第7讲折合振子与八木天线
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实际应用中也经常用到非直线的导线振子，如V
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【例型振子。
90D
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=
Lλ
/2
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，相当于双导线的特性阻抗为300欧姆。
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实验一 半波振子天线仿真设计
实验一 半波振子天线仿真设计 一、实验目的： 1、 熟悉HFSS 软件设计天线的基本方法； 2、 利用HFSS 软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理； 3、 通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。 二、预习要求 1、 熟悉天线的理论知识。 2、 熟悉天线设计的理论知识。 三、实验原理与参考电路 3.1天线介绍 天线的定义：用来辐射和接收无线电波的装置。天线的作用：将电磁波能量转换为导波能量，或将导波能量转换为电磁波能量。 3.1.1天线的基本功能 天线应尽可能多的将导波能量转变为电磁波能量，要求天线是一个良好的开放系统，其次要与发射机(或接收机)良好匹配; （1）、 天线应使电磁波能量尽量集中于需要的方向， （2）、 对来波有最大的接收; （3）、 天线应有适当的极化，以便于发射或接收规定极化的电磁波; （4）、 天线应有只够的工作带宽; 3.1.2天线的分类 （1）、 按用途分：通信天线、广播电视天线、雷达天线等; （2）、 按工作波长分：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等; （3）、 按辐射元分：线天线和面天线; 3.1.3天线的技术指标 大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及 定向辐射的能力。 （1） 天线方向图及其有关参数 所谓方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强 (归一化模值)随方向变化的曲线图。如图1所示。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 60(,,(,) I E r f r θ?θ?=式式中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 (,,) (,)260/E r f I r θ?θ?= 式 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 max max (,)(,)(,)3 (,)E f F f E θ?θ?θ?θ?== 式图1 方向图球坐标系
正交半波振子天线 开题报告
开题报告 一 选题的依据和意义 正交半波振子天线是由两个形式相同且相互正交的对称振子构成的天线，其对称振子上的激励电流大小相等，相位相差π／2，天线的有效长度相当于所接收电波的半个波长,又称为旋转场天线。最常用的对称振子是半波振子，也可以用环天线（磁偶极子）或短天线（电偶极子）等形式。这种天线最初是作为超短波调频广播天线于1936年出现的。后来采用各种宽频带对称振子（例如林登布莱德振子、白劳德面振子和蝙蝠翼形振子等）构成的正交振子天线，广泛用作电视广播发射天线，其中以蝙蝠翼形振子用得最多。 由两个短天线构成的正交振子天线，在以短天线所在平面为参考面的θ方向和时间t 时()θω-t E cos 。它是电场在某一方向θ于某一时刻t 时可达到的最大值。因此，天线辐射电场的有效方向图是一个圆。在某一时刻，天线的方向图呈8字形，与单个短天线的相同,在一个周期内,该8字形绕天线的中心杆旋转一周，因而这种天线也称为绕杆式天线。 对正交半波振子天线进行优化设计，可以使其在相控雷达天线阵中做阵元，避免盲区的出现。在旋转抛物面天线中做馈元。半波振子天线的方向图是“8”字形，无副瓣，在一般性应用中，有一定优势。当长度超过半波长时，线上出现反相电流，使得天线的方向性下降，增益降低。使用半波振子天线可以很好的拟补这一缺点。 二 选题研究的基本内容 1. 学习对称振子天线的相关理论。 2. 推求正交半波振子天线的辐射电场及方向函数。 3. 利用计算机辅助设计最佳比例因子（佳A ），以使min F 最大。 4. 仿真相应的方向性系数。 5. 设计（最佳）天线系统结构尺寸。 通过给定的技术指标，中心波长λ=30cm ，天线与发射机间距l =20cm ,馈电（主）同轴线外导体内直径d =1cm 。利用如下几组典型值：
多元折合振子天线
多元折合振子天线 半波振子天线和折合振子天线的增益低,波瓣宽,前方和后方具有相同的接收能力,所以它们只适用于信号强,干扰小的地方,当接收点离电视台较远,信号较弱或信号较强但干扰较大反射波影响 较严重时,就要采用多元高增益定向天线了,这就是多元振子天线,又叫八木天线,在有源振子的后面加上反射器,前面加上引向器,就构成多元振子天线,引向振子,反射振子与有源振子加起来的数目就是天线的单元数. 多元振子天线的后方波瓣消失,前方灵敏度大大提高,原理如下: 1.反射器对前方P点和后方Q点来的信号的作用 右图中的有源振子工作在谐振状态, 其阻抗为纯电阻,反射器则用长度比有振子长5%-15%,而呈现感性.设反射器与有源振子相距λ/4,从天线前方的P点来的电磁波先到达有源振子,并使之产生感应电势e1,感应电流I1.电磁波再经过λ /4的途经才到达反射器,并使之产生感应电势e2和感应电流I2.由于反射器与有源振子在空上相差λ/4的路程,所以e2比e1落后90°,而I2又由于反射器呈现感性而比e2落后90°,故I2比e1落后180°,反射 器电流I2产生的辐射场到达有源振子形成的磁场H2又比I2落后90°,即H2比e1落后270°.根据电磁感应定律,H2在有源振子里产生的感应电势e1-2比H2落后90°,结果e1-2比e1落后360°,也就是说反射器 在有源振子所产生的感应电势e1-2和原振子的感应电势e1是同相的,天线输出电压是等于e1与e1-2之和,可见反射器使天线接收前主信号的灵敏度提高了,根据类似的推导可知:反射器对后方Q点来的信号 有抵消输出的作用. 2.引向器的作用 引向器比有源振子短5%-10%,其阻抗呈电容性,假设引向器与有源振子间的距离也是λ/4,用同样的方法可以推导出下述结论:引向器对前方来的信号起着增强天线输出信号作用. 综上所述,反射器起着消除天线方向图后瓣的作用,反射器和引向器都具增强天线前方灵敏度的作用.
线天线辐射及散射
摘要：矩量法是将连续方程离散为代数方程组的方法，此方法对于求解微分方程和积分方程均适用，本文以半波振子天线为例，系统的阐述了半波振子天线的海伦积分方程的建立，利用矩量法求解海伦积分方程而得半波振子天线上的电流分布，并进一步根据电流肺部，求解半波振子天线的方向图。 关键字：半波振子天线；海伦积分方程；矩量法 1 引言 电磁辐射和散射问题的分析方法一般可以分为两大类，即解析方法和数值方法，而实际中只有极少数集合形状特别的电磁问题才能通过解析方法求解，大部分只能用数值方法获得近似解。矩量法则是求解微分方程和积分方程的一种重要的数值分析方法，它从函数空间和线性算子的观点来处理问题，具有计算效率高、处理灵活、快速而精准、不限定物体几何形状、理论基础较健全等诸多优点，因而在电磁场数值计算方面得到了广泛的应用。同时，由于线天线在实际中应用广泛，而且是分析其它天线的基础。 在矩量法分析过程中，有多种不同的积分方程可供选择，如双位积分方程、Hallen积分方程、Pocklington积分方程、Schelkunoff积分方程、响应积分方程等等，而前3种应用最为广泛，因此本文采用Hallen积分方程对半波振子天线进行深入的数值分析，并用matlab编程仿真。 2 矩量法的基本原理 2.1 矩量法的概念 矩量法是将一个算子方程化为矩阵方程，然后求解该矩阵方程的方法。在历史上把采用基函数和检验函数离散化的积分方程的数值方法称为矩量法。矩量法是一种基于泛函分析理论的积分形式的数值方法，这种方法具有计算结果准确且误差小、处理过程灵活、分析目标不限定物体几何形状和理论基础健壮等优点。 如果非齐次方程为 （2-1） L f g ()
半波对称振子与馈线的匹配
半波对称振子与馈线的匹配 一般的接收设备(如电视机)其输入特性阻抗 为75Ω(不平衡式)或300Ω平衡式,半波对称振子 的输出是:阻抗为75Ω平衡式,如与300Ω平衡电缆连接则只需考虑阻抗匹配就可以了,我们可利用传输线上距终端λ/4奇数倍 处的等效阻抗等于传输线特性阻抗的平方除以终端负载这一特殊性质来进行 阻抗匹配,这一特性的数学表达式Zin=Z0*Z0/ZL,式中Z0是传输线(匹配电缆)的特性阻抗,Zin为天线的输出阻抗,ZL为负载(接收设备的输入阻抗)阻抗,半波对称振子与300Ω平行电缆的配接计算如下:先按上式计算出所需电缆 的特性阻抗,也即要实现半波对称振子与300Ω平行电缆的配接它们之间必须要插入一条λ/4长,特性阻抗为150Ω的平行电缆,为此,我们利用两条λ/4长的300Ω平行电缆并联即可,接法如图x。思维稿 半波折合振子 折合振子天线在实际使用中,馈电振子一般都是采用折合振子的形式,其主要目的是增加天线的带宽,折合振子的结构形成如图jk所示,这种天线的频带特性可以这样来证明:折合振子作为一偶极天线来说,可看作是两个λ/4的短路线相串联,对于谐振频率波长L=λ/4,偶极天线与短路线都没有电抗成分,当加到折合振子上高频电流的频率在一定范围变化时,出现以下2种情况:当频率高于谐振频率时,相当于L>λ/4,偶极天线近似长于λ/4的短路线,其电抗是感性,而此时短路线的电抗是容性,当频率低于谐振频率时,相当于L<λ/4,偶极天线近似于λ/4的开路线,其电抗是容性,而此时短线上的电抗又是感性;故当工作频率了生偏移时,在一定频率范围内,折合振子上呈现的感抗与容抗可以互相补偿,使天线在较宽的频率范围内其阻抗特性的变化不大,这就是折合振子具有较宽频带的原理。 由于折合振子两平行导体具有相位相同,大小相等的电流(即I1=I2)所以其辐射电流为 I=I1+I2=2I1,其辐射功率为P=I*I*Rr=(2I1)*（2I1）*Rr(Rr为半波振子的输入阻抗)在折合振子的馈电端的输入功率P =4*I1*I1*Rr= (Rin是折合振子的输入阻抗)由于在馈电端输入的电流实际上为I, 所I=I1,所以Rin=4Rr=4×73.1=300Ω这里我们得到了折合振子输入阻抗是300Ω.是对称半波振子输入阻抗的4倍。为了解决与75Ω同轴电缆与天线振子的联接,采用长度为λ/2的同轴线做成的相位,阻抗变换装置,即常叫的U形环,可以解决以上两个问题.U形环的结构图jk2如下所示. 从图可知,馈电时B点电流经过U形环后,与A点的电流相位差为π(180度),U形环的外导体组成了λ/4的短路线, 使得在A,B点上的阻抗为无穷大,因而外导体上的电流就不会由内表壁流向外表壁到地了,并且U形环还起到了阻抗变换的作用,如果在同轴线芯线上的输入电流为I1,输入电压为V1,则天线两振子上的输入电流分别为I1,而同轴线外导体是接地的,所以A,B两点各自对地的电压都是V1,且A,B两点电压为反相,故此A,B两点间的电压为VA+VB=2V1,在馈电点呈现的阻抗为:R==4V1/I1即采用U形环后,使馈线与天线接触点的阻抗提高了四倍,若采用特性阻抗为75Ω的同轴线馈电,则在馈电点的阻抗为75Ω×4=300Ω,与折合折子能达到较好的匹配.思维稿
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
半波振子基本知识
1 什么是天线 WLAN作为一项无线技术，其信号以电磁波形式在空气中传播。而能够有效的向空间中某个方向辐射电磁波，或者能从空间某特定方向接收电磁波的器件，我们称之为天线。天线是发射和接收电磁波的设备，是WLAN的基础。 2 天线相关技术点 2.1 振子 当导线上有交变电流流动时，就可以形成电磁波的辐射。辐射的能力与导线的长短和形状有关。如图1 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。通常将此装置称为振子。 两臂长度相等的振子叫做对称振子，对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线。每臂长度为四分之一波长、的振子，称半波对称振子，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
图2：半波对称振子组成的经典天线 2.2 方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；在水平面上各个方向上的辐射一样大。 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。
也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。 2.3 增益 天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号。天线的增益是指：将天线辐射的电磁波进行聚束以后，比起理想的参考天线，在输入功率相同的条件下，在空间同一点上接收功率的比值。增益定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度。 一般，增益的定义是：增益＝输出功率（W）/输入功率（W），是一个无量纲参数。 dB是增益取对数底再乘以10的结果：增益（dB）＝10×log（增益）。 天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定了信号电平。增加增益就可以在一个确定方向上增大网络的覆盖范围。 表征天线增益的参数为：dBi和dBd。 dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，即天线相对于点源天线的增益。一个天线与各向同性辐射器相比较的增益，可以用“dBi”来表示。dBd是指天线相对于对称振子Dipole 的功率能量密度之比，即相对于对称阵子天线的增益。一个天线与对称振子相比较的增益，可以用“dBd”来表示。
天线基本知识解析
天线基本知识 1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。 天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的： 按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。 1.2 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见图1.2 a 。 另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见图1.2 b 。
1.3 天线方向性的讨论 1.3.1 天线方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1 a）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图 1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。 1.3.2 天线方向性增强
J型折合半波天线的制作
笔者前不久自制了一架J型折合半波天线，使用效果非常理想，现将该天线的制作介绍如下。 这是一种垂直极化的全向天线。只要按相应波长选取天线尺寸，即可用于高频式超高频波段。由于这种天线的低仰角辐射特性好，对于主要依靠低仰角传播进行的通信，它的实际辐射效率要比一般的地网天线高出50%。这种天线的物理长度不超过3/4波长，对于较高频段，可算是一种小巧的天线。在天线的底座附近，通过一段J型匹配短截线进行馈电，可以克服由于馈线与天线的相互作用带来的许多问题。天线的馈电阻抗约为50 Ω。 一般地网天线的增益要比半波偶极天线高3dB。通常，所用的5/8波长地网天线也有较高的增益，但J型折合半波天线比这两种天线有更高的辐射效率。它的全辐射角几乎与地面平行，最大辐射仰角正好处在移动通信所需的仰角位置。 J型折合半波天线实际上是一种垂直架设的端馈式折合偶极天线。天线上电压和电流的分压见图1，天线下部的1/4波长匹配短截线，使天线的输入阻抗可以低到只有50 Ω。在短截线的另一端，向天线部分馈电的阻抗却很高，这正好满足了半波天线端点高阻输入的要求，从而解决了匹配的问题。和所有折合振子一样，在天线两臂上的电流同相，而在短截线上反相，所以在短截线上不向外辐射能量，有助于降低天线主辐射仰角。只要匹配好，可使电压驻波比低于1.5，甚至可以达到1。该天线可在固定台站使用，也可在移动台站使用。 这种天线可以用直径6～9mm的铝管制作，两平行单元之间的间隔要求并不严格，偏差不超过6mm便可。馈电点处必须用塑料盒封装(防水)，折叠式辐射单元的折回部分与匹配短截线短截臂的顶部之间，必须有良好的绝缘。 如何找准馈电点是天线设计的一个重要问题，可将馈电点在天线管上上下移动，测得电压驻波比最小的点便是馈电点，然后将馈线焊好，图2中给出了笔者做的一副145MHz天线的设计数据，这种天线室内室外都可使用，但要尽量避开其他导体。
史上超详细的天线知识
天线，是我们生活中很常见的一种通讯设备。但是，大部分人其实对它并不了解，可能只知道它是收发信号的。 本文面向零基础读者，专业或非专业人士，皆可阅读，绝对通俗易懂，干货满满。 废话不多说，直入正题！ 话说，自从1894年老毛子科学家波波夫成功发明了天线之后，这玩意迄今已有124年的历史（数了3遍，应该没错）。 波波夫和他的发明 在这漫长的历史长河之中，它对人类社会发展和进步做出了卓绝的贡献。 二战中屡立奇功的英国雷达天线 如今，不管是老百姓日常工作生活，还是科学家进行科研探索，都离不开天线君的默默奉献。 天线究竟是一根什么样的“线”，为什么会如此彻底地改变我们的生活？ 其实，天线之所以牛逼，就是因为电磁波牛逼。 电磁波之所以牛逼，一个主要原因就是，它是唯一能够不依赖任何介质进行传播的“神秘力量”。即使在真空中，它也能来去自如，而且转瞬即至。 电磁波效果图 电磁波传播示意图
想要充分利用这股“神秘力量”，你就需要天线。 在无线电设备中，天线就是用来辐射和接收无线电波的装置。 天线的英文名：Antenna（也有触须、直觉之意） 再通俗点，天线就是一个“转换器”——把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换。 天线的作用 什么叫导行波？ 简单来说，导行波就是一种电线上的电磁波。 天线是怎么实现导行波和空间波之间转换的呢？ 看下图： 中学物理学过，两根平行导线，有交变电流时，就会形成电磁波辐射。 两根导线很近时，辐射很微弱（导线电流方向相反，产生的感应电动势几乎抵消）。 两根导线张开，辐射就会增强（导线电流方向相同，产生的感应电动势方向相同）。 当导线的长度增大到波长的1/4时，就能形成较为的辐射效果！ 有了电场，就有了磁场，有了磁场，就有了电场，如此循环，就有了电磁场和电磁波。。。 电生磁，磁生电
半波对称振子
半波对称振子与馈线的匹配回主页 一般的接收设备(如电视机)其输入特性阻抗为 75Ω(不平衡式)或300Ω平衡式,半波对称振子的输 出是:阻抗为75Ω平衡式,如与300Ω平衡电缆连接则只需考虑阻抗匹配就可以了,我们可利用传输线上距终端λ/4奇数倍处的等效 阻抗等于传输线特性阻抗的平方除以终端负载这一特殊性质来进行阻抗匹配, 这一特性的数学表达式 Zin=Z0*Z0/ZL,式中Z0是传输线(匹配电缆)的特性阻抗,Zin为天线的输出阻抗,ZL为负载(接收设备的输入阻抗)阻抗,半波对称振子与300Ω平行电缆的配接计算如下:先按上式计算出所需电缆的特性阻抗 ,也即要实现半波对称振子与300Ω平行电缆的配接它们之间必须要插入一条λ/4长,特性阻抗为150Ω的平行电缆,为此,我们利用两条λ/4长的300Ω平行电缆并联即可,接法如图x。思维稿 半波折合振子 折合振子天线在实际使用中,馈电振子一般都是采用折合振子的形式,其主要目的是增加天线的带宽,折合振子的结构形成如图jk所示,这种天线的频带特性可以这样来证明:折合振子作为一偶极天线来说,可看作是两个λ/4的短路线相串联,对于谐振频率波长L=λ/4,偶极天线与短路线都没有电抗成分,当加到折合振子上高频电流的频率在一定范围变化时,出现以下2种情况:当频率高于谐振频率时,相当于L>λ/4,偶极天线近似长于λ/4的短路线,其电抗是感性,而此时短路线的电抗是容性,当频率低于谐振频率时,相当于L<λ/4,偶极天线近似于λ/4的开路线,其电抗是容性,而此时短线上的电抗又是感性;故当工作频率了生偏移时,在一定频率范围内,折合振子上呈现的感抗与容抗可以互相补偿,使天线在较宽的频率范围内其阻抗特性的变化不大,这就是折合振子具有较宽频带的原理。 由于折合振子两平行导体具有相位相同,大小相等的电流(即I1=I2)所以其辐射电流为I=I1+I2=2I1,其辐射功率为P=I*I*Rr=(2I1)*（2I1）*Rr(Rr为半波振子的输入阻抗)在折合振子的馈电端的输入功率P =4*I1*I1*Rr= (Rin是折合振子的输入阻抗)由于在馈电端输入的电流实际上为I, 所I=I1,所以Rin=4Rr=4×73.1=300Ω这里我们得到了折合振子输入阻抗是300Ω.是对称半波振子输入阻抗的4倍。为了解决与75Ω同轴电缆与天线振子的联接,采用长度为λ/2的同轴线做成的相位,阻抗变换装置,即常叫的U形环,可以解决以上两个问题.U形环的结构图jk2如下所示. 从图可知,馈电时B点电流经过U形环后,与A点的电流相位差为π(180度),U形环的外导体组成了λ/4的短路线, 使得在A,B点上的阻抗为无穷大,因而外导体上的电流就不会由内表壁流向外表壁到地了,并且U形环还起到了阻抗变换的作用,如果在同轴线芯线上的输入电流为I1,输入电压为V1,则天线两振子上的输入电流分别为I1,而同轴线外导体是接地的,所以A,B两点各自对地的电压都是V1,且A,B两点电压为反相,故此A,B两点间的电压为V A+VB=2V1,在馈电点呈现的阻抗为:R==4V1/I1即采用U形环后,使馈线与天线接触点的阻抗提高了四倍,若采用特性阻抗为75Ω的同轴线馈电,则在馈电点的阻抗为75Ω×4=300Ω,与折合折子能达到较好的匹配.思维稿 多元折合振子天线 半波振子天线和折合振子天线的增益低,波瓣宽,前方和后方具有相同的接收能力,所以它们只适用于信号强,干扰小的地方,当接收点离电视台较远,信号较弱或信号较强但干扰较大反射波
半波偶极子天线的HFSS
半波偶极子天线的ＨＦＳＳ仿真设计 Xxxxxxxxxxxxxxxxxxx 一、实验目的： 1.以一个简单的半波偶极子天线设计为例，加深对对称阵子天线的了解； 2.熟悉HFSS软件分析和设计天线的基本方法及具体操作； 3.利用HFSS软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理； 4.通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。 二、实验步骤： 本次实验设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4。 １、添加和定义设计变量 参考指导书，在Add Property对话框中定义和添加如下变量： ２、设计建模 １）、创建偶极子天线模型 首先创建一个沿Z轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为（0，0，gap/2），半径为dip_radius，长度为dip_length，材质为理想导体，模型命名为Dipole，如下：
然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。此时就创建出了偶极子的模型如下：
2）、设置端口激励 半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面，并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，因此顶点坐标为（0，-dip_radius，-gap/2），长度和宽度分别为2*dip_radius和gap。如下： 然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励。由之前的理论分析可得，半波偶极子天线的输入阻抗为73.2?，为了达到良好的阻抗匹配，将负载阻抗也设置为73.2 ?。随后进行端口积分线的设置。此处积分线为矩形下边缘中点到矩形上边缘中点。 3）、设置辐射边界条件 要在仿真软件中计算分析天线的辐射场，必须先设置辐射边界条件。本次设计中采用辐射边界和天线的距离为1/4个工作波长。这里，我们先创建一个沿着Z轴放置的圆
天线与馈线的连接
天线与馈线的连接 时间:2007-10-29 来源: 作者: 点击：9366 字体大小:【大中小】 天线与馈线的连接 天线与馈线的连接，是安装天线时十分重要的问题。若连接不正确，将直接影响接收效果。其连接方式，取决于天线中有源振子的形状和馈线的种类。一般常用的有下列情况。 1、天线的有源振子为半波折合振子（阻抗300Ω） 连接馈线采用300Ω扁平馈线时，其连接方式最简单，即将馈线的两根导线分别接在有源振子中间开口处即可，如图1所示。如果采用75Ω同轴电缆作连接馈线，其连接方式需要把半波折合振子333Ω阻抗变换与同轴电缆75Ω匹配。方法是载取1/2波长的同轴电缆制作成U型变换器，如图2所示。先将1/2λ的同轴电缆中间芯线的两端，接在半波折合振子天线的开口处，其外层屏蔽网相连；主馈线的芯线接天线开口处的任一端，其屏蔽网连接U形变换器的屏蔽网。 2、天线的有源振子为半波振子（阻抗75Ω） 当馈线采用300Ω扁平馈线时，需进行阻抗变换，方法是用1/4波长的扁平馈线两根制成阻抗变换器，接法如图3所示。 当馈线采用75Ω同轴电缆时，就只需要进行平衡－不平衡转换，可采用75Ω同轴线作U 形变换器，接法如图4所示。取一根1/2λ的同轴电缆，将两端接于天线开口处并将外层相连好；再在U形变换器1/4λ处截断，其主馈线的芯线接在1/4λ处的同轴线芯线，其外层屏蔽线接在3/4λ处的同轴线芯线。 此外，还可用双孔磁心制作。其制作方法见图5(a)、(b)所示。
双孔磁心阻抗变换器的突出优点是体积小频带宽，缺点是抗干扰能力与选择性差。 天线与馈线匹配中的平衡与不平衡变换 很多天线如半波振子天线、折合振子天线、环行天线等都是平衡馈电的，它们都有两个馈电点，它们都有个特点：两个馈电点的信号电压（或电流）的相位是互为反相的。而主馈电缆常常都是用同轴电缆，同轴电缆属于不平衡（不对称）馈线，其内导体是馈电点，而外导体是地线点，不参与馈电。所以就算天线的特性租抗与同轴电缆相同也不能直接连接，否则，会破坏天线的对称性，使天线两臂上的电流大小不等，这种不平衡性会改变天线的方向图，使之成为不对称的方向图，从而使馈线可能接收到各种干扰波和使馈线与天线失配。因此，在天线与同轴线连接时，不仅要考虑阻抗匹配而且还要进行平衡--不平衡变换。 1、λ/4平衡变换器（λ是信号频率的波长） λ/4平衡变换如图6所示，半波振子的输入阻抗是75欧的平衡负载，用75欧的同轴电缆与之配接虽然阻抗是匹配了，但平衡却不匹配，必须加入一个平衡变换器。 半波振子的一臂与主馈线外导体相连（图6中的A点），另一臂与λ/4导体上端和同轴电缆的内导体相连接（图6中的B点），λ/4导体的下端则通过短接金属环与主馈线的外导体相接（图6中的C点）。那么A--》B点之间的距离为λ/2，所以，B点的信号送到A点时刚好反相，这样一来就把同轴线的不对称变为对称了。从A、B两点向短接金属环看进去是一段λ/4的短路线，其阻抗为无穷大，所以对阻抗匹配不会造成影响。
半波偶极子天线的HFSS仿真设计
半波偶极子天线的ＨＦＳＳ仿真设计 一、实验目的： 1.以一个简单的半波偶极子天线设计为例，加深对对称阵子天线的了解； 2.熟悉HFSS软件分析和设计天线的基本方法及具体操作； 3.利用HFSS软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理； 4.通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。 二、实验步骤： 本次实验设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4。 １、添加和定义设计变量 参考指导书，在Add Property对话框中定义和添加如下变量： ２、设计建模 １）、创建偶极子天线模型 首先创建一个沿Z轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为（0，0，gap/2），半径为dip_radius，长度为dip_length，材质为理想导体，模型命名为Dipole，如下：
然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。此时就创建出了偶极子的模型如下：
2）、设置端口激励 半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面，并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，因此顶点坐标为（0，-dip_radius，-gap/2），长度和宽度分别为2*dip_radius和gap。如下： 然后设置该矩形面的激励方式为集总端口激励。由之前的理论分析可得，半波偶极子天线的输入阻抗为73.2?，为了达到良好的阻抗匹配，将负载阻抗也设置为73.2 ?。随后进行端口积分线的设置。此处积分线为矩形下边缘中点到矩形上边缘中点。3）、设置辐射边界条件 要在仿真软件中计算分析天线的辐射场，必须先设置辐射边界条件。本次设计中采用辐射边界和天线的距离为1/4个工作波长。这里，我们先创建一个沿着Z轴放置的圆
第一讲天线基本知识
第一讲天线基本知识 第一讲天线基本知识 1.1天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。 天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的： 按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。 1.2对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为
抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子,见图1.2 a 。 另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的 长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子，见图1.2 b
S12a 1.3天线方向性的讨论 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本 功能之二是把 大部分能量朝所需的方向辐射。 垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈”形的立 体方向图（图1.3.1 a ）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两 个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图 1.3.1 b 可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。 1.3.2天线方向性增强 图1.2b 1.3.1 天线方向性 HM.U 方向阳 方向屈 H1.3.1 c 方向閉
半波偶极子天线的HFSS
半波偶极子天线的H F S S The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
半波偶极子天线的ＨＦＳＳ仿真设计 Xxxxxxxxxxxxxxxxxxx 一、实验目的： 1.以一个简单的半波偶极子天线设计为例，加深对对称阵子天线的了解； 2.熟悉HFSS软件分析和设计天线的基本方法及具体操作； 3.利用HFSS软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理； 4.通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。 二、实验步骤： 本次实验设计一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线。天线沿着Z轴放置，中心位于坐标原点，天线材质使用理想导体，总长度为λ，半径为λ/200。天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为，辐射边界和天线的距离为λ/4。１、添加和定义设计变量 参考指导书，在Add Property对话框中定义和添加如下变量： ２、设计建模 １）、创建偶极子天线模型
首先创建一个沿Z轴方向放置的细圆柱体模型作为偶极子天线的一个臂，其底面圆心坐标为（0，0，gap/2），半径为dip_radius，长度为 dip_length，材质为理想导体，模型命名为Dipole，如下： 然后通过沿着坐标轴复制操作生成偶极子天线的另一个臂。此时就创建出了偶极子的模型如下：
2）、设置端口激励 半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面，并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来，因此顶点坐标为（0，-dip_radius，-gap/2），长度和宽度分别为2*dip_radius和gap。如下：
天线基础知识
天线基础知识 1 天线 1.1 天线的作用与地位 无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。 *电磁波的辐射 导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。如 图1.1 a 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如 图 1.1 b 所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。 必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。 图1.1 a 图1.1 b 1.2 对称振子 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独 立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子, 见 图1.2 a 。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子, 见 图1.2 b 。 图1.2 a 图1.2 b 1.3 天线方向性的讨论 1.3.1 天线方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是 把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立 体方向图（图1.3.1 a ）。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1 b 与图1.3.1 c 给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。从图1.3.1 b 可 以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1 c 可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。 图1.3.1 a 立体方向图 图1.3.1 b 垂直面方向图 图1.3.1c 水平面方向图 1.3.2 天线方向性增强 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在 水平面方向上。 下图是4个半波振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向 图。 立体方向图 垂直面方向图 1/4波长 对称振子 1/4波长 1/2波长
1半波偶极子
附录： \ 3D模型 回波损耗（S11）
电压驻波比（VSWR） Smith圆图
输入阻抗 增益方向图
三维增益方向图
半波偶极子天线 一、实验目的 1.熟练使用HFSS软件。 2.掌握半波偶极子天线的原理。 二、实验原理 此次设计为一个中心频率为3GHz的半波偶极子天线，天线沿z轴放置，天线材质使用理想导体，总长度为0.48λ，半径为λ/200.天线馈电采用集总端口激励方式，端口距离为0.24mm，辐射边界和天线的距离为λ/4.模型图如下： 1.电流分布 对于从中心馈电的偶极子天线，其两端为开路，故电流为零。假设将偶极子天线沿z轴放置，其中心位于坐标原点，则长度为l的偶极子天线的电流分布可以表示为： I0是波腹电流；k是波数，且k=2π/λ；l是偶极子天线一个臂的长度。对于半波偶极子天线而言，长度l=λ/4。将参数代入上式可得半波偶极子天线的电流分布为： 下图为分析模型图： 2.辐射场和方向图 已知半波偶极子天线上的电流分布，可以利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。经计算得半波偶极子天线的辐射场为：
加上方向特性，半波偶极天线的远区辐射电场为： 式中：称为半波偶极子天线的方向性函数。 根据远区场的性质，可以求得半波偶极子天线的磁场为： 根据方向性函数可以绘出半波偶极子天线的归一化场强方向图，在H平面（θ=90°）极坐标方向图是一个圆。在E平面（ψ为常数）中，辐射场强会随着角度θ的变化而变化，θ=±90°方向上场强最大，θ=0°和θ=180°方向上场强为零。 3.方向性系数 从半波偶极子天线的方向性函数可以计算出半波偶极子天线的功率方向性系数为： 以分贝表示为： 4．辐射电阻 天线的平均功率密度可以用平均坡印廷矢量表示： 半波偶极子天线的辐射功率则为： R r表示辐射电阻，计算可得辐射电阻为：R r=73.2Ω。 三、实验步骤 1、新建设计工程 a．运行HFSS并新建工程 b．设置求解类型 c．设置模型长度单位 2、添加和定义设计变量
半波偶极子天线的HFSS仿真设计
天线原理与设计华中科技大学 半波偶极子天线的HFSS仿真设计 一、实验目的 1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法； 2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法； 3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图 特性等； 4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法； 二、实验仪器 1、装有windows系统的PC一台 2、HFSS13.0软件 3、截图软件 三、实验原理 1、首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。 图1 对称振子对称结构及坐标 2、对称振子是中间馈电，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，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。 3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为： 式中，Im为天线上波腹点的电流；k=w/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。 4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。
图2 对称振子辐射场的计算 如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为 其中 5、方向函数 四、实验步骤 1、设计变量 设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。 提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化 2、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。 其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。 3、设置端口激励 半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。 4、设置辐射边界条件 要在HFSS中计算分析天线的辐射场，则必须设置辐射边界条件。这里创建一个沿Z轴放置的圆柱模型，材质为空气。把圆柱体的表面设置为辐射边界条件。 5、外加激励求解设置 分析的半波偶极子天线的中心频率在3G Hz，同时添加2.5 G Hz ~3.5 G Hz频段内的扫频设置，扫频类型为快速扫频。