CAD天线设计 大作业——西电
西电CAD大作业微带
西安电子科技大学天线CAD大作业微带天线姓名：班级：学号：微带天线基本要求：工作频带1.1-1.2GHz，带内增益≥4.0dBi，VSWR≤2:1。
微波基板 =6.0 ，厚度H≤5mm，线极化。
总结设计思路和过程，给出具体介电常数为的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。
（80分）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。
（20分）一．微带天线1.结构与分类微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。
早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。
在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。
常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。
当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带振子天线。
长为L，宽为W2的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。
L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙a-a 和b-b，构成一二元缝阵，向外辐射。
另一类微带天线是微带缝隙天线。
它是把上述接地板刻出窗口即缝隙，而在介质基片的另一面印刷出微带线对缝隙馈电。
按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。
按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。
前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。
2.微带天线的性能微带天线一般应用在1～50GHz频率范围，特殊的天线也可用于几十兆赫。
和常用微波天线相比，有如下优点：(1)体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形(2)电性能多样化。
微带天线CAD1
微带天线CAD(1)一、微波传输线与微带天线§1.1 微波传输线传输线：同轴线(双导线)，波导，微带线天线：线天线喇叭天线微带天线所谓的传输线是传播微波能量的，天线是用来辐射能量的。
只要能传播微波能量，就能设计成专业的天线用来辐射能量！天线所辐射的能量就是来自于传输线，因此，将微波传输线的形状改变就能够设计成为天线！也正因为如此，每种传输线都对应于一系列的天线形式。
例如：用双导线和同轴线设计的线天线；用波导设计的喇叭天线以及抛物面天线；用微带线设计的微带天线，等等。
这里我们主要讲述微带天线的CAD。
§1.2 微带传输线微带线由一条宽度为w的导体带和背面有导体接地板的介质基片构成(如图1—1所示)。
导体带宽度为t，介质基片厚度为h，相对介电常数为rε。
ε=1 表示的是什么？空气介质！近年来，以空气为介质的微带天线在基r站天线中得到了广泛的应用，例如：西安华天。
微带线是一种开放线路，因此它的电磁场可无限延伸。
这样，微带线的场空间由两个不同介电常数的区域（由空气和介质)构成。
我们知道，只有填充均匀媒质的传输线才能传输单一的纯横向场——TEM 模。
现在由于空气—介质分界而的存在，使微带中的传输模是具有电场和磁场所有三个分量(包括纵向分量)的混合模。
不过，当频率较高，微带宽度w 和高度h 与波长可相比拟时，微带中可能出现波导型横向谐振模。
其最低模TEl0的截止波长为：(1-1)04h 是计入边缘效应后的等效宽度的延伸量。
（a ）(b)图1—1 微带传输线最低次TM 模（TM01）的截止波长为：（1-2）此外，微带线中还存在表面波。
最低次TM 型表面波（TM 0)的截止波长为∞，即其截止频率没有下限。
最低次TE 型表面波TE 0的截止波长：（1-3）上述波导模和表面波模称为微带的高次模。
为抑制高次模的出现，微带尺寸的选择需满足如下条件：亦即对应于最高的工作频率。
（为什么要抑制微带中的高次模？作业一） 微带传输线传输的是准TEM 模，其有两个主要持性参数：特性阻抗（characteristic impedance ）Z 0和沿线传输相速（亦即电磁波在介质中的传播速度）p v 或有效介电常数(effective dielectric constant )re ε。
天线CAD大作业微带天线设计
天线CAD大作业学院：电子工程学院专业：电子信息工程微带天线设计一、设计要求：（1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。
微波基板介电常数为r ε= 6，厚度H ≤5mm ，线极化。
总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。
（2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。
二、设计步骤计算天线几何尺寸微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为h=5mm,中心频率为f=1.15GHz,s m /103c8⨯=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则（1）辐射切片的宽度21)21(2-+=r f c w ε=69.72mm（2）有效介电常数21)121(2121r e-+-++=whr εεε=5.33（3）辐射缝隙的长度)8.0/)(258.0()264.0/)(3.0(h412.0+-++=∆h w e h w e L εε=2.20（4）辐射切片的长度L ef c L ∆-=22ε=52.10mm（5）同轴线馈电的位置L1 21)121(2121)(re -+-++=Lh r r L εεξ=5.20 )11(21reL L ξ-==14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：微带天线的HFSS设计模型如下：立体图俯视图模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。
介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。
对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。
使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。
天线技术课件(西电第二版)第9章
F( )
cos1
1
2
1
2
0.707
第 9 章 常用面式天线
1
d1
2
sin0.5H
1.86
相应的主瓣半功率张角为
20.5H
2 sin0.5H
1.18 弧度
d1
68
d1
20.5E
E平面第一副瓣电平为
51
d2
20lg 0.214 13.2dB
H平面第一副瓣电平为 20 lg0.071=-23 dB
2r
dy(1 cos )e jr
(9-1-6)
当φ为任意值时，可将电振子和磁振子分成两个分量，一个 与E平面平行，另一个与E平面相垂直。
第 9 章 常用面式天线 可以证明，对于如图9-3所示坐标系中的任意θ和任意φ方向，
电场强度同时具有θ和φ两个分量，如下列形式：
dE
j EOy dx
2r
dy
sin (1 cos )e jr
对于基本电振子，此平面为垂直于基本电振子轴的平面， 射线与振子轴所成之角度为90°，此平面为电流元的最大辐射 平面， 因此它在该平面上M点所产生的场强为
第 9 章 常用面式天线
dE1
j 60Idy e jr r
j 120HOx 2r
dx dy
e jr
j EOy dx
2r
dy e jr
(9-1-1)
当口面尺寸为有限，而M点离口面非常远时，可以认为口 面上各点到远区一点M的射线r１均与从原点O处发出的射线r相 平行， 因此积分式(8–1-13)内振幅项中的r1可写为r, 即认为
r1 r
但在计算相位因子e-jβr1时，必须考虑因r1与r的行程差而引 起的相位差所产生的影响。
天线CAD作业
作业
上机实验（期中成绩）
时间：Байду номын сангаас0小时
地点：新校区机房
教学方式：学生自主完成，教师现场答疑 教学目的：通过实例掌握电磁仿真软件 上机题目：任选一个习题（课程教学过程中的习题），使用 课堂介绍的电磁仿真软件（HFSS、CST、FEKO、IE3D等） 完成建模仿真全过程，整理并提交实验报告，总结使用技巧 及心得。
西安电子科技大学²电子工程学院
51
作业
文献翻译（期末成绩）
在IEEE/IEE上，自选一篇与天线设计相关的文献（尽可能 与课堂教学相关）并进行翻译。
西安电子科技大学²电子工程学院
西安电子科技大学²电子工程学院
50
作业
上机大作业（期末成绩）
3. 设计一付工作频率为1600±5MHz圆极化微带天线，微波 基板介电常数为2.2，厚度为1.5mm。要求带内增益大于 4.0dBi，VSWR小于2.0，轴比小于3dB。确定结构参数， 给出设计过程和设计结果（包括VSWR、方向图，轴比等指 标）。 最后，撰写报告（统一格式，包括封皮，总结课程学习心得）
西安电子科技大学²电子工程学院
49
作业
上机大作业（期末成绩）
时间：11月23日—12月25日, 12月26日提交
题目：（第3题必选，第1、2题选一）
1. 设计一付工作频率200-600MHz对数周期天线，要求带内 增益大于6.0dBi，VSWR小于2.0，确定结构参数，给出设 计过程和设计结果（包括VSWR、方向图） 。 2. 设计一付工作频率2.4-2.5GHz八木—宇田天线，要求带内 增益大于13.0dBi，VSWR小于2.0，确定结构参数，给出 设计过程和设计结果（包括VSWR、方向图）。
喇叭天线CAD6
(6-1)
3
天线 CAD
西安电子科技大学（尹应增） 2006 年秋
若考虑到损耗要小，b 应当小；但若考虑到传输功率要大，b 又应当大。综 合考虑抑制高次模、损耗小和传播功率大等因素，矩形波导截面尺寸—般选择：
(6-2) 波导尺寸确定后，其工作频率范围便可确定。为使损耗不大，并不出现高次 模，其工作波长范围取：
图613narda微波公司的x波段标准增益喇叭天线天线cad西安电子科技大学尹应增20062113圆形波导辐射器圆形波导辐射器如图615所示为圆波导半径圆形波导通常传输主模h11开口面上的口径场可以写利用口径场积分可以求出圆形波导辐射器的远区场表达式
天线 CAD
西安电子科技大学（尹应增） 2006 年秋
综上所述，矩形波导辐射器的设计就是依据给定的工作频率 f ，选取波导 尺寸，然后根据上面的公式就可以计算出远区辐射场的方向图，并进一步计算出 其增益。其次，从这一过程看到，口径天线的基本分析过程就是先确定口径场， 然后再计算远场。最后，通常情况下，可以将具有矩形口径的平面阵列天线作为 矩形口径天线来等效。只是在估算增益时，其口径效率按 50%计算即可。
矩形口径的方向性系数 D 可以表示为：
(6-6b)
(6-7) 其中 ei = 8 / π 2 =0.81，称为口径效率；A 为口径面积。在面天线中，通常将方 向性系数就认为是天线的增益。
图 6-4 中给出了矩形波导辐射器的 H 平面和 E 平面功率方向图。图中实线 表示开口处反射系数为零时的计算值，虚线表示计入反射系数时的计算值，小圆 图表示测量值。波导尺寸 a = 0.71λ ， b = 0.32λ 。从图可见在θ 角度不大的范围 内，两条理论曲线和测量结果相当符合。θ 很大时，理论计算和测量结果相差较 大。这主要是由于计算方法或数值模型的误差造成的，足以可以在工程上应用。
天线CAD课件(NEC)word精品文档25页
§1 NEC (Numerical Electromagnetic Code，数值电磁代码) §1.1 简介（Introduction）NEC全称Numerical Electromagnetic Code（数值电磁代码），是由美国加利福尼亚的劳伦斯&利沃诺实验室创建的。
NEC是基于电场积分方程（EFIE）和磁场积分方程（MFIE）进行矩量法计算的，计算出天线上各段的电流分布，从而得到天线的近场场强和远场的方向图及天线的输入阻抗、极化、轴比等电特性。
§1.2 NEC的分类NEC软件包括：NEC2、4NEC2（NEC4）、Super NEC、Expert MININEC等。
NEC软件都是基于EFIE和MFIE积分方程，进行求解天线电特性的，这些软件能够分析位于自由空间或无限大地面上的任意直导线组成的细线天线。
细线假设包括：1)线半径远小于工作波长和线长（a<<λ，a<<l）;2)分段（每一小段）的长度均大于线半径（a∆），因此认为天>线上只有轴向电流，而没有环向电流。
§1.3 NEC软件的介绍下面主要介绍NEC2和4NEC2的应用。
§1.3.1 NEC2的应用NEC2又称卡片式NEC，NEC2的程序主要由一些卡片参数控制，并且这些程序以文本的格式保存，比如保存为：*.nec的格式。
NEC2的计算引擎是FORTRAN 90编译器，它采用三角形函数为基函数的伽略金矩量法（Galerking’s Procedure of Moment Method）。
从使用者的观点看，NEC2有三个主要的部分：1.使用者能够把描述天线结构的文本文件转换为模拟天线结构的数据。
2.建立计算子，并用EFIE方程计算得到需要的参数。
3.结果以文本文件的形式输出，里面包含天线的结构描述、特定几何结构的分析结果和需要的天线电性能参数。
下面具体介绍一下NEC2的用法：1.CM简单描述所创建的天线结构；2.CE输入的天线结构的总描述行，起着把天线的结构参数送进NEC 的软件中；3.GW一连串段来描述一直线GW tag segs x1 y1 z1 x2 y2 z2 radiusTag：所画物理结构直线的号码；Segs：直线分的段数；X1,y1,z1;x2,y2,z2代表直线的起始坐标和终点坐标；Radius：代表所画直线的半径。
天线技术 课件(西电第二版)第4章
2! x
4!
6!
x
du x
1 5
0
3!
5!
第 3 章 对称天线、折合天线和单极天线
3． 对称天线的输入阻抗
1） 特性阻抗 由传输线理论知，平行均匀双导线传输线的特性阻抗沿线 是不变化的， 它的值为
Z 0 120 ln D a
式中: D为两导线间距；a为导线半径。而对称振子两臂上对应 线段之间的距离是变化的，如图 3-7所示，因而其特性阻抗沿线
[cos( l cos ) cos( l )] sin
2
d
(3- 1-15)
0
积分过程很复杂，结果如下： RΣ=30［2(C+ln(2βl)-Ci(2)βl)+sin2βl(Si(4)βl-2Si(2)βl) +cos2βl(C+ln(βl)+Ci(4)βl-2Ci(2)βl)］
F ( , ) cos( l cos ) cos( l ) sin
第 3 章 对称天线、折合天线和单极天线 方向性函数F（θ，φ）不含φ，这表明对称振子的辐射场与φ 无关，也就是说对称振子在与它垂直的平面（H面时，方向图是一个圆，且与天线
另 外 ， 由 图 3-4 可 以 看 出 ， 对 远 区 场 而 言 ， 可 以 认 为
θ1=θ2=θ0，并假设它等于θ，则有
r1=r0-z cosθ 上臂(z>0)
r2=r0+z cosθ 下臂(z<0) 所以式(3- 1-5）可写成
E j 60 I m r0 e
j r0
(3- 1-6)
式中: C=0.5772为欧拉常数； Ci(x)和Si(x)分别为余弦积分和正弦
微带天线CAD4
微带天线CAD (4)一、 宽频带微带天线技术与基站天线的设计1.1微带天线的宽频带技术1.1.1 引言为适应日益发展的广泛应用的需要，微带天线现在不但已发展了多种多样的宽频带技术，并且已产生了众多有效的宽频带技术和多频段工作方式。
同时，也发展了宽频带的馈电方法，其应用也越来越广泛。
宽频带微带天线在无线领域中有重要作用，特别移动通信中得到了广泛的应用。
作为移动通信中的基站天线，已经研发出重量轻、体积小，成本低的宽频带基站用的微带天线。
随着移动通信的发展，对移动通信天线设计师还有更进一步的要求。
众所周知，高明的天线设计会使天线产生另外的系统功能，例如分集接收能力来降低多路径衰落，或极化持性的选择功能等----双极化天线。
因此，移动通信天线设计不再局限于在轮廓分明的平坦基面上实现小型化、轻重量、薄剖面或平嵌安装的全向天线，而是建立一个复杂的电磁结构，使其在信号处理中发挥重要作用，并通常在不确定的时间变化环境中工作-----智能天线。
目前，国内用的基站天线的工作频率范围大多在：806 ~ 870MHz；824 ~ 896MHz；806~896MHz ，1710 ~ 1920MHz；1885 ~ 1990MHz；1710~1990MHz，1880~1930MHz，UMTS天线 (1920~2170MHz)。
对于一般的基站天线，一般不外乎要求高增益、宽频带。
为了保证基地站天线能同时同许多移动站进行通信，必须采用多信道，这就要求具有宽带特性和分路及(或)合成信道功能。
按照无线电规则的安排，800MHz 陆地移动通信的频带范围为810 ~ 960MHz 。
为了用一副天线覆盖整个频带，就需要17％的相对带宽。
当天线既发射又接收时，就会产生无源交调，因而增加干扰。
其次，为了保证基地站与业务区域内的移动站之间的通信，在业务区域内，无线电波的能量必须均匀辐射，并且天线增益应尽可能高。
由于业务区域的宽度是已经确定了的，所以不能通过水平面的波束宽度来提高天线的增益，只能通过变窄垂直面的波束宽度来提高天线增益。
西电天线CAD大作业
圆极化微带天线1设计要求设计一付工作频率为1200±5MHz圆极化微带天线，微波基板介电常数为2.2，厚度为1.5mm。
要求带内增益大于4.0dBi，VSWR小于2.0，轴比小于3dB。
确定结构参数，给出设计过程和设计结果（包括VSWR、方向图，轴比等指标）。
2设计分析2.1设计原理微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型，当馈电点位于贴片的对角线上时，天线中可以同时维持TM01和TM10模，两种主模同相且极化正交，结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。
此次仿真就是采用方形切角微带天线来实现圆极化波的。
2.2参数设置方形切角微带天线结构示意图如下：由公式(式中c为光速)，带入工作频率1.2GHz，得到W=98.821mm。
取L=W，取馈电点位置(馈电点中心到原点距离)L1=0.15*W=14.823mm。
切角边长Qie=10mm。
介质基板边长为2W，地板设为正方形边长为2W。
2.3初步建立模型利用HFSS建立模型，得到如图：2.4初步仿真仿真结果如下：S11曲线：输入阻抗：由图可见，很明显谐振频率不在1.2GHz。
输入阻抗约9Ω，也与同轴线50Ω不匹配。
故上述指标需要进一步优化。
2.5参数优化2.5.1 对W优化由理论分析可知，矩形微带天线谐振频率主要由辐射贴片的长度决定，谐振频率随着贴片长度的缩短而变大。
故设置优化扫描项，对W进行扫描优化，如图所示：可见，当W=82mm时，天线谐振在了1.2GHz。
2.5.2 对L1优化又由理论分析可知，矩形微带天线的输入阻抗主要由馈电点的位置决定，当馈电点从辐射贴片中心往边缘移动时，即当L1增大时，输入阻抗也随之变大。
同对W的优化操作一样，对L1进行扫描，观察可以达到匹配的L1的值，得到匹配时L1=16.4mm。
2.5.3对其他项优化及最后结果通过以上优化，得到了满足谐振频率和输入阻抗的两个设计值，取W=82mm，L1=16.4mm。
微带天线CAD3
微带天线CAD (3)一、 圆极化微带天线的设计1.1微带天线的圆极化技术1.1.1 引言为适应日益发展的广泛应用的需要，微带天线现在不但已发展了多种多样的圆极化技术，并且已产生了众多有效的宽频带技术和多频段工作方式，同时也发展了宽频带的馈电方法。
此外，在方向图控制和介质覆盖技术等方面也都有了新的发展。
下面，将依次对这些新技术及其CAD加以介绍。
这里首先介绍微带天线的圆极化技术。
圆极化微带天线在无线领域中有重要作用。
特别航天飞行器中，由于航天器位置姿态不固定，它们的通讯测控设备都要求共形的，重量轻、体积小，又成本低的圆极化天线。
圆极化微带天线是能满足这些要求的比较理想的天线形式之一，并得到了广泛的应用。
1.1.2 圆极化天线原理和特性参数辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线，圆极化波具有以下重要性质：1) 圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。
即沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。
若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为LHCP(LHCP—Left Hand Circular polarization)；若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋圆极化波，记为RHCP(RHCP—Right Hand Circular Polarization)。
2) 一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。
由此，实现圆极化天线的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等、相位相差900。
3) 任意极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波。
作为特例，一个线极化波可分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。
因此，其他任意极化的来波都可由圆极化天线收到；反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可由其他任意极化的天线收到，这正是在电子侦察和干扰等应用中普遍采用圆极化工作的原因。
4) 天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波；反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波，这称为圆极化天线的旋向正交性。
天线CAD大作业
圆极化微带天线的仿真设计要求设计一付工作频率为1200±5MHz圆极化微带天线，微波基板介电常数为2.2，厚度为1.5mm。
要求带内增益大于4.0dBi，VSWR小于2.0，轴比小于3dB。
设计步骤1.计算天线的尺寸微带天线的介质基片采用厚度为1.5mm的Neltec NY9220（Im），介质的介电常数ε=2.2，由公式可以计算出天线的辐射贴片的宽度和长度，以及有效介电常数的等效缝隙宽度。
此次大作业的原始天线数据，我是采用的《HFSS天线设计》第四章中的微带天线的设计实例中的数据首先进行仿真。
2. HFSS仿真设计参照《HFSS天线设计》第四章中的微带天线的设计，采用的书中例题的原始数据，再根据设计的要求，逐步优化得到想要的设计要求。
创建的天线仿真仿真模型如图3.仿真数据的分析在使用书中例题的数据进行优化的同时，发现了天线的谐振频率随着Lc的增加而减小，经过优化，分析后得出，Lc的值在82mm的时候，能基本满足设计要求得1.2GHz的谐振频率，得到的其他的结构参数如图4.初步的仿真结果一．天线的方向图从方向图中可以看出，带内的最大增益达到了6dB,能达到设计要求的条件二．电压驻波比设计要求的电压驻波比是小与2，然而设计经过优化始终得到的只是略大于2的值三．轴比的分析设计按照书中给出的例子，在进行仿真，数据分析后得到的轴比远远不能达到设计的要求始终高于要求的3dB，一度达到了9dB通过上网查资料，得知，想要实现圆极化，必须满足轴比小于3dB的要求，于是对原先的设计进行了切角设计，相应的也改变了馈源的位置，于是得到了如下的天线设计得到的圆极化天线基本满足了轴比小于3dB八木—宇田天线设计要求设计一付工作频率2.4-2.5GHz八木—宇田天线，要求带内增益大于13.0dBi，VSWR小于2.0设计步骤1．八木天线的设计包括振子尺寸的设计和优化和平衡不平衡转换设计。
首先是振子尺寸的设计和优化。
天线技术课件西电第二版第5章
即
E ? 2E0
（5-1-2）
由式（5-1-2）可以得出结论：在输入功率相同的条件下，
远区M点所得到的场强，二元阵比单个振子时增强了 n 倍。同
理可以证明： 若功率不变， 将能量分配到n个振子上，则场强
将增加为n倍，即 E ? nE0 。
第 5章 阵列天线(天线阵)
Ⅰ?
r1
N
d
M
r2
Ⅱ?
dcos ?
? f2(?
)
?e?
j? r2
因此，在远区M点的合成场强为： E=E 1+E2, 即
? ? E ?
j
60 I1m r1
?
f1(?
)
?e?
j? r1
1?
me j(?
? ?d cos?
)
? E1 ?(1 ? me j(? ) ? ?d cos? )
? E1(1 ? me j(? ) ? ?d cos? ) ? E1(1 ? me j? )
第 5章 阵列天线(天线阵) 2．方向性增强原理
N
?
M r0
Ⅰ 图5-2 天线单元
第 5章 阵列天线(天线阵)
振子Ⅰ的输入功率为PA、输入电阻为PA ，则输入电流为
IA ?
2 PA RA
(5-1-1)
在与振子轴垂直而相距r0的M点的场强E0，与输入电流成正 比例关系（参考式 (3-1-7)）。我们把它写成 E0=AIA，其中,A是 一个与电流无关的比例系数。 将式（4 - 1-1）代入得
图5-3 两个天线单元构成的二元阵
第 5章 阵列天线(天线阵)
应当注意的是，电场增强为 倍只是对正前方M点而言， 在其他方向上就要具体分析了。如果讨论图5-3的N点方向， 当 两射线的行程差为d cosθ=λ/2 时，其引起的相位差将为π， 这表 示两振子到达该点的场强等值反相，合成场为零。所以说把能 量分配到各振子上去以后，方向性可以增强的根本原因是由于 各振子的场在空间相互干涉，结果使某些方向的辐射增强， 另 一些方向的辐射减弱，从而使主瓣变窄。
天线技术 (西电第二版)第6章
L4
…
振
子
反射器 馈电电缆
支 撑 杆
引向器
LA
LN－ 1 LN 最大辐射方向
图 6-1 引向天线的结构
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第 6章 常 用 线 天 线 引向天线的最大辐射方向在垂直于各振子方向上，且由有 源振子指向引向器，所以，它是一种端射式天线阵。 引向天线的优点是：结构简单、牢固，馈电方便，易于操 作，成本低，风载小，方向性较强，体积小。 引向天线的主要缺点是： 工作频带窄。
第 6章 常 用 线 天 线
第6章 常用线天线
6.1 引向天线和高增益引向天线——电视接收天线 6.2 电视发射天线 6.3 移动通信基站天线 6.4 智能天线
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第 6章 常 用 线 天 线
6.1 引向天线和高增益引向天线——电视接收天线
6.1.1 引向天线的组成结构
L 0
L
1
有 源
L2
L3
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第 6章 常 用 线 天 线
1
2
M
d co s
r1 r2
2l1
2 l 2 I2 ＝ m I1 e j
I1 d
图 6-2 二元阵
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第 6章 常 用 线 天 线 图6-2表示由两个平行的半波振子构成的二元阵，其中, 振 子1为有源振子，振子2为无源振子。虽然振子2没有直接的激励， 但邻近振子1的辐射将使它产生感应电流，同样也产生辐射作用。
阵的合成场和方向性，使二元阵在其赤道面内呈现不同的方向
图。调节无源振子的电流，即m和ψ，使方向图主瓣指向有源振
子一方，就称此无源振子为无源反射器；若方向图主瓣指向无 源振子一方就称此无源振子为引向器。
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微带天线CAD2
微带天线CAD (2)一、 微带天线CAD微带天线可以单独使用，也可以作为阵列的一部分而同其它相同的单元组合使用。
无论哪种情况，设计者均应掌握微带天线单元的详细设计步骤。
要设计微带天线，首先是要认识或了解微带天线。
通常情况下，微带天线有如下特性：1) 贴片的尺寸接近于半波长（2/g λ， 介质中的波长），包括单层或多层。
2) 工作于主模的微带天线，沿谐振长度的方向，输入阻抗在贴片的边缘为最大，在贴片中心为零。
因此，改变馈电点的位置可以实现与馈线特性阻抗的匹配。
也正因为如此，通常可以在贴片的中心采用金属支撑，并可以起到直流接地的作用。
一般地有：式中0in R 为侧馈时的输入阻抗，0Y 是背馈点离侧馈边的距离。
于是，可以用实验方法方便地在某一个0Y 处实现与50欧姆馈电线的匹配，省去了阻抗变换器。
当微带天线作为独立天线应用时，背馈方式是常被采用的，而当它作为单片微带天线的阵元时，又势必采用侧馈。
(无论是对何种贴片天线，总有这样的等效特性)。
3) 由于微带天线一般都带有无限大的金属接地板，所以它具有定向的辐射方向图。
当地板的尺寸减小时，其后向辐射增强。
4) 单层微带天线单元的增益一般在3 ~ 8dB 左右，与天线的体积有关！双层或多层微带天线单元的增益可以达到9dB 。
（实际上，这与无限大金属地板上的水平对称镇子天线的增益相当！）5) 单层微带天线单元的带宽一般在1 ~ 5%左右，与天线的体积有关！双层或多层微带天线单元的带宽可以达到30 ~ 60% 。
6) 天线的极化：通常是线极化工作，可以方便地实现圆极化工作。
在这里我们将主要讲述常规微带天线的CAD，并提供如下相应的计算程序。
下面就讲述微带天线的设计以及设计程序的具体应用。
二、 微带天线CAD2.1 矩形微带天线的基本设计公式矩形微带天线的结构及常用的馈电形式如图2.1所示。
其主要参数有：辐射元长度L ，辐射元宽度W 。
介质板厚度h ，介质板的长度LG 和宽度WG ，介质的相对介电常数r ε和损耗角正切值δtg 。
2017年西电电院微波技术与天线大作业
微波技术与天线大作业题目微波技术与天线大作业学院电子工程学院姓名学号大作业中心位于（0.3λ,0,0）和（-0.3λ,0,0）的两个半波对称报子，沿y轴取向（如图）组成二元线阵，设两报子等幅同相馈电，在Z=-λ/4处有一个理想导电平面，求此线阵的辐射方向图及线阵的增益，用MATLAB编程绘出住平面及立体方向图，并计算增益。
一、设计方案在xyz平面内，我们设方向函数与Y轴夹角γ，与X轴的夹角为θ，在yoz平面上的投影与y轴的夹角为φ，则单个的半波对称阵子的方向函数为：因为两个半波对称阵子组成二元天线阵，由于两个阵子等幅同相，且两个阵子之间的距离d=0.6λ，所以直线阵的阵因子为：在Z=-λ/4平面上有一理想导体平面根据镜像对称原理，可以看成原二元天线阵在距离理想地面高度为-λ/4，其地因子为：故可得：二、MATLAB程序代码如下：clear all;clc;theta=(0:pi/100:pi);phi=0:pi/100:pi;for m=1:length(theta)for n=1:length(phi)E(m,n)=cos(pi/2*sin(theta(m))*cos(phi(n)))/(sqrt(1-(cos(phi(n) )*sin(theta(m)))^2))*2*cos(0.6*pi*cos(theta(m)))*2*sin(0.5*pi* sin(theta(m))*sin(phi(n)));z(m,n)=abs(E(m,n))*sin(theta(m))*cos(phi(n));x(m,n)=abs(E(m,n))*sin(theta(m))*sin(phi(n));y(m,n)=abs(E(m,n))*cos(theta(m));endendfigure(1);mesh(x,y,z);xlabel('z');ylabel('x');zlabel('y');figure(2);polar(theta,abs(E(:,51)'));title('H面');figure(3);polar(phi,abs(E(51,:)));title('E面');三、结果截图如下：立体方向图四、结果分析：则该天线的增益为：。
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天线CAD大作业
班级：021114
学号：02111362
姓名：
八木—宇田天线
基本要求：
工作频带2.4-2.5GHz，带内增益≥11.0dBi，VSWR≤2:1，考虑平衡—不平衡馈电问题。
总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR、方向图等。
（80分）
拓展要求：
检索文献，学习并理解展宽八木-宇田天线带宽的方法，尝试将工作频带扩至2.3-2.69GHz，总结设计经验。
（20分）
原理：
八木-宇田天线是由一个有源振子（一般用折合振子）、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线。
单个半波振子在子午面上有两个最大辐射方向，而在赤道面上为均匀辐射。
为了提高增益和获得单向辐射，可在半波振子的前后平行放置引向器和反射器。
一个由两个对称振子平行排列的二元天线阵，只要适当调整它们之间的距离和激励电流的关系，就可使它们共同产生的辐射在两振子中心连线的某一方向增强，而在相反方向减弱甚至完全抵消。
假定其中一个振子为主振子，另一为附加振子，当附加振子的作用是将主振子的最大辐射方向引到自己的方向时,这一附加振子称为引向器,反之称为反射器。
附加振子可以是有源的，也可以是无源的。
八木-宇田天线的引向器和反射器都是无源的,统称为寄生振子。
寄生振子上的电流大小和相位决定于振子的间距和寄生振子的电抗，后者可通过改变它的长度或串入一可变电抗加以调整。
欲使寄生振子成为引向器，它的输入阻抗应为容性，长度应小于半波长。
反之，反射器的输入阻抗应为感性，长度应大于半波长。
有源振子的长度通常取其第一个谐振长度，约0.48λ，反射器与有源振子之间的距离约为0.15～0.25λ，引向器与有源振子之间的距离约为0.1～0.35λ。
反射器一般只需要一个，因为它后面的场强已经很弱，再增加反射器作用也不大，而增加引向器的数目，天线的轴向长度亦随之增加,可以提高天线的增益、减小主瓣宽度。
元数很多的长八木天线实质上是一个端射式表面波行波天线。
设计分析:
八木天线设计参量主要包括：反射振子长度，有源振子长度，引向振子长度，反射阵子与有源振子间距，引向振子与有源振子间距，引向振子间距。
参看经验公式，初步确定各项参数如下：
反射振子长度：0.55*λ有源振子长度：0.47*λ
引向振子长度：0.44*λ（各个引向振子等长）反射阵子与有源振子间距：0.2*λ
引向振子与有源振子间距：0.16*λ引向振子1和2间距：0.25*λ
引向振子2和3间距：0.35*λ引向振子3和4间距：0.32*λ
引向振子4和5间距：0.33*λ引向振子5和6间距：0.42*λ
引向振子6和7间距：0.43*λ
即N=9的八木天线，将数据带入Matlab程序验证，结果如下:
从结果可以看出，增益为13.56dB满足设计要求。
故按照以上设计参数进行仿真
建模仿真:
本次仿真采用FEKO软件进行，添加设计变量，画图建模，添加激励，最后给出计算场。
得到模型如下：
运行仿真，增益结果如下图:
可以看到增益约为11dB，不满足设计要求，故改变模型设置，由书中介绍了解到，增加振子元数可以有效提升增益，故做出如下改动：
增加一个振子名为振子8，振子长度为0.44*λ，与前一振子间距为0.43*λ，得到效果图如下：
进行仿真，得到结果如下：
驻波比：
如图所示：增益为13.37dB，驻波比在谐振频率处为1.26，满足设计要求。
小结:
通过以上对八木天线的设计仿真，我发现八木天线的设计大多依赖经验公式，由于天线阵辐射电流计算复杂，故运用经验指标可以大大节省设计时间。
在第一次对模型进行仿真时，结果并不与Matlab计算结果完全相符，可见Matlab是一种趋于理想的算法，而在FEKO
中则会考虑到更多诸如边界条件，振子材质等等因素，这点突出了理论与实践相结合的必要性。
同时未能将模型制作成实体，也是一种遗憾，希望以后有机会制作一个实体，加深对于天线的认知。