(完整word版)实验一 半波振子天线仿真设计
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。
半波偶极子天线的HFSS仿真设计
半波偶极子天线的HFSS仿真设计在开始仿真设计之前，首先需要进行天线的三维建模。
打开HFSS软件，并选择新建工程，设定仿真频率范围和单位。
然后点击导航栏的“模型创建”按钮，选择“3D模型”。
在新建的3D模型中，选择“导入”按钮，导入天线的CAD模型，或者手动绘制天线的几何结构。
根据具体的设计要求，设置天线的尺寸和材料等参数。
接下来，需要定义天线的材料特性。
点击导航栏的“材料”按钮，选择“创建材料”。
根据具体的天线材料属性，设置材料的介电常数、磁导率等参数。
点击“应用”按钮，完成材料属性的定义。
然后，进行边界条件的设置。
点击导航栏的“边界条件”按钮，选择“终止条件”。
选择边界条件的类型，如正常边界条件、电磁边界条件等。
根据具体的设计要求，设置边界条件的参数。
点击“应用”按钮，完成边界条件的设置。
接下来，需要设定仿真的激励模式。
点击导航栏的“激励”按钮，选择“微带激励端口”。
设置仿真的频率、激励电压等参数。
根据具体的设计要求，设置激励的位置和方向等参数。
然后，进行网格划分。
点击导航栏的“网格划分”按钮，选择“全局网格划分”。
根据具体的仿真要求，设置网格划分的密度、精度等参数。
点击“划分”按钮，生成网格。
完成网格划分后，需要进行仿真求解。
点击导航栏的“求解器设置”按钮，选择合适的求解器，如频域求解器或时域求解器等。
根据具体的仿真要求，设置求解器的参数。
然后点击“求解”按钮，进行仿真求解。
仿真求解完成后，可以进行结果的分析和优化。
点击导航栏的“结果”按钮，选择合适的结果显示方式，如3D图像、功率图等。
根据具体的设计要求，分析天线的辐射图案、增益等性能指标。
根据需要，进行参数的优化，如改变天线的尺寸、位置等。
再次进行仿真求解，直至达到预期的性能指标。
本文介绍了使用HFSS软件进行半波偶极子天线的仿真设计的步骤和方法。
通过三维建模、材料定义、边界条件设置、激励模式设定、网格划分、仿真求解和结果分析等步骤，可以实现对半波偶极子天线性能的仿真和优化。
HFSS天线仿真实验报告
HFSS天线仿真实验报告半波偶极子天线设计通信0905杨巨U2009138922012-3-7半波偶极子天线仿真实验报告一、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。
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店对称；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。
电流元I(z)dz所产生的辐射场为图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。
实验三、半波振子天线仿真设计
实验三、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Erθφ把电场强度绝对值写成601IErfr式式中I为归算电流对于驻波天线通常取波腹电流Im作为归算电流fθφ为场强方向函数。
因此方向函数可定义为260/ErfIr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Fθφ表示即yzrOxmaxmax3EfFfE式图1 方向图球坐标系式中f maxθφ为方向函数的最大值Emax 为最大辐射方向上的电场强度Eθφ为同一距离θφ方向上的电场强度。
通常采用两个互相垂直的平面方向图来表示。
A E平面所谓E平面就是电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面B H平面所谓H平面就是磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
天线实验报告(DOC)
实验一 半波振子天线的制作与测试一、实验目的1、掌握50欧姆同轴电缆与SMA 连接器的连接方法。
2、掌握半波振子天线的制作方法。
3、掌握使用“天馈线测试仪”测试天线VSWR 和回波损耗的方法。
4、掌握采用“天馈线测试仪” 测试电缆损耗的方法。
二、实验原理（1）天线阻抗带宽的测试 测试天线的反射系数（S 11），需要用到公式（1-1）：)ex p(||011θj Z Z Z Z S A A Γ=+-=（1-1）根据公式（1-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗Z A 接近于所要求的阻抗Z 0（匹配），在天线工程上，Z 0通常被规定为75Ω或者50Ω，本实验中取Z 0=50Ω。
天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR ）ρ以及回波损耗（Return Loss ，RL ）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（1-2）和（1-3）描述：||1||1Γ-Γ+=ρ（1-2）|)lg(|20Γ-=RL [dB]（1-3）对于不同要求的天线，对阻抗匹配的要求也不一样，该要求列于表1-1中。
表1-1 工程上对天线的不同要求（供参考）天线带宽驻波系数ρ的要求 反射系数|Γ|的要求 反射损耗RL 的要求 窄带（相对带宽5%以下）ρ≤1.2或1.5|Γ|≤0.09或0.2 ≥21dB 或14dB 宽带（相对带宽20%以下） ρ≤1.5或2 |Γ|≤0.2或0.33≥14dB 或10dB 超宽带ρ≤2或2.5，甚至更大 |Γ|≤0.33或0.43≥10dB（2）同轴电缆的特性阻抗本实验采用50欧姆同轴电缆，其外皮和内芯为金属，中间填充聚四氟乙烯介质（相对介电常数 2.2r ε=）。
其特性阻抗计算公式如下：060ln r b Z a ε⎛⎫=⎪⎝⎭（1-4）式中 a ——内芯直径； b ——外皮内直径。
三、实验仪器（1）Anritsu S331D天馈线测试仪图1-1 Anritsu S331D天馈线测试仪表1-2 Anritsu S331D天馈线测试仪主要性能指标参数名称参数值频率范围25MHz-4000MHz频率分辨率100kHz输出功率< 0dBm回波损耗范围0.00-54.00dB（分辨率：0.01dB）驻波比范围0.00-65.00 （分辨率：0.01）（2）50欧姆同轴电缆、SMA连接器、热塑管、直径2.5mm和0.5mm铜丝、泡沫（用于支撑和固定天线）和酒精棉等。
实验一：天线技术仿真
实验一：天线技术仿真【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Matlab软件的使用方法；2、了解对称振子基本原理；3、了解振子长度与波长的关系；4、通过天线的仿真，了解天线的方向图特性；【实验内容】1. 创建天线仿真模型；2. 分析天线的辐射场；3. 对天线的二维、三维方向图进行仿真；【实验仪器】1、装有windows系统的PC一台2、Matlab软件3、截图软件【实验原理及相关知识】1. 对称振子天线的辐射场对称振子天线是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线,特别是半波对称振子天线。
单个半波对称振子可单独使用或作为抛物面天线的馈源,也可采用多个半波对称振子组成各种天线阵。
图1 对称振子天线如图 1 所示，对称振子天线由两根长度均为的细导线构成。
由于中心馈电，所以在振子两臂上的电流是对称的，且呈正弦分布，并在上、下端点趋近于零，振子上的电流分布可表示为(1)式中为轴坐标的绝对值，为电流幅值，为振子长度的一半。
不同长度的对称振子上的电流分布如图2所示。
λ/2 3λ/4 λ 3λ/2图2 对称振子的电流如图 1 所示，在振子上距对称原点为处取一长度元，当 足够小时， 上流动的电流均匀分布且相位相同，可视为一个电偶极子，其远区辐射电场为'0'sin sin ()2jkRI dE jk l z edz Rθθλ-=- (2)为求得对称振子天线的辐射电场，可对式 (2) 进行积分运算，为保证积分能在简单的情况下进行，先对式 (2) 中变量进行分析。
式中的积分变量是 ，式中也随 变化，是 的函数，这样被积函数显得有点复杂，为此，可做些近似处理，在的情况下，射线与在振子附近可视为平行的射线，因此(3)在远区，由于和的值差别极小，因此在式 (2) 的分母中，可用 代替 ，但在相位项中 与 的微小差距将会引起较大的相位差，因此必须考虑式 (3) 给出的近似关系。
故式 (2) 变为(4)对式 (4) 进行积分得到利用积分公式得到对称振子天线的辐射电场(5)同理，可获得对称振子天线的辐射磁场(6)可见，对称振子天线的方向性函数为(7)(a)(b)(c) (d)图 3对称振子的方向图图 3 给出了四种不同长度的对称振子天线的方向图，可以看出当振子总长度小于1个波长时，天线的辐射场中没有副瓣。
半波偶极子天线设计
微波技术与天线实验报告
3.创建天线的一个臂
将天线的臂命名为yuanzhu，并设置天线的材料为pec，透明度为0.6，位置用La
4.创建天线的另一个臂
将第一个臂进行复制，即可生成第二个臂。
Edit--Duplicate--Around Axis，Axis选
6.设置端口激励
将长方形贴片设置为激励端口，半波偶极子的输入阻抗为73.2Ω。
设置完成后进行辐射边界的设置，选中圆柱体后右键选择Assign Boundary--Radiation。
三：求解设置
检查设计的正确性，正确无误后进行下一项。
从图中可以看出，当频率为3.0GHz时，S11的值最小，为-24.07dB。
从圆图中可以看出，在3.0GHz时，天线的归一化阻值为0.8905+0.0449i 2.查看天线的电压驻波比。
从图中可以看出，当频率为2.7GHz-3.3GHz之间，电压驻波比小于2.
3.查看E场的增益图。
在Radiation节点设置E平面。
此图为电场的切面图。
从此图可以看出增益最大为z轴方向，值为2.44dB。
半波偶极子天线
半波偶极子天线仿真、原理二、步骤：1、新建设计工程（1）新建工程文件（2）设置求解类型【Solution Type】为"Driven Modal”（3）设置模型长度单位【Un its】为"mm ”2、添加和定义设计变量选择【Design Properties】，打开设计属性对话框，打开Add Property对话框，添加变量3、设计建模（1）创建偶极子天线模型选择【Draw】T【Cylinder】，在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆柱体，新建的圆柱体会添加到操作历史树的Solids节点下，其默认的名称为Cylinder1设置Cylinder1的属性，名称设置为"Dipole ”，材质设置为"pec ” 双击"CreateCylinder ”节点，打开"Comman d选项卡，设置圆柱体的底面圆心坐标、半径和长度。
通过沿着坐标轴复制操作，生成偶极子天线的另一个臂。
Around Axis 】，设置如图对话框(2) 设置端口激励把当前工作平面设置为 yz 平面：在工具栏上的“XY'下拉列表框中选择“ YZ ”。
在三维模型窗口的 yz 面上创建一个任意大小的矩形面。
把矩形面的名称设置为“ Port ”。
设置矩形面的顶点坐标和大小，如图：设置该矩形面的激励方式为集总端口激励：选中该矩形面，单击右键，选择 【Assign Excitation 】f 【Lumped Port 】【Edit 】T 【Duplicate 】Lcnpcd Port : GeneralLumped Fort : lodes ：Us A DafAulti£ I;—齿 下T 爼)》|全屏显示矩形面 Port ,在矩形面的下边缘处移动鼠标指针， 当指针变成三角形时，单击确定下边缘的中点位置(即积分线的起点) ，沿z 轴向上移动鼠标指 针，当指针变成三角形时，单击确定上边缘的中点位置(即积分线的终点)。
自制FM半波振子天线
自制FM半波振子天线补充内容 Nhomakorabea平衡管阻抗变换器的原理：在同轴电缆旁附加一段长度是四分一接收中心波长的金属棒，半波天线的一臂接电缆外网，电缆芯线接另一臂与金属管相连处，金属管底部与同轴电缆外网相连。根据二分一波长匹配线的性质，输入端与输出端相位相差180度，加入金属管之后，不对称的同轴电缆与对称的天线相连后没有破坏天线的对称性，从而阻抗变换起到对称转不对称的作用，而且阻抗不变。
半波振子天线课程设计
半波振子天线课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解半波振子天线的原理，掌握其结构特点及工作原理。
2. 学生能够掌握半波振子天线的阻抗匹配条件，解释其带宽特性。
3. 学生能够运用相关公式计算半波振子天线的辐射电阻、输入阻抗等参数。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析并解决实际中半波振子天线的问题。
2. 学生能够设计简单的半波振子天线，并进行性能分析。
3. 学生能够运用仿真软件对半波振子天线进行建模和仿真实验。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对无线电通信及天线技术的兴趣，激发学习热情。
2. 培养学生严谨的科学态度，提高实践操作能力和团队协作能力。
3. 增强学生对我国在通信领域取得成就的自豪感，培养爱国主义情怀。
本课程针对高年级学生，结合学科特点，注重理论与实践相结合。
通过本课程的学习，使学生能够全面掌握半波振子天线的相关知识，提高实际应用能力，培养创新思维和科学精神。
课程目标明确、具体，可衡量，为教学设计和评估提供依据。
二、教学内容1. 引言：介绍天线的基本概念、分类及在无线电通信中的作用，引出半波振子天线。
2. 理论知识：- 半波振子天线的结构、工作原理和特点。
- 阻抗匹配原理，解释半波振子天线的带宽特性。
- 辐射电阻、输入阻抗的计算方法。
3. 实践操作：- 设计简单的半波振子天线，分析其性能。
- 利用仿真软件（如ADS、CST等）进行半波振子天线的建模和仿真实验。
4. 应用拓展：- 探讨半波振子天线在实际通信系统中的应用。
- 分析半波振子天线与其他类型天线的优缺点对比。
教学内容参考教材相关章节，确保科学性和系统性。
教学大纲明确，包括理论教学与实践操作相结合，进度安排合理。
具体教学内容如下：1. 引言（第1章）2. 理论知识（第2章）3. 实践操作（第3章）4. 应用拓展（第4章）三、教学方法本课程采用多种教学方法，旨在激发学生的学习兴趣，提高学生的主动性和实践能力。
1. 讲授法：教师通过生动的语言、丰富的案例，系统讲解半波振子天线的理论知识，使学生掌握基本概念、原理和计算方法。
做一个FM半波振子收音机天线
做一个FM半波振子收音机天线
本帖最后由海州望景于 2022-3-17 22:22 编辑
偶然捡到一根玻璃纤维棒，长度在4米左右，直径5mm，非常结实，富有弹性，有点像钓鱼用的鱼竿，只是不分节的，不知道这种东西是做啥用的，后来突发奇想，何不用它来做一个FM收音机天线呢？
1.截取一段玻璃纤维棒，长度1.4米。
图中的棒子，黑色部分已经贴好铜箔，并使用热缩管密封，白色部分为棒子本体颜色。
2.找来一卷铜箔胶带
3.截取铜箔胶带，长度70厘米。
4.找来一段PPR管，长度1米左右，外径25mm.使用直径5mm 钻头打孔，将玻璃纤维棒穿过PPR管，另一头水平粘贴铜箔胶带，这里是水平粘贴，不是缠绕，缠绕不好控制粗细，不美观。
然后使用热缩管密封。
5.剥开同轴电缆
6.将同轴电缆使用焊锡直接焊接在铜箔胶带上。
因为是铜箔，非常好焊接。
7.巴伦制作，非常简单，使用同轴电缆，绕直径10-20厘米4-5圈即可，我这里使用直径15厘米绕了5圈。
8.天线接头做防水处理。
使用AB胶密封即可。
9.天线架设到楼顶的PVC通风管上，为了防雷，离墙面以上仅30厘米，远低于旁边的水箱和晾衣杆。
开机试验，能收到30几个电台，使用收音机自带拉杆天线能收到17个电台。
这里接了一个鳄鱼夹子，没有做F头，因为手里的收音机都不支持天线输入。
10.金业SP-109插卡音箱也能收到30个电台，收音效果和德生R9702的差别不大，金业的这个是DSP的，德生的是二次变频机。
二次变频主要对短波电台有用，天线虽然能增加短波电台的接收，但是附近干扰太严重，本底噪音会非常大，收听效果不太好。
微波技术与天线仿真实验报告
微波技术与天线仿真实验报告《微波技术与天线》HFSS仿真实验报告实验⼆H⾯T型波导分⽀器设计⼀．仿真实验内容和⽬的使⽤HFSS设计⼀个带有隔⽚的H⾯T型波导分⽀器，⾸先分析隔⽚位于T型波导正中央，在8~10GHz的⼯作频段内，波导输⼊输出端⼝的S参数随频率变化的关系曲线以及10GHz 时波导表⾯的电场分布；然后通过参数扫描分析以及优化设计功能分析在10GHz处输⼊输出端⼝的S参数随着隔⽚位置变化⽽变化的关系曲线；最后利⽤HFSS优化设计功能找出端⼝三输出功率是端⼝⼆输出功率两倍时隔⽚所在位置。
⼆．设计模型简介整个H⾯T型波导分为两个部分：T型波导模型，隔⽚。
见图1。
图1三．建模和仿真步骤1.运⾏HFSS并新建⼯程，把⼯程另存为Tee.hfss。
2.选择求解类型：主菜单HFSS→solution type→driven modal，设置求解类型为模式驱动。
3.设置长度单位：主菜单modeler→units→in，设置默认长度单位为英⼨。
4.创建长⽅体模型1）从主菜单选择draw→box，进⼊创建长⽅体模型的⼯作状态，移动⿏标到HFSS⼯作界⾯的右下⾓状态栏，在状态栏输⼊长⽅体的起始点坐标为（0，-0.45,0），按下回车键确认之后在状态栏输⼊长⽅体的长宽⾼分别为2,0.9，0.4。
2）再次按下回车键之后，在新建长⽅体的属性对话框修改物体的位置，尺⼨，名称，材料和透明度等属性。
在attribute选项卡中将长⽅体名称项（name）修改为Tee，材料属性（material）保持为真空（vacuum）不变，透明度（transparent）设置为0.4。
3）设置端⼝激励4）复制长⽅体第⼆个和第三个臂5）合并长⽅体5.创建隔⽚1）创建⼀个长⽅体并设置位置和尺⼨2）执⾏相减操作上诉步骤完成后即可得到H⾯T型波导的三维仿真模型图如图2所⽰图26.分析求解设置1）添加求解设置：在⼯程管理窗⼝中展开⼯程并选中analyse节点，单击右键，在弹出的快捷菜单中选择add solution type并设置相关参数，完成后⼯程管理窗⼝的analyse节点下会添加⼀个名称为setup1的求解设置项2）添加扫频设置：在⼯程管理窗⼝中展开analysis节点，右键单击前⾯添加的setup1求解设置项，在弹出菜单中单击add frequency sweep，并设置sweep name，sweep type，等表13）设计检查7.运⾏仿真分析：HFSS→analyze all四．仿真结果分析1.图形化显⽰S参数计算结果图3为S11，S12，S13幅度随着频率变化的曲线。
(完整word版)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(,,(,)1I E r f rθϕθϕ=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 rθϕθϕ=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.通常采用两个互相垂直的平面方向图来表示。
(A ） E 平面所谓E 平面就是电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面； (B ） H 平面所谓H 平面就是磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
天线实验报告(DOC)
实验一 半波振子天线的制作与测试一、实验目的1、掌握50欧姆同轴电缆与SMA 连接器的连接方法。
2、掌握半波振子天线的制作方法。
3、掌握使用“天馈线测试仪”测试天线VSWR 和回波损耗的方法。
4、掌握采用“天馈线测试仪” 测试电缆损耗的方法。
二、实验原理（1）天线阻抗带宽的测试 测试天线的反射系数（S 11），需要用到公式（1-1）：)ex p(||011θj Z Z Z Z S A A Γ=+-=（1-1）根据公式（1-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗Z A 接近于所要求的阻抗Z 0（匹配），在天线工程上，Z 0通常被规定为75Ω或者50Ω，本实验中取Z 0=50Ω。
天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR ）ρ以及回波损耗（Return Loss ，RL ）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（1-2）和（1-3）描述：||1||1Γ-Γ+=ρ（1-2）|)lg(|20Γ-=RL [dB]（1-3）对于不同要求的天线，对阻抗匹配的要求也不一样，该要求列于表1-1中。
表1-1 工程上对天线的不同要求（供参考）（2）同轴电缆的特性阻抗本实验采用50欧姆同轴电缆，其外皮和内芯为金属，中间填充聚四氟乙烯介质（相对介电常数 2.2r ε=）。
其特性阻抗计算公式如下：0b Z a ⎛⎫=⎪⎝⎭（1-4）式中 a ——内芯直径； b ——外皮内直径。
三、实验仪器（1）Anritsu S331D天馈线测试仪图1-1 Anritsu S331D天馈线测试仪表1-2 Anritsu S331D天馈线测试仪主要性能指标参数名称参数值频率范围25MHz-4000MHz频率分辨率100kHz输出功率< 0dBm回波损耗范围0.00-54.00dB（分辨率：0.01dB）驻波比范围0.00-65.00 （分辨率：0.01）撑和固定天线）和酒精棉等。
（3）工具，主要包括：裁纸刀、尖嘴钳子、斜口钳子、砂纸、挫、尺和电烙铁等。
实验一、半波偶极子天线的仿真设计
实验一、半波偶极子天线的仿真设计一、设计目标设计一个半波偶极子天线，其中心工作频率为3.0GHz左右，回波损耗S11的10dB带宽大于300MHz,并给出天线的仿真模型和仿真结果（S11、VSWR、Smith圆图、输入阻抗、E面增益方向图和三维增益方向图）。
二、设计步骤1、添加和定义设计变量：将天线的相应变量定义好，如图：2、创建偶极子天线模型先建立一个圆柱体模型，作为偶极子天线的一个对称臂，再利用复制操作，生成偶极子天线的另外一个对称臂，如图：并设定好坐标参数：3、设置端口激励将工作平面设置成YZ平面，并创建矩形激励：端口阻抗设为73.2ohm，积分线从下边缘中点到上边缘中点。
4、设置辐射边界条件先创建辐射边界的圆柱体（把当前工作面设置为xy平面），并把圆柱体的名称设置为“Rad_air”，材质设置为“air”，颜色设置为浅蓝色蓝，透明度（Transparent）设置为“0.8”，圆柱体底面的圆心坐标为（0mm，0mm，-rad_height），半径为rad_radius，高度为2*rad_height。
再设置辐射边界条件，选中该圆柱体模型，单击鼠标右键，选择【Assign Boundary】→【Radiation】命令，会弹出辐射边界条件的对话框，选择“Radiating Only”，单击OK按钮，把园柱体模型“Rad_air”的表面设置为辐射边界条件。
5、求解设置先设置求解频率和网格剖分，选择主菜单【HFSS】→【Analysis Setup】→【AddSolution Setup】命令,打开Solution Setup对话框;在该对话框中，SolutionFrequency项输入求解频率3.0GHz,Maximum Number of Passes项输入最大迭代次数20，Max Delta S项输入收敛误差0.02，其他保持默认设置不变，然后单击确定按钮，退出对话框，完成求解设置。
再设置扫频，选择主菜单【HFSS】→【Analysis Setup】→【Add Frequency Sweep】命令,会弹出Select a Solution Setup对话框，在该对话框中选择Setup1,单击OK按钮;随之会弹出Edit Frequency Sweep对话框,在该对话框中，Sweep Type项选择扫描类型为Fast;在Frequency Setup栏，Type项选择LinearStep;Start项输入2.5GHz;Stop项输入3.5GHz;Step项输入0.01GHz;其他项都保留默认设置不变，最后单击对话框确定按钮，完成设置，退出对话框。
天线实验报告(DOC)
实验一 半波振子天线的制作与测试一、实验目的1、掌握50欧姆同轴电缆与SMA 连接器的连接方法。
2、掌握半波振子天线的制作方法。
3、掌握使用“天馈线测试仪”测试天线VSWR 和回波损耗的方法。
4、掌握采用“天馈线测试仪” 测试电缆损耗的方法。
二、实验原理（1）天线阻抗带宽的测试 测试天线的反射系数（S 11），需要用到公式（1-1）：)ex p(||011θj Z Z Z Z S A A Γ=+-=（1-1）根据公式（1-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗Z A 接近于所要求的阻抗Z 0（匹配），在天线工程上，Z 0通常被规定为75Ω或者50Ω，本实验中取Z 0=50Ω。
天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR ）ρ以及回波损耗（Return Loss ，RL ）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（1-2）和（1-3）描述：||1||1Γ-Γ+=ρ（1-2）|)lg(|20Γ-=RL [dB]（1-3）对于不同要求的天线，对阻抗匹配的要求也不一样，该要求列于表1-1中。
表1-1 工程上对天线的不同要求（供参考）（2）同轴电缆的特性阻抗本实验采用50欧姆同轴电缆，其外皮和内芯为金属，中间填充聚四氟乙烯介质（相对介电常数 2.2r ε=）。
其特性阻抗计算公式如下：0b Z a ⎛⎫=⎪⎝⎭（1-4）式中 a ——内芯直径； b ——外皮内直径。
三、实验仪器（1）Anritsu S331D天馈线测试仪图1-1 Anritsu S331D天馈线测试仪表1-2 Anritsu S331D天馈线测试仪主要性能指标参数名称参数值频率范围25MHz-4000MHz频率分辨率100kHz输出功率< 0dBm回波损耗范围0.00-54.00dB（分辨率：0.01dB）驻波比范围0.00-65.00 （分辨率：0.01）撑和固定天线）和酒精棉等。
（3）工具，主要包括：裁纸刀、尖嘴钳子、斜口钳子、砂纸、挫、尺和电烙铁等。
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73.2Ω，为了达到良好的阻抗匹配，将负载阻抗也设置为73.2 Ω。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 rθϕθϕ=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 rθϕθϕ=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 θϕθϕθϕθϕ==式图1 方向图球坐标系式中，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。
通常采用两个互相垂直的平面方向图来表示。
（A ） E 平面所谓E 平面就是电场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面； （B ） H 平面所谓H 平面就是磁场强度矢量所在并包含最大辐射方向的平面。
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2所示。
用来描述方向图的参数通常有：图2 天线方向图的一般形状（A ）零功率点波瓣宽度（Beam Widthbetween FirstNulls,BWFN)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。
后（B ）半功率点波瓣宽度（HalfPower Beam Width, HPBW ）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。
（C ）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（D ）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。
（2）方向系数方向系数的定义是：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： 式中P r 、P r0分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。
无方向性天线本身的方向系数为1。
（3）天线效率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 ，即辐射功率与辐射电阻之间的联系公式为类似于辐射功率和辐射电阻之间的关系，也可将损耗功率P l 与损耗电阻R l 联系起来，即R l 是归算于电流I 的损耗电阻，这样一般来讲，损耗电阻的计算是比较困难的，但可由实验确定。
从式9可以看出，若要提高天线效率,必须尽可能地减小损耗电阻和提高辐射电阻。
通常，超短波和微波天线的效率很高，接近于1。
值得提出的是，这里定义的天线效率并未包含天线与传输线失配引起的反射损失，考虑到天线输入端的电压反射系数为Γ，则天线的总效率为η=(1-|Γ|2)ηA 式10（4）增益系数增益系数的定义是：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：,max2max2,max max 10lg20lg4av av SESLL dB SE==式2max max205r ro r ro P P P P E S D S E ====式6r A inP P η=式2172r r P I R =式2182l l P I R =式9r r A r l r lP R P P R R η==++式002max max211in in in in P P P P E S G S E ====式式中P in 、P in0分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。
理想无方向性天线本身的增益系数为1。
考虑到效率的定义，在有耗情况下，功率密度为无耗时的ηA 倍，式11可改写为由此可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。
在实际中，天线的最大增益系数是比方向系数更为重要的电参量，即使它们密切相关。
（5）天线的极化天线的极化(Polarization)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。
（6）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(Input 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：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。
有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，而无功功率则驻存在近区中。
天线的输入阻抗决定于天线的结构、工作频率以及周围环境的影响。
输入阻抗的计算是比较困难的，因为它需要准确地知道天线上的激励电流。
除了少数天线外，大多数天线的输入阻抗在工程中采用近似计算或实验测定。
（7）频带宽度天线的所有电参数都和工作频率有关。
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。
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。
通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线，例如引向天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如螺旋天线；绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。
3.2对称振子如图2所示，对称振子(Symmetrical Center ―Fed Dipole)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 。
对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。
图2 对称振子结构及坐标图00max max 0012in in r r A P P P P A S SG D S S ηη=====式13in in in in inU Z R jX I ==+式3.2.1 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2的坐标，并忽略振子损耗，则其形式为式中，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。
3.2.2 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。
由理论得知：此式说明，对称振子的辐射场仍为球面波；其极化方式仍为线极化；辐射场的方向性不仅与θ有关，也和振子的电长度有关。
根据方向函数的定义式5，对称振子以波腹电流归算的方向函数为()cos(cos )cos()()1660/sin m E kl kl f I r θθθθθ-==式上式实际上也就是对称振子E 面的方向函数；在对称振子的H 面（θ=90°的xOy 面）上，方向函数与φ无关，其方向图为圆。
在一定频率范围内工作的对称振子，为保持一定的方向性，一般要求最高工作频率时，l/λmin<0.7。
在所有对称振子中，半波振子(l=0.25λ,2l=0.5λ)最具有实用性，它广泛地应用于短波和超短波波段，它既可以作为独立天线使用，也可作为天线阵的阵元，还可用作微波波段天线的馈源。
将l =0.25λ代入式16可得半波振子的方向函数sin ()0()sin ()14sin ()0m m m I k l z z I z I k l z I k l z z -≥⎧⎪=-=⎨+<⎪⎩式60cos(cos )cos()()15sin jkrm I kl kl E j e θθθλθ--=式()F θ=0Ωl / λ图3 对称振子的方向系数与辐射电阻随一臂电长度变化的图形其E 面波瓣宽度为78°。