数、方向图
To the antenna's research and design
Abstract: the antenna is a kind of converter, it spread on a transmission of guided wave, transform into in the unbounded media (usually free space) propagation of electromagnetic waves, or opposite transformation, it is the transmission and reception of electromagnetic wave important radio equipment, no antenna there would be no radio communication. This paper mainly introduces to the antenna design and the MATLAB simulation, and explained the basic knowledge of antenna and the important parameters to antenna, giving you the right to antenna have more understanding.
Keywords: to antenna, direction coefficient, direction chart
一 、天线的基础知识
1.1 基本振子的辐射
1.1.1 电基本振子的辐射
电基本振子（Electric Short Dipole ）又称电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度l 远小于波长λ，其半径a 远小于l ，同时振子沿线的电流I 处处等幅同相。用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础。
在电磁场理论中，已给出了在球坐标系原点O 沿z 轴放置的电基本振子在无限大自由空间中场强的表达式为
(1―1―1) (1―1―2)
式中,E 为电场强度，单位为V /m ；H 为磁场强度，单位为A/m ；场强的下标r 、θ、φ表示球坐标系中矢量的各分量；e r,e θ,e φ分别为球坐标系中沿r 、θ、φ增大方向的单位矢量；ε0=10-9/(36π)(F/m)，为自由空间的介电常数；μ0=4π×10-7(H/m),为自由空间导磁率；
为自由空间相移常数，λ为自由空间波长。式中略去了时间因子e j ωt 。
1.1.2 磁基本振子的辐射
22302
2300
1sin ()421cos()411sin ()40r jkr
jkr
r jkr H H Il k H j e r r
Il k E j e
r r
Il k k E A j j e
r r r
E θ?θ?θππωεθπωε---=??
=??=+?
???=-???=+-??
=??
r r E E e E e H H e θθ??
=+?
?=?
2/k ωπλ==
磁基本振子（Magnetic Short Dipole ）又称磁流元、磁偶极子。尽管它是虚拟的，迄今为止还不能肯定在自然界中是否有孤立的磁荷和磁流存在，但是它可以与一些实际波源相对应，例如小环天线或者已建立起来的电场波源，用此概念可以简化计算，因此讨论它是有必要的。
设想一段长为l （l<<λ）的磁流元I m l 置于球坐标系原点，根据电磁对偶性原理，只需要进行如下变换：
(1―1―3)
其中，下标e,m 分别对应电源和磁源，则磁基本振子远区辐射场的表达式为 （1―1―4）
比较电基本振子的辐射场与磁基本振子的辐射场，可以得知它们除了辐射场的极化方向相互正交之外，其它特性完全相同。
1.2 发射天线的电参数
1.2.1 方向函数
由电基本振子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都具有方向性。
所谓方向性，就是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向（子午角θ、方位角φ）的关系，若天线辐射的电场强度为E (r ,θ,φ)，把电场强度（绝对值）写成
（1―2―1）
式中I 为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流I m 作为归算电流；f (θ,φ)为场强方向函数。因此，方向函数可定义为
（1―2―2）
将电基本振子的辐射场表达式（1―1―4）代入上式，可得电基本振子的方向函数为
（1―2―3）
为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数，用F (θ,φ)表示，即
（1―2―4）
式中，f max(θ,φ)为方向函数的最大值；E max 为最大辐射方向上的电场强度;E (θ,φ)为同一距离(θ,φ)方向上的电场强度。归一化方向函数F (θ,φ)的最大值为1。因此，电基本振子的归一化方向函数可写为
F (θ,φ)=|sin θ| （1―2―5）
为了分析和对比方便，今后我们定义理想点源是无方向性天线，它在各个方向上、相同距离处产生的辐射场的大小是相等的，因此，它的归一化方向函数为
F (θ,φ)=1 （1―2―6）
00
,e m
e m e m e m E H H E I I Q Q εμ????-?
????
???sin 2jkr
m jkr
I l E j e
r H j e ?θθλθ--?=-??
??
=?
?
60(,,(,)
I E r f r
θ?θ?=
(,,)(,)60/E r f I r
θ?θ?=
(,)()sin l
f f πθ?θθλ
==m ax m ax (,)(,)
(,)(,)E f F f E θ?θ?θ?θ?==
1.2.2 方向图
式（1―2―1）定义了天线的方向函数，它与r 及I 无关。将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图(F ileldPattern)。方向图就是与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化的图形。依据归一化方向函数而绘出的为归一化方向图。变化θ及φ得出的方向图是立体方向图。对于电基本振子，由于归一化方向函数F (θ,φ)=|sin θ|，因此其立体方向图如图1―2―2所示。
图1―2―2 基本振子立体方向图
1.2.3 方向图参数
实际天线的方向图要比电基本振子的复杂，通常有多个波瓣，它可细分为主瓣、副瓣和后瓣，如图1―2―3所示。用来描述方向图的参数通常有：
图1―2―3 天线方向图的一般形状
(1)零功率点波瓣宽度（Beam Widthbetween F irstNulls,BW F N)2θ0E 或2θ0H (下标E 、H 表示E 、H 面，下同）：指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
(2)半功率点波瓣宽度（H al f Power Beam Width, H PBW ）2θ0.5E 或2θ0.5H :指主瓣最大值两边场强等于最大值的0.707倍（或等于最大功率密度的一半）的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度。如果天线的方向图只有一个强的主瓣，其它副瓣均较弱，则它的定向辐射性能的强弱就可以从两个主平面内的半功率点波瓣宽度来判断。
(3)副瓣电平（Side Lobe Lever,SLL ）:指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般以分贝表示，即 （1―2―7） 式中，S av,max2和S av,max 分别为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；E max2和E max 分别为最大副瓣和主瓣的场强最大值。副瓣一般指向不需要辐射的区域，因此要求天线的副瓣电平应尽可能地低。
（4）前后比:指主瓣最大值与后瓣最大值之比，通常也用分贝表示。 1.2.4 方向系数
上述方向图参数虽能从一定程度上描述方向图的状态，但它们一般仅能反映方向图中特定方向的辐射强弱程度，未能反映辐射在全空间的分布状态，因而不能单独体现天线的定向辐射能力。为了更精确地比较不同天线之间的方向性，需要引入一个能定量地表示天线定向辐射能力的电参数，这就是方向系数(Directivity)。
方向系数的定义是：在同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度S max （或场强|E max|2的平方）和无方向性天线(点源)的辐射功率密度S 0（或场强|E 0|2的平方）之比，记为D 。用公式表示如下：
（1―2―8）
1.2.5 天线效率
z
,m ax 2m ax 2,m ax m ax
10lg 20lg av av S E SLL dB
S E ==2
m ax m ax 2
r ro
r ro
P P P P E S D S E ===
=
一般来说,载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用天线效率(Eff iciency)来表示这种能量转换的有效程度。天线效率定义为天线辐射功率P r 与输入功率P in 之比，记为ηA ，即
（1―2―9）
1.2.6 增益系数
方向系数只是衡量天线定向辐射特性的参数，它只决定于方向图；天线效率则表示了天线在能量上的转换效能；而增益系数(Gain)则表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度S max(或场强|E max|2的平方）和理想无方向性天线(理想点源)的辐射功率密度S 0（或场强|E 0|2的平方）之比，记为G 。用公式表示如下：
（1―2―10）
1.2.7 天线的极化
天线的极化(P olarization)是指该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向。一般而言，特指为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。实际上，天线的极化随着偏离最大辐射方向而改变，天线不同辐射方向可以有不同的极化。
所谓辐射场的极化，即在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹，按其轨迹的形状可分为线极化、圆极化和椭圆极化，其中圆极化还可以根据其旋转方向分为右旋圆极化和左旋圆极化。就圆极化而言，一般规定：若手的拇指朝向波的传播方向，四指弯向电场矢量的旋转方向，这时若电场矢量端点的旋转方向与传播方向符合右手螺旋，则为右旋圆极化，若符合左手螺旋，则为左旋圆极化。
1.2.8 有效长度
一般而言，天线上的电流分布是不均匀的，也就是说天线上各部位的辐射能力不一样。为了衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度(Eff ective Length)。它的定义是：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的等效长度。通常将归算于输入电流I in 的有效长度记为l ein ，把归算于波腹电流I m 的有效长度记为l em
1.2.9 输入阻抗与辐射阻抗
天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配问题。天线与传输线的连接处称为天线的输入端，天线输入端呈现的阻抗值定义为天线的输入阻抗(I nput Resistance)，即天线的输入阻抗Z in 为天线的输入端电压与电流之比：
（1―2―11） 其中，R in 、X in 分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。
1.2.10 频带宽度
天线的所有电参数都和工作频率有关。任何天线的工作频率都有一定的范围，当工作频率偏离中心工作频率f 0时，天线的电参数将变差，其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求。当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称为频带宽度(Bandwidth)。根据天线设备系统的工作场合不同，影响天线频带宽度的主要电参数也不同。
r
A in
P
P η=002
m ax m ax 2
00in in in in P P P P E S G S E ====in in in in
in
U
Z R jX I ==+
根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为f max ，最低工作频率为f min ，对于窄频带天线，常用相对带宽，即［(f max-f min)/f 0］×100%来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，即f max/f min 来表示其频带宽度。
1.3 对称振子
如图1―3―1所示，对称振子(S ymm e trica l C e nt e r ―Fe d Dipo le )是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a ，长度为l 。两臂之间的间隙很小，理论上可忽略不计，所以振子的总长度L =2l 。对称
图1―3―1 对称振子结构及坐标图
1.3.1 电流分布
若想分析对称振子的辐射特性，必须首先知道它的电流分布。为了精确地求解对称振子的电流分布，需要采用数值分析方法，但计算比较麻烦。实际上，细对称振子天线可以看成是由末端开路的传输线张开形成，理论和实验都已证实，细对称振子的电流分布与末端开路线上的电流分布相似，即非常接近于正弦驻波分布，若取图1―4―1的坐标，并忽略振子损耗，则其形式为 （1―3―1）
式中，I m 为电流波腹点的复振幅；k =2π/λ=ω/c 为相移常数。根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心点对称；超过半波长就会出现反相电流。
1.3.2 对称振子的辐射场
确定了对称振子的电流分布以后，就可以计算它的辐射场。
欲计算对称振子的辐射场，可将对称振子分成无限多电流元，对称振子的辐射场就是所有电流元辐射场之和。在图1―3―2的坐标系中，由于对称振子的辐射场与φ无关，而观察点P (r ,θ)距对称振子足够远，因而每个电流元到观察点的射线近似平行，因而各电流元在观察点处产生的辐射场矢量方向也可被认为相同，和电基本振子一样，对称振子仍为线极化天线。
图1―3―2 对称振子辐射场的计算
1.3.3 对称振子的输入阻抗
由于对称振子的实用性，因此必须知道它的输入阻抗，以便与传输线相连。计算天线输入阻抗时，其值对输入端的电流非常敏感，而对称振子的实际电流分布与理想正弦分布在输入端和波节处又有一定的差别，因此若仍然认为振子上的电流分布为正弦分布，对称振子输入阻抗的计算会有较大的误差。为了较准确地计算对称振子的输入阻抗，除了采用精确的数值求解方法之外，工程上也常常采用“等值传输线法”。也就是说，考虑到对称振子与传输线的区别，可将对称振子经过修正等效成传输线后，再借助于传输线的阻抗公式来计算对称振子的输入阻抗。此方法计算简便，有利于工程应用。
sin ()0
()sin ()sin ()0m m m
I k l z z I z I k l z I k l z z -≥??=-=?+
二、引向天线
2.1引向天线简介
引向天线又称八木天线，是上个世纪二十年代，日本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发明的。引向天线通常由一个有源振子、一个反射器及若干个引向器构成，反射器与引向器都是无源振子，所有振子都排列在一个平面内且相互平行。它们的中点都固定在一根金属杆上，除了有源振子馈电点必须与金属杆绝缘外，无源振子则都与金属杆短路连接。因为金属杆与各个振子垂直，所以金属杆上不感应电流，也不参与辐射。引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有源振子指向引向器的方向，所以它是一种端射式天线阵。一个典型的引向天线如图（3）所示。
引向天线的优点是结构简单、馈电方便、重量轻、便于转动，并有一定的增益。缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使用。它在超短波和微波波段应用广泛。
2.2引向天线工作原理
一副典型的引向天线由一个有源的半波振子，一个(或几个)反向器和一个(或几个)引向器组成的线性端射天线。即有一个连接到传输线上的偶极子，还有若干个未连接、等距离或不等距离安装的平行阵列偶极子(作引向器和反向器)。引向器和反向器的作用是将有源振子的能量引到主辐射方向上去。有源阵子由于加有高频电动势，在周围八木天线空间产生电磁场，使得无源阵子中出现感应电动势，产生相对应的高频电流，这些电流在周围空间再衍生电磁场。由于存在无源阵子，根据互感原理在有源子上也产生相应的感应电流。所以有源阵子的总电流是激励电流和感应电流之和。当反射器的长度、引向器的长度和它到有源阵子的距离选得适当，使反射器和有源阵子所产生的电磁场在一个方向(反射器的一边)上相抵消，在相反方向上(引向器一边，主辐射方向)上相叠加，这样就可使天线得到单项辐射特性，使天线辐射可以在引向器方向上形成较尖锐的波束。八木天线的单元越多，方向性越强。但是单元的增加不与方向性成正比。单元过多时，导致工作频带变窄，整个天线尺寸也将偏大。
三、引向天线的设计
3.1设计目的
（1）巩固加深对引向天线的认识，提高综合运用天线电波等知识的能力；
（2）培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研电子技术相关问题的能力；
（3）通过实际制作安装电子线路，学会单元电路以及整机电路的调试与分析方法；
（4）掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标；
（5）了解电气图国家标准以及电气制图国家标准，并利用电子CAD/PROTEL正确绘制电路图；
（6）培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念；
（7）培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力。
3.2 设计软件简介
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
3.3 天线参数设定
影响八木天线方向性图和增益的因素有:
1、引向器的间距选择
2、反射器和有源阵子的间距选择
3、引向器长度选择
4、反射器长度选择等等。
3.3.1 振子数的确定
振子数目可根据天线的主瓣宽度或天线的增益算出，若选择前者，则可查阅相关资料，由八木天线参数关系图可的振子数目N，若选择后者，则可谓根据八木天线增益表，如图（3-1）所示。由图可知，振子数N 为5时，增益已经很大，且随着振子数增加，增益已无明显增高，所以选择振子数N=5。
图（3-1）天线方向性与振子总数的关系
3.3.2 有源振子的结构和尺寸
有源振子可选单根半波振子或折合振子，一般长度取0.475波长。振子越粗，长度应短一些。对有源振子的基本要求是能与馈线有良好的匹配，为此，有源振子应设计为谐振长度，并把它的输入阻抗变换到等于或接近馈线特性阻抗的数值一般选取L=(0.46~0.49)λ。
八木定向天线一般是用同轴电缆馈电的。当有源振子采用半波对称振子时，由于受无源振子的影响，其输入阻抗值较低，因此就需设法提高有源振子输入电阻，常用的方法是改用折合振子。适当选择折合振子的长度，两导体的直径比及其间距，可以有效地提高有源振子的输入电阻，并结合调整反射器及附近几个引向振子的尺寸，可以获得满意的驻波比。其次，由于折合振子等效半径加粗，对展宽阻抗频带宽也有利。当然，有源振子也可采用附加匹配器的对称振子形式。
在这里选择有源振子L=0.46λ。
3.3.3引向器长度选择
引向器长度的选择有两种方案。一种是各引向器等长度，约取0.38-0.44波长。这种方案优点是加工和调整较为容易，但频带较窄。另一种是，各引向器长度随序号增加有长到短渐变。先取第一根引向器长度为0.46波长，以后的引向器长度则按2-3％的缩短系数递减。这种方案的优点在于频带稍宽，但调试、加工麻烦。实用中都采用第一种方案。一般情况下选择L1=(0.8~0.9)La。
3.3.4 反射器长度的选择
反射器能保证天线单向辐射，反射器长度一般选在0.5-0.55λ之间。其长度不能短于设计最低频率相应的1/2λ。在这里选择反相器LR=0.506λ
3.3.5引向器的间距、反射器与有源振子的间距选择
引向器间距的选择有两种方案：一种是引向器间距不相等，随着引向器数量序号的增加，相邻引向器的间距加大；另一种是引向器间距相等。前一种方案调整麻烦，后一种方案调整简便，因此一般都采用等间距方案。引向器间距一般在0.15-0.4波长范围内选择。间距较大时，方向图主瓣较窄，输入阻抗的频率响应较平稳，但副瓣较大；间距选得小时，副瓣较低，抗干扰性能较好，但是增益和方向性差些。若考虑前者，间距可取0.3波长；若考虑后者，间距可取小于0.2波长。不管什么情况下，第一根引向器振子与有源振子之间的距离应取得更小一些，一般取（0.6-0.7）其他引向器间距。
反射器于有源振子之间的距离一般去0.15-0.23波长。此间距主要影响八木天线的前后场强比和输入阻抗。当间距在0.15-0.17波长时，前后比较高，但天线的输入阻抗小（约15-20欧）；当间距为0.2-0.23波长时，前后比较低，但天线输入阻抗大（约50-60欧），易与同轴电缆匹配。
综合考虑本天线的特征，选取各振子间间距相等，即d=0.2λ比较合适。
3.4 总体设计规划
经过前面的概述，已经具备了设计本次五单元八木天线的所有信息，现在将设计天线的总体参数列出如下：
有源振子长度：La=0.50λ有缘振子半径：a=0.0030λ
反相器长度：L=0.9λ引向器长度：Lr=0.510λ
各振子间间距：d=0.2λ
四、MATLAB仿真
4.1 MATLAB仿真源程序
设波长λ=1m，其MATLAB仿真程序如下：
clear
lambda=1; %波长
k=2*pi/lambda; %自由空间相移常数
u=4*pi*10^(-7); %自由空间导磁率
e=8.854*10^(-12); %自由空间介电常数a=0.0030*lambda; %有缘振子半径
LR=0.9*lambda; %反相器长度
L=0.50*lambda; %有源振子长度
LD=0.510*lambda; %引向器长度
SR=0.2*lambda; %各振子间间距
SD=0.2*lambda;
w=k/sqrt(u*e);
y=120*pi;
n=6;
N=5; %振子数目
dlr=LR/(N+1); dl=L/(N+1);
dld=LD/(N+1);
point=zeros(n*(2*N+1),4);
mid=zeros(n*N,3);
for ii=1:2*N+1
point(ii,1:3)=[-SR LR/2-ii*LR/(2*(N+1)) dlr];
if rem(ii+point(ii,4),2)==0
mid((ii+point(ii,4))/2,:)=point(ii,1:3);
end
end
for ii=2*N+1+1:2*(2*N+1)
point(ii,2:4)=[L/2-(ii-(2*N+1))*L/(2*(N+1)) dl 1];
if rem(ii+point(ii,4),2)==0
mid((ii-point(ii,4))/2,2:3)=point(ii,2:3);
end
end
for ii=2*(2*N+1)+1:3*(2*N+1)
point(ii,:)=[SD
LD/2-(ii-2*(2*N+1))*LD/(2*(N+1)) dld 2];
if rem(ii+point(ii,4),2)==0
mid((ii-point(ii,4))/2,:)=point(ii,1:3);
end
end
for ii=3*(2*N+1)+1:4*(2*N+1)
point(ii,:)=[2*SD
LD/2-(ii-3*(2*N+1))*LD/(2*(N+1)) dld 3];
if rem(ii+point(ii,4),2)==0
mid((ii-point(ii,4))/2,:)=point(ii,1:3);
end
end
for ii=4*(2*N+1)+1:5*(2*N+1)
point(ii,:)=[3*SD
LD/2-(ii-4*(2*N+1))*LD/(2*(N+1)) dld 4];
if rem(ii+point(ii,4),2)==0
mid((ii-point(ii,4))/2,:)=point(ii,1:3);
end
end
for ii=5*(2*N+1)+1:6*(2*N+1)
point(ii,:)=[4*SD
LD/2-(ii-5*(2*N+1))*LD/(2*(N+1)) dld 5];
if rem(ii+point(ii,4),2)==0
mid((ii-point(ii,4))/2,:)=point(ii,1:3);
end
end
V=zeros(n*N,1);
V(N+(N+1)/2)=1;
U=ones(n*N,1);
psi=zeros(n*(2*N+1));
for jj=1:n*(2*N+1)
for kk=1:n*(2*N+1)
if jj==kk
psi(jj,kk)=log(point(jj,3)/a)/(2*pi*point(jj, 3))-(j*k)/(4*pi); else
psi(jj,kk)=exp(-j*k*sqrt((point(kk,1)-point(j j,1))^2+(point(kk,2)-point(jj,2))^2))/(4*pi*s qrt((point(kk,1)-point(jj,1))^2+(point(kk,2)-point(jj,2))^2));
end
end
end
Z=zeros(n*N);
for pp=1:n*N
for qq=1:n*N
Z(pp,qq)=j*w*u*point(pp,3)*point(qq,3)*psi(2* pp+point(pp,4),2*qq+point(qq,4))+(psi(2*pp+po int(pp,4)+1,2*qq+point(qq,4)+1)-psi(2*pp+poin t(pp,4)+1,2*qq+point(qq,4)-1)-psi(2*pp+point( pp,4)-1,2*qq+point(qq,4)+1)+psi(2*pp+point(pp ,4)-1,2*qq+point(qq,4)-1))/(j*w*e);
end
end
si=Z\V; %In
t=1:n*N;
figure(1);
plot(t,abs(si)),ylabel('I'),title('电流分布') in=U'*(Z\V);
i=V'*si;
Zin=1/i
theta=(-pi:pi/100:pi)+eps;
for m=1:length(theta)
E1=-j*w*u*exp(-j*k).*exp(j*k.*sqrt(mid(:,1).^ 2+mid(:,2).^2).*cos(abs(atan(mid(:,1)./(mid(: ,2)+eps))-theta(m)))).*mid(:,3).*sin(theta(m) )/(4*pi);
Etheta(m)=E1'*si;
end
Etheta=Etheta./max(Etheta);
figure(2);
polar(theta,abs(Etheta)/max(abs(Etheta))),tit le('E平面方向图 (\Phi = 0)');
Lo=find((abs(Etheta-1/sqrt(2))<0.05)==1);
G=abs(4*pi.*Etheta.*conj(Etheta)/(y*real(Zin) .*si((N+1)/2).*conj(si((N+1)/2))));
Gmax=max(G)
phi=(0:pi/100:2*pi)+eps;
for m=1:length(theta)
E2=-j*w*u*exp(-j*k).*exp(j*k.*sqrt(mid(:,1).^2+mid(:,2).^2).*cos(abs(atan(mid(:,1)./(mid(:,2)+eps))-theta(m)))).*mid(:,3).*sin(theta(m))/(4*pi);
Ephi(m)=E2'*abs(si); end figure(3);
polar(theta-pi/2,(abs(Etheta)/120/pi)/max(abs (Etheta)/120/pi)),title('H 平面方向图 (\theta = \pi / 2)');
4.2 MATLAB 仿真结果
图(4-1) φ=0时，E 面方向图
图（4-2） /2θπ=时，H 面方向图
图（4-3）电流分布
该天线输入阻抗为：
Zin = 1.4271e+003 -2.5439e+002i
该天线最大增益为：Gmax =115.2401
五、设计总结
本次课设是我们在大学期间又一次综合性的实习。整个过程包括通过理论设计，MATLAB仿真软件仿真，确定具体方案多个方面的内容。这就要求我们充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，本次课设是针对前面所学的《天线与电波传播》和《电磁场与电磁波》的进行的一次比较综合的检验。
通过这次阵天线的课程设计，让我学到了更多与天线方面相关的知识，加深了对通信专业的理解，明白了每门课程都是让我们更好的去学习去收获知识。虽然在这次课程设计中，遇到了很多自己觉得很棘手很不懂的问题，但是，在老师的指导和同学的帮助下，查阅了很多相关资料，最终完成了这篇《引向天线的研究与设计》的课程设计。也体会到了解决问题和充实自己的快乐，希望随着课程的深入，我会更好的学习这个课程。
六、参考资料
[1] 刘卫国. MATLAB程序设计教程. 中国水利水电出版社. 2010
[2] 宋铮、张建华、黄冶. 天线与电波传播. 西安电子科技大学出版社.2011
[3] 李莉. 天线与电波传播.北京科学出版社.2009
超宽带天线的研究与设计
超宽带天线的研究与设计 李庆娅李晰唐鸿燊 摘要：本文设计了一款差分微带超宽带天线，通过改变馈线和尺寸和接地板上缝隙的半径,优化了天线的性能，所实现的天线带宽为11.5 GHz，且有较好的辐射特性。在此基础上，通过在两贴片上对称地开槽，得到了在5 GHz处有陷波特性的超宽带天线。 关键词：超宽带天线；差分天线；带阻特性 Research and Design of Ultra-wideband Microstrip Antenna Li Qing-Ya, Li Xi, Tang Hong-Shen Abstract: In this paper, a differential microstrip ultra-wideband antenna is designed. It is optimized by changing dimensions of feeding line and radius of slot in the ground. The simulated and measured results show that the frequency bands of antenna is 11.5 GHz. Also, it has good radiation characteristics. Based on this, by etching the slot in the patch symmetrically, the ultra-wideband antenna with band-notch characteristics at 5 GHz is achieved. Key word s: Ultra-wideband antenna; differential antenna; band-notch characteristics 1 引言 近几年,随着超宽带(UWB)通信技术的快速发展，对应用于短距离无线通信系统中的天线提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小、剖面低、价格便宜，易于加工并可集成到无线电设备内部，同时，还要求天线阻抗带宽足够宽，以便覆盖整个UWB频段。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB信号的频段为3.1 GHz-10.6 GHz。这个通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a 和5.75 GHz到5.85 GHz的Hiper-LAN/2。 在接地板上开缝是实现超宽带天线的方法之一，常见的缝隙形状如倒锥形[1]、矩形、半圆形、梯形[2]等。文献[2]中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带天线，在整个工作频段2.15-13.47 GHz内，该天线的回波损耗均在-10 dB以下，增益基本稳定在3~6 dB之间，并具有比较稳定的辐射特性。在超宽带天线的基础上通过在辐射贴片上开槽实现带阻特性，槽的形状有L形[3]、矩形[4]、E形[5]等，文献[5]提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线，制作出实物并验证了天线的超宽带和陷波特性，即在中心频率3.75 GHz和5.5 GHz附近的频带范围内具有良好的陷波特性。 本文首先设计了超宽带天线，研究了天线的回波损耗S11和辐射特性与天线环形接地板尺寸的关系，改善了天线的带宽。在此基础上，通过改变贴片和微带线的尺寸。并利用折合形开槽技术在贴片上开槽，有效实现阻带。 2 天线设计 本文设计天线结构如图1所示。图1(a)中天线的辐射贴片，位于介质基板的上表面，图1(b)是刻蚀了圆形缝隙的地，位于介质基板的下表面；天线采用介质为RogerS RT/duroid 6006，相对介电常数为6.15，厚为0.5mm的介质基板，尺寸为29.6 mm×33.6 mm；馈电部分为50欧的微带线。
阵列天线分析于综合试题库
阵列天线分析与综合题 一、填空题 (1分/每空) 1. 阵列天线的分析是指在已知阵列的四个参数 单元数 、 单元的空间分布 、_ 激励幅度分布 和 激励相位分布 的情况下，确定阵列天线辐射特性。阵列天线的综合则是指在已知阵列辐射特性如 方向图 、 半功率波瓣宽度 和 副瓣电平 等的情况下确定阵列的如上四个参数。 2. 单元数为N ，间距为d 的均匀直线阵的归一化阵因子为S(u)=_____________，其中αβ+=cos kd u ，k=_______，α表示____________________，其最大指向为____________。若阵列沿x 方向排列则=x βcos ___________，若阵列沿y 方向排列则=y βcos ___________，若阵列沿z 方向排列则=z βcos _________。当N 很大时，侧射阵的方向性系数为D=__________，半功率波瓣宽带为 ()h BW =_o 51 ()Nd λ _，副瓣电平为SLL=_-13.5_dB ，波束扫描时主瓣将(13)___ 变宽___，设其最大指向m β为阵轴与射线之间的夹角，扫描时的半功率波瓣宽度为(14) 51 sin m Nd λ β_o ()，抑制栅瓣的条件为(14)_ 1|cos | m d λ β< +_；端射阵的方 向性系数为D=__________，半功率波瓣宽带为()h BW =_ o ()__。 3. 一个单元数为N ，间距为d 的均匀直线阵，其归一化阵因子的最大值为______，其副瓣电平约为_________dB ，设其最大指向m θ为阵轴与射线之间的夹角，则抑制栅瓣的条件为______________，最大指向对应的均匀递变相位m a x α＝_________。 4. 根据波束指向，均匀直线阵可分为三类，即(1)__侧射阵___、(2)__端射阵__和__扫描阵__。它们满足的关系分别是α=(3)___0_____、α=(4)__－kd ___和—
(完整版)射频微带阵列天线设计毕业设计
射频微带阵列天线设计 摘要 微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。 本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。
关键词：微带天线微带阵列天线方向性增益 HFSS仿真 Design of Radio-Frequency Microstrip Array Antenna ABSTRACT Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array wildly applied in the filed of wireless
2.4G 天线设计完整指南(原理、设计、布局、性能、调试)
本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与PRoC?和PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳，PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。 1、简介 天线是无线系统中的关键组件，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线，并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。 对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统，它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序，并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。
图1.典型的近距离无线系统 设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。从无线模块发送的能量越大，在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下，传输的距离也越大。另外，天线还有其他不太明显的优点，例如：在某个给定的范围内，设计优良的天线能够发射更多的能量，从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。同样，接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。 最佳天线可以降低PER，并提高通信质量。PER越低，发生重新传输的次数也越少，从而可以节省电池电量。 2、天线原理 天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时，它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内，所以该条件被称为“谐振”。 图2. 偶极天线基础 如图2所示，导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波，如图2所示。 输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50Ω，并且辐射到特性阻抗为377Ω的空间中。
阵列天线宽波束综合
分类号:TN811 单位代码：10452 毕业论文（设计） 阵列天线宽波束综合 姓名孙冠峰 学号200507230205 年级 2005 专业电子信息工程 系（院）物理系 指导教师韩荣苍 2009年05月15日
摘要 天线阵列设计，其任务集中在考虑前述众多影响因素下，优化阵列口径激励，使其满足工程给定的副瓣要求及其他要求，也就是常说的方向图综合问题。阵列天线综合是指按规定的方向图要求，用一种或多种方法来进行天线系统的设计，使该系统产生的方向图与所要求的方向图良好逼近。它实际上是天线分析的反设计，即在给定方向图要求的条件下设计辐射源分布，要求的方向图随应用的不同而多种变化。 本文从傅立叶变换法、泰勒综合法、伍德沃德（Woodward）法三个方面对方向图设计进行了研究。以均匀线阵为主要研究对象，在理想的条件下，分别对傅立叶变换法、泰勒综合法、伍德沃德（Woodward）综合法三类算法进行了研究。 关键词：阵列天线; 天线综合; 波束赋形 Abstract In array design phase, with them and mandate focus on the many factors to consider foregoing, the array calibre incentive to meet project to be sidelobes requirements and other requirements, that is often said in the synthesis of pattern. The synthesis of array pattern is by using one or more methods for antenna system design, enabling the system top produce the re-quired pattern, the direction of good and just. It is the analysis of the anti-antenna design that, in a given pattern of array, the conditions for the design of radiations sources distribution for the pattern of the different applications and multiple changes. From this important purpose Fourier transform、Talor synthesis、Woodward synthesis for the four areas, areas, the synthesis of array pattern is researched here. Front-line line array for the main study, in ideal conditions, respectively, conducted a study of four algorithms. Keyword: Array antenna; The analysis of the antenna; Beamforming 2
天线原理与设计习题集
天线原理与设计习题集 第一章 天线的方向图 1．如图1为一元天线，电流矩为Idz ，其矢量磁位表 示为A r j 0r 4Idz ?βπμ?=e z A ，试求解元天线的远区辐射电磁场。 ?θH E ,2．已知球面波函数r e r j /βψ?=，试证其满足波动方程： 022=+?ψβψ 3．如图2所示为两副长度为λ=A 2的对称线天线，其上的电流分别为均匀分布和三角形分布，试采用元天线辐射场的叠加原理，导出两天线的远区辐射场，方向图函数?θH E ,),(?θf 和归一化方向图函数),(?θF ，并分别画出它们在yoz 平面和xoy 平面内的方向图的示意图。 4．有一对称振子长度为，其上电流分布为：A 2|)|(sin )(z I z I m ?=A β试导出： (1) 远区辐射场; ?θH E ,(2) 方向图函数),(?θf ； (3) 半波天线(2/2λ=A )的归一化方向图函数),(?θF ，并分别画出其E 面 和H 面内的方向图示意图。 (4) 若对称振子沿y 轴放置，导出其远区场表达式和E 面、H 面方向图 函数。 H E , 5．有一长度为2/λ=A 的直导线，其上电流分布为，试求该天线的 方向图函数z j e I z I β?=0)(),(?θF ，并画出其极坐标图。 6．利用方向性系数的计算公式: ∫∫ = ππ ? θθ?θπ 20 2 sin ),(4d d F D 计算：(1) 元天线的方向性系数； (2) 归一化方向图函数为 ???≤≤≤≤=其它,0 0,2/,csc ),(0 0??πθθθ?θF 的天线方向性系数。
(3) 归一化方向图函数为： ?? ?≤≤≤≤=其它,0 20,2/0,cos ),(π ?πθθ?θn F n=1和2时的天线方向性系数。 7．如图3所示为二元半波振子阵，两单元的馈电电流关系为/212j I I e π=，要求导出二元阵的方向图函数),(?θT f ，并画出E 面(yz 平面)和H 面(xy 平面)方向图。 8．有三付对称半波振子平行排列在一直线上,相邻振子 间距为d ，如图4所示。 (1) 若各振子上的电流幅度相等，相位分别为 ββ,0,?时，求xy 面、yz 面和H 面方向图函数。 (2) 若4/λ=d ，各振子电流幅度关系为1:2:1，相位 关系为2/,0,2/ππ?时，试画出三元阵的E 面和H 面方向图。 9. 由四个元天线组成的方阵，其排列如图5所示。每个单元到阵中心的距离为8/3λ，各单元的馈电幅度相等，单元1和2同相，单元3和4同相但与1和2反相。试导出该四元阵的方向图函数及阵因子，并草绘该阵列xoy 平面内的方向图。 10. 设地面为无限大理想导电平面。图6所示为由等幅同相馈电的半波振子组成的水平和垂直二元阵，试求其 E 面方向图函数，要求： (1) 对图(a)求出xz 面和yz 面方向图函数，并画出xz 面的方向图； (2) 对图(b) 求出xz 面、yz 面 和xy 面方向图函数，并画出这三个面内的方向图；。 11．一半波对称振子水平架设在理想导电平面上，架设高度为。试分别画出h 0.25,0.5h λλ=两种情况下的E 面和H 面方向图，并比较所得结果。 12．由长为4/λ=A 的单极天线组成的八元天线阵如图7所示，各单元垂直于地
一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文
摘要 超宽带天线广泛应用于如电视、调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等领域中。尤其是近年来兴起的超宽带无线通信技术，使此类天线成为当今通信领域的研究焦点。 本文设计并研究了两种类型的超宽带天线，一种是带两个对称臂的矩形平面单极子天线，另一种是弯折结构的平面单极子天线。 所研究的第一种天线实现了在工作频率范围内回波损耗都在-10dB以下，基本满足了超宽带通信的要求，天线的工作频带是 2.7-9GHz。回波损耗与频率的关系曲线产生两个低峰值，特别适合于双频带通信使用。文中研究了通过改变切口尺寸、介质损耗对低峰值频率位置的影响关系，还讨论了端口大小对仿真准确度的影响，得到系列结论。 所研究的第二种天线实现了真正意义上超宽带天线，天线结构简单，易于构建，小尺寸、低剖面，能够在回波损耗小于-10dB条件下有效地工作在2.8~9.5GHz的频率范围。 天线采用热转印法自制了实验模型，并通过矢量网络分析仪测量了回波损耗与频率的关系曲线，测量结果与仿真结构基本吻合。 两种天线的研究还包含了增益和方向图等，从而对天线性能进行了全面分析。 关键词: 超宽带天线；单极子天线；有限元法；电磁仿真；热转印法
Abstract UWB antenna is widely used in television, FM radio, telemetry, aerospace and satellite communications fields. In particular, with the rise of ultra-wideband wireless communications technology in recent years, making such antennas become the focus of communication research field. This paper studies two types of ultra-wideband antenna, one is a symmetric planar monopole antenna with two symmetrical rectangular incision, the other is bent planar monopole antenna structure. The first designed antenna can satisfy the demand of UWB communication that the Return Loss of the antenna in the scope of working frequency, which is between 2.7-9GHz, is below -10dB. Return loss vs. frequency curves generated two low peaks, which is particularly suitable for dual-band communications. A study of the incision by changing the size of the low dielectric loss peak frequency position of the relationship between port size also discussed the impact on simulation accuracy, get series conclusion. The study of the second antenna to achieve a truly ultra-wideband antenna, the antenna structure is simple, easy to build, small size, low profile, can be less than-10dB return loss under the conditions of effective work in the 2.8 ~ 9.5GHz frequency range. Antenna made by heat transfer method of the experimental model, and vector network analyzer by measuring the return loss versus frequency curve, the measurement results and simulation of structure of the basic agreement. thermal transfer printing technology The study also includes two antenna gain and pattern, etc., and thus a comprehensive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation
5G阵列天线设计
5G阵列天线设计 5G——第五代无线通信技术，作为全球性的暴热话题已经是不争的事实。如众多专家所述，该技术将带来更低时延、更快速率的数据通信，并将导致互联设备的爆发式增长。 5G网络的更大带宽需求，要求必须彻底重新设计天线阵列，从单元到阵列，到馈电网络，到全模型验证和应用场景评估，都需要做完善的精细化仿真和优化设计。 通过ANSYS HFSS的帮助，只需八个步骤，就能轻松完成5G天线阵列的设计和综合验证。更方便的是，HFSS还能帮助工程师优化各项天线性能指标，如： 增益— 最强的信号辐射方向。 波束控制— 能够将信号辐射控制在某个方向上。 回波损耗— 从天线反射回来的回波能量。 旁瓣电平— 不需要的信号辐射方向。 设计流程结束后，获得的阵列天线聚焦增益更高、回波损耗及旁瓣电平最低，而且方向可控制。 第1步：通过HFSS天线工具箱（ATK）找到天线单元模板 5G天线阵列设计的第1步是通过HFSS天线工具箱（ATK）找到合适的天线单元模板。该天线单元将定义一个最终用于复制成一系列天线（天线阵列）中的相同部分。
先从天线工具箱（ATK）的库中选择一个天线类型，然后输入工作频率及天线基板属性。 数秒后，天线工具箱（ATK）将生成天线单元的初始几何结构。然后，HFSS 还可计算天线单元的增益及回波损耗等指标特性。 第2步：将天线单元代入天线阵列 有了天线单元后，工程师就可将其代入一个周期阵列中。把单元代入一系列复制设计中，有助于提高增益。 在第一步中，天线单元是自行评估的。现在可使用无限大天线阵列的周期单元重复评估这一过程。 很容易理解，阵列内其它天线的距离会影响增益、回波损耗、旁瓣回波及波束控制等特性。当然，也可通过调整天线方位来优化这些特性。 选定最佳阵列方位后，可通过定义阵因子，将无限大阵列改为理想化的有限大阵列。 本例中仿真了一个16x16的正方形天线阵列。 第3步：使用域分解方法设计有限大天线阵列
(重要)阵列天线
Progress In Electromagnetics Research, PIER 98, 1–13, 2009
A WIDEBAND HALF OVAL PATCH ANTENNA FOR BREAST IMAGING J. Yu ? , M. Yuan, and Q. H. Liu Department of Electrical and Computer Engineering Duke University Durham, NC 27708, USA Abstract—A simple half oval patch antenna is proposed for the active breast cancer imaging over a wide bandwidth. The antenna consists of a half oval and a trapezium, with a total length 15.1 mm and is fed by a coaxial cable. The antenna performance is simulated and measured as immersed in a dielectric matching medium. Measurement and simulation results show that it can obtain a return loss less than ?10 dB from 2.7 to 5 GHz. The scattered ?eld detection capability is also studied by simulations of two opposite placed antennas and a full antenna array on a cubic chamber. 1. INTRODUCTION Breast cancer is the most common cancer in women, but fortunately early detection and treatment can signi?cantly improve the survival rate. Ultrasound, mammography and magnetic resonance imaging (MRI) are currently used clinically for breast cancer diagnosis [1]. However, these techniques have many limitations, such as high rate of missed detections, ionizing radiation (mamography), too expensive to be widely available, and so on. Compared with conventional mammography, microwave imaging of breast tumors is a nonionizing, potentially low-cost, comfortable and safe alternative [2]. The high contrast of the dielectric property between the malignant tumor and the normal breast tissue should manifest itself in terms of lower numbers of missed detections and false positives [3, 4]. The microwave breast tumor detection also has the potential to be both sensitive and speci?c, to detect small tumors, and to be less expensive than methods such as MRI.
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Corresponding author: M. Yuan (mengqing.yuan@https://www.wendangku.net/doc/204746906.html,). Also with National Key Laboratory of EMC, Wuhan, Hubei 430064, China.
(整理)天线原理与设计习题集解答_第8_11章.
第八章 口径天线的理论基础(8-1) 简述分析口径天线辐射场的基本方 法。 答：把求解口径天线在远区的电场问题分为两部分： ①. 天线的内部问题； ②. 天线的外部问题； 通过界面上的边界条件相互联系。 近似求解内部问题时，通常把条件理想化，然后把理想条件下得到的解直接地或加以修正后作为实际情况下的近似解。这样它就变成了一个与外部问题无关的独立的问题了。 外部问题的求解主要有： 辅助源法、矢量法，这两种是严格的求解方法； 等效法、惠更斯原理法、几何光学法、几何绕射法，这些都是近似方法。 (8-2) 试述几何光学的基本内容及其在口径天线设计中的应用。 答：在均匀的媒质中，几何光学假设能量沿着射线传播，而且传播的波前（等相位面）处处垂直于射线，同时假设没有射线的区域就没有能量。 在均匀媒质中，射线为直线，当在两种媒质的分界面上或不均匀媒质传播时，便发生反射和折射，而且完全服从光的反射、折射定律。 B A l nds =? 光程长度： 在任何两个给定的波前之间，沿所有射线路径的光程长度必须相等，这就是光程定律。''PdA P dA = 应用： ①. 可对一个完全聚焦的点源馈电的天线系统，求出它在给定馈源功率方向图 为P(φ,ξ)时，天线口径面上的相对功率分布。 ②. 对于完全聚焦的线源馈电抛物柱面天线系统，口径上的相对功率分布也可 用同样类似的方法求解。 (8-3) 试利用惠更斯原理推证口径天线的远区场表达式。 解：惠更斯元产生的场： (1cos )2SP j r S SP jE dE e r βθλ-?= ?+?? 222)()(z y y x x r S S SP +-+-= r , r sp >>D (最大的一边)
超宽带天线设计与研究详解
超宽带天线的研究与设计 中文摘要 近几年来，超宽带天线的研究已经成为热潮。本文的思想也是研究小型化超宽带平板天线，让其在生活中的硬件设计产品中满足超宽带天线的技术需要。因为超宽带天线在WiMAX和WLAN的窄带系统和装载切口天线设计结构上产生的影响。实现WiMAX和WLAN频带的双凹槽在超宽带天线结构设计。在设计过程中主要是使用HFSS软件进行天线结构的仿真优化。主要利用了HFSS软件仿真和天线结构的优化设计过程。我们针对其超宽带天线的性能参数，相应的提升平面单极子天线的基础研究。传统平面单极子天线与狭槽，狭槽装载方法的横截面，提出了几种平面单极子天线从频域和时域研究，从而从单极子天线的相关性能参数出发，研究平面单极子天线在频率范围为3.1GHZ-11GHZ，使超宽带天线能够达到市场对硬件方面的应用需求。 关键词：平面单极子天线；超宽带；HFSS仿真 I
Research and design of ultra-wideband antenna Abstract In recent years, the research of ultra-wideband antenna has become a boom. Thought of this paper is to study ultra-wideband planar antenna miniaturization, let the life in the hardware design of the product satisfy the need of ultra-wideband antenna. Because of ultra-wideband antenna in WLAN and WiMAX narrowband systems and the impact loading of incision on the antenna design. Both WiMAX and WLAN band grooves in the ultra-wideband antenna structure design. In the design process is mainly using HFSS software for simulation of antenna structure optimization. Mainly using HFSS software simulation and optimization of the antenna structure design process. We according to the performance of ultra-wideband antenna parameters, the corresponding increase of planar monopole antenna of basic research. Traditional planar monopole antenna and the slot, slot loading method of cross section, and puts forward several planar monopole antenna from frequency domain and time domain research, thus starting from the related performance parameters of monopole antenna, the planar monopole antenna in the frequency range of 3.1 GHZ - 11 GHZ, the ultra-wideband antenna can meet the market demand for hardware applications. Key words: Planar monopole antenna; Ultra-Wideband; HFSS simulation 目录 I
阵列天线分析与综合复习2
阵列天线分析与综合复习 第一章 直线阵列的分析 1. 阵列天线的分析是指：在知道阵列的四个参数（单元总数，各单元的空间分布，激烈幅度和激烈相位）的情况下确定阵列的辐射特性（方向图，方向性系数，半功率波瓣宽度，副瓣电平等） 阵列天线的综合是指：在已知阵列辐射特性的情况下，确定阵列的四个参数。 2. 能导出均匀直线阵列的阵因子函数 sin(/2)()cos sin(/2) Nu S u u kd u βα= =+ (1) 平行振子直线阵，振子轴为z 轴方向，沿x 排列时，阵轴与射线之间的 夹角为cos cos sin x β?θ= ；沿y 轴排列时，cos sin sin y β?θ=。 (2) 共轴振子线阵，一般设阵轴为z 轴，此时cos cos z βθ= (3) 什么是均匀直线式侧射阵（各单元等幅同相激烈，等间距最大指向 /2θπ=） ■沿x 轴并排排列，振子轴为z 轴的半波振子直线阵，侧射时的最大指向为y 轴方向 ■沿z 轴排列的共轴振子直线阵，侧射时的最大指向在xy 平面上 ■并能导出激励幅度不均匀、间距不均匀、相位非均匀递变的直线阵阵因子 3. 均匀侧射阵和端射阵 (1) 什么是均匀侧射阵和端射阵，他们的阵因子表示是什么？ (2) 最大辐射方向及最大值。 max 0cos m S NI kd αβ=???=?? 0/2 m m αβπαβ=??±=?侧射 ＝端射 ＝kd (3) 抑制栅瓣条件：1cos m d λ β< + /2 d d λλ
线极化微带天线阵列的设计
线极化微带天线阵列的设计 摘要 微带、微波起源于上世纪中期，在上世纪末就已经展开了对实用天线的研究并制成了第一批实用天线，现在微带天线方面，无论在理论还是应用，都已经取得了很大进展，并在深度和广度上都获得了进一步发展。微带天线技术越来越成熟，其应用与我们的生活、军事、科技都息息相关。体积小、重量轻、剖面薄是微带天线优于普通天线的特点，并且它适合用于印刷电路技术大批量生产，所以能够制成与导弹、卫星表面相共型的结构。因此微带天线在军事、无线通信、遥感、雷达等领域得到了广泛的应用。但是根据微带天线自身的结构特点，仍存在一些缺点，例如频带窄、效率低、增益低、方向性差。解决这些问题的方法就是：将若干个天线单元有规律的排列起来，通过利用这些天线单元构成天线阵列，从而来提高天线的增益、增强天线的方向性。 本文在学习微带天线理论及微带天线阵列基本理论的基础上，利用高频电磁仿真软件HFSS对阵列天线进行仿真设计。设计了中心频率在5.8GHz的阵列天线，对天线的特性进行了深入细致的研究。分别对单个天线阵元和天线阵列进行了仿真，天线阵列的增益明显大于单个微带天线，且方向性更好。因此采用天线阵列的形式进行仿真并对结果中各相关参数进行对比分析差异，优化调整了相关参数。仿真天线的各项指标均达到要求，进行了对实物的加工，在微波暗室内测试出天线的相关参数并与设计指标、仿真结果进行比较，最终达到了设计要求。 关键词：微带天线天线阵方向性增益 HFSS仿真
ABSTRACT Microstrip, microwave, originated in the middle of the last century, in the end of la st century has launched the research of practical antenna and made the first batch of pra ctical antenna, the microstrip antenna has made breakthrough progress now, no matter in theory or application on the depth and width of further development, this new antenna has been increasingly mature, its application to our daily life, military, science and techn ology are closely related. Compared with the common antenna microstrip antenna with small volume, light weight, the characteristics of thin section, it can be made with missil e and satellite surface phase structure, and suitable for mass production printed circuit te chnology. Therefore, microstrip antenna has been widely used in wireless communicatio n, remote sensing and radar. However, according to the structure of microstrip antenna, t here are still some shortcomings, such as narrow band, low efficiency, low gain and poo r directivity. The way to solve these problems is to arrange a number of antenna element s in a regular arrangement, and make up the antenna array to improve the gain and direc tion of the antenna. Based on the theory of microstrip antenna and basic theory of microstrip antenna ar ray, HFSS is used to analyze the array antenna. The array antenna with the center freque ncy of 5.8GHZ is designed, and the characteristics of the antenna are studied in detail. T he gain of antenna array is obviously larger than that of single microstrip antenna, and t he direction is better. Therefore, the antenna array was used for simulation and the corr elation parameters in the results were compared and analyzed, and the correlation param eters were optimized and adjusted. Simulation of the antenna of the indicators are up to par, the physical processing, and testing in microwave dark room to the related paramete rs of the antenna, and comparing with design index, the simulation results, finally reach ed the design requirements. Keywords: miccrostrip antennas antenna array directivity gain HFSS simulation
阵列天线分析与综合习题
阵列天线分析与综合习题 第一章 直线阵列的分析 1. 分析由五个各向同性单元组成的均匀线阵，其间距d=2λ/3。求(a) 主瓣最大值；(b) 零点位置；(c) 副瓣位置和相对电平；(d) 方向系数；(e) d 趋于零时的方向系数。 2. 有一单元数目N=100，单元间距d=λ/2的均匀线阵，在(a) 侧射；(b) 端射；(c) 主瓣最大值发生在θ=45o时，求主瓣宽度和第一副瓣电平。 3. 有一由N 个各向同性单元组成的间距为 d 的均匀侧射阵，当kd<<1，Nkd>>1 时，证明其方向系数D =2Nd/λ。提示： 2(sin /)x x dx π∞ ?∞=∫ 。 4. 设有十个各向同性辐射元沿Z 轴均匀排列，d=λ/4，等幅激励。当它们组成(a) 侧射阵；(b) 普通端射阵；(c) 满足汉森—伍德亚德条件的强方向性端射阵时，求相邻单元间相位差、第一零点波瓣宽度、半功率波瓣宽度、第一副瓣相对电平和方向系数。 5. 利用有限Z 变换求出均匀线阵的阵因子，并利用y=Z+Z -1的变量置换分析均匀阵功率方向图的特性。 6. 若有五个各向同性辐射元沿Z 轴以间距d 均匀排列，各单元均同相激励，激励幅度包络函数为[]()1sin /(1)I N d ξπξ=+?。试分别用Z 变换法和直接相加法导出阵因子S(u)，并计算S(u) 在0