螺旋天线的仿真设计微波课设
理工大学现代科技学院
课程设计任务书
指导教师签名：日期：
专业班级 学号 成绩 一、设计题目 螺旋天线的仿真设计 二、设计目的 （1）熟悉Ansoft HFSS 软件的使用。 （2）学会螺旋天线的仿真设计方法。 （3）完成螺旋天线的仿真设计，并查看S 参数以及场分布。 三、实验原理 螺旋天线（helical antenna ）是一种具有螺旋形状的天线。它由导电性能良好的金属螺旋线 组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地 的金属网（或板）相连接，该版即为接地板。螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。当 螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一 个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。 四、设计要求 设计一个右手圆极化螺旋天线，要求工作频率为4G ，分析其远区场辐射特性以及S 曲线。 本设计参数为：螺旋天线的中心频率 f=4GHz ， λ=75mm ；
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螺旋导体的半径 d=0.15λ=11.25mm ； 螺旋线导线的半径 a=0.5mm ； 螺距 s=0.25λ=18,75mm ； 圈数 N=3； 轴向长度 l=Ns ； 五、设计仿真步骤 在HFSS 建立的模型中，关键是画出螺旋线模型。画螺旋线，现说明螺旋线模型的创建。 1、建立新的工程 运行HFSS ，点击菜单栏中的Project>Insert Hfss Dessign ，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type 。 （2）在弹出的Solution Type 窗口中 （a ）选择Driven Modal 。 （b ）点击OK 按钮。 3、设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units 。 （2）设置模型单位： （a ）在设置单位窗口中选择：mm 。 （b ）点击OK 按钮。 4、设置模型的默认材料 在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select ，在设置材料窗口中选择copper （铜）材料， 点击OK 按钮（确定）确认。 5、创建螺旋天线模型 （1）创建螺旋线Helix 。 在菜单中点击Draw>Circle,输入圆的中心坐标。X:11.25 Y:0 Z:0 ,按回车键结束。输入圆的 半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 按回车键结束输入。在特性（Porperties ）窗口中将Axis 改为Y 。点击确认。在历史操作树中选中该circle 。在菜单键点击Draw>Helix ，在右下角的输入栏中
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输入X:0 Y:0 Z:-7.5，按回车键结束输入；在右下角的输入栏中输入dX:0 dY:0 dZ;50；按回 车键；在弹出的Helix 窗口中，Turn Directions:Right Hand Pitch:18.75(mm) Tuns:3; Radius change per Turn:0点击OK 。在特性窗口中选择Attribute 标签，将名字改为Helix 。 （2）建立螺旋天线与同轴线相连的连接杆ring 。 在菜单中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。输入坐标为X:11.25，Y:0 Z;0 ，按回车键结束 输入。输入半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 ，按回车键结束输入，输入圆柱长度dX;0 dY:0 dZ:-3,按回 车键结束输入。在特性窗口中选择Attribute 选项卡，将名字改为ring ，点击确定。 （3）创建球体Sphere1。 为了把Helix 和ring 连接起来，创建一个球体Sphere1，点击Draw>Sphere,输入球心坐标X:22.5 Y:0 Z:0；按回车键结束输入。输入球体半径，dX:0.5 dY:0 dZ:0；在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为Sphere1。 （4）将Helix 、ring 和Sphere1结合起来。在菜单栏中点击Edit>Select>By Name ，在弹出的窗口中利用Ctrl 键选择ring ，Helix 和Sphere 。在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Unite 。点击OK 结束。形成的模型如下图2所示。 图2、螺旋线模型
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6、建立同轴线馈线。
（1）在菜单栏中点击Draw>Cylider ，创建圆柱模型。在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：X ： 11.25，Y ：0，Z ：-3按回车键结束输入。在坐标栏中输入圆柱半径：dX ：4，dY ：0，dZ ：0按回车键结束输入。在坐标输入栏中输入圆柱的长度：dX ：0，dY ：0，dZ ：-7按回车键结束输入。在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为ringout 。 （2）在菜单栏中点击Draw>Cylider ，创建圆柱模型。在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：X ： 11.25，Y ：0，Z ：-3按回车键结束输入。在坐标栏中输入圆柱半径：dX ：3.95，dY ：0，dZ ：0按回车键结束输入。在坐标输入栏中输入圆柱的长度：dX ：0，dY ：0，dZ ：-7按回车键结束输入。在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为ringin 。 （3）在菜单栏中点击Edit>Select>By Name ，在弹出的窗口中利用Ctrl 键选择ringout ，ringin 。在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Subtract ，在Subtract 窗口中作如下设置：Blank Parts:ringout,Tool Parts:ringin,Clone tool objects before subtract 复选框不选。点击OK 结束设置。 （4）创建导体ringcenter 。在菜单栏中点击Draw>Cylider ，创建圆柱模型。在坐标栏中输入圆柱中心点的坐标：X ：11.25，Y ：0，Z ：-3按回车键结束输入。在坐标栏中输入圆柱半径：dX ：0.5，dY ：0，dZ ：0按回车键结束输入。在坐标输入栏中输入圆柱的长度：dX ：0，dY ：0，dZ ：-7按回车键结束输入。在特性（Property ）窗口中选择Attribute 标签，将该圆柱的名字改为ringcenter 。 （5）在菜单栏中点击Edit>Select>By Name ，在弹出的窗口中利用Ctrl 键选择Helix 和ringcenter 。在菜单栏中点击3Dmodeler>Boolean>Unite 。点击OK 结束。 7、建立接地板 （1）在菜单栏中点击 DrawCircle ，创建圆模型。在坐标输入栏中输入圆中心坐标：X ：11.25，Y ：0，Z ：-3 按回车键结束输入。在坐输入栏中输入圆的半径：dx ：37.5,dy:0,dz:0 按回车键结束输入。在特性（property ）窗口中选择 attribute 标签，将圆柱的名字修改为 groundplane.2在菜单栏中点击 DrawCircle ，创建圆模型。在坐标输入栏中输入圆中心坐标：X ：11.25 Y ：0 Z ：_3 按回车键结束输入。 在坐输入栏中输入圆的半径： dX:1,dy:0,dz:0 按回车键结束输入。（3）在菜单栏中点击 editselectby name ，在弹出的窗口中利用 ctrl 键选择groundplanecircle ，在菜单栏中点击 3DmodelerBooleansbstract ，在 substract 窗口中 ……
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微波技术与天线实验10利用HFSS仿真对称振子阵列天线
一实验目的 1 学会使用Ansoft软件hfss工具包分析阵列天线的基本步骤。 2 计算四元阵的方向图，并观察馈电电压相位改变时方向图的变化。 图0 对称振子四元阵 二实验原理及步骤 1、建立天线模型 按照教材P199图5.2-17给出的四元阵的示意图，计算出天线各单元的尺寸和坐标位置，建立模型进行仿真（如图0）。 工作频率为3GHz，波长lbd=100mm。四分之一波长振子单臂长度l0=lbd/4=25mm, 阵列单元间距d=lbd/250mm，各振子臂为以z轴各为轴的圆柱体，模型如表1。其中r0=1mm，l0= 25mm，d=50mm。 表1 振子模型
各振子的激励加在矩形平面上（平行于yz面），模型如表2。 表2 激励源模型 Airbox为立方体，顶点坐标为(-lbd/4-r0, -lbd/4-r0, -lbd/4- l0-0.5mm)，尺寸为xsize=2*(lbd/4+r0), ysize=2*lbd/4+4*r0+3*d，zsize=2*(lbd/4+l0+0.5mm)。其中lbd=100 mm，材料为vaccum，边界条件为radiation。 2、设置频率3GHz，运行计算。 3、设置立体角度 在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Radiation，点击鼠标右键，选择Inser Farm Field Setup>Infinite Sphere，出现远场辐射球设置界面“Far Field Radiation Sphere”，设置如图1，点击确定。
图1 远场辐射球设置界面 4、仿真结果 （1）等幅同相激励 选择project manger窗口中的Field Overlays，点击鼠标右键Edit Source，按照图2所示设置各端口的激励源，等幅同相激励。
最新《微波技术与天线》傅文斌-习题答案-第2章
第2章 微波传输线 2.1什么是长线？如何区分长线和短线？举例说明。 答 长线是指几何长度大于或接近于相波长的传输线。工程上常将1.0>l 的传输线视为长线，将 1.0 一般成品螺旋天线都用导电性能良好的金属线绕成并密封好,其工作原理下： 图1 所示一般天线结构示意图。D是螺旋天线直径，L是螺旋天线长度，ρ是螺距，Ⅰ、Ⅱ是螺旋线上相对应两点。 一般可以认为，电磁波沿金属螺旋线以光速C作匀速运动。 从Ⅰ点到Ⅱ点即进行一个螺旋，所需时间为 t = πD/C 而对螺旋天线而言，其轴向电磁波只运动行进了一个螺距ρ，其轴向等效速率 υ=ρ/t =ρ/C (πD) 这种关系也可用图2形式解释。由图2可知： υ=Csinθ=Cρ/（πD）≤C 由上式可以看出，υ总是小于等于C的。故螺旋天线能使电磁波运动速度减慢，是一个慢波系统，其等效波长λ等效小于工作波长λ。对于螺旋天线而言，应谐振于其1/4等效波长，因而能缩短螺旋天线的几何长度。 对于工作于一定中心频率的通讯机来说，其所需绕的线圈数N可以由下式近似算出： 螺距：υ=L/N 所需金属线长度：ι=NπD 对于一般通讯机可取 L=20~40cm D=10~20mm 下表是对一些常用频率螺旋天线的设计实例，其他频率也可类似设计。 f是工作中心频率； D是螺旋天线直径； L是螺旋天线长度； N是螺旋圈数； ι是所需金属线长度。 以上N、ρ为了实际制作需要均取近似值。 制作时可用直径0.5~1.5mm漆包线或镀银铜线或铝线在直径为D的有机玻璃或其他绝缘材料上绕制，并在棒的两头打上小孔，以利于固定金属线；在棒的底端焊上较粗的金属杆或插头固定在棒上，以利于与机器连接；整个螺旋天线的外面可用橡胶管或其他材料套封，并在顶端盖上橡皮帽或用其他材料密封，这样既美观大方，又防雨防蚀，经久耐用。如果没有上述金属丝，也可采用多股细绝缘导线代替，效果相同，只是绕制时固定较为困难。 以上螺旋天线也可用于各种小型遥控设备及其他类似机器上。 为了比较慢波天线与常规拉杆天线的不同，说明慢波天线尺寸较小的优点，我们可对拉杆天线作一计算。 设定参数如下： 一种小型平面螺旋天线 龙小专1 袁飞2 （西南电子设备研究所，成都四川，610036） 摘要：平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，其尺寸由低端工作频率决定，在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。本文通过末端离散电阻加载设计，实现了天线的小型化。本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置，得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。 关键词：平面阿基米德螺旋天线，小型化，电阻加载，平面马欠德平衡器 A Miniaturized Planar Spiral Antenna Long Xiaozhuan 1 Yuan Fei 2 (Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036) Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article. Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun 1 引言 2 电阻加载 平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在诸多领域有着重要的应用[1]。随着系统的发展要求，天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说，圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再扩展天线的低端工作频率，或减小天线的尺寸，则需对天线进行小型化设计。在众多的小型化技术中，电阻加载不仅可以减小天线的驻波比，还可以显著减小天线的轴比，其应用最为广泛[2]。本文采用这种技术，对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载，并应用所设计的小型平面马欠德平衡器，最终得到一个工作于2.5GHz～6GHz的平面螺旋天线，其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。 平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。在天线的设计中，可先分别对三个部分进行设计，然后再进行综合设计。辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线，螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加，其极坐标方程可表示为： r=r0+aφ （1） 1-1 解： f=9375MHz, / 3.2,/ 3.1251c f cm l λλ===> 此传输线为长线 1-2解： f=150kHz, 4/2000,/0.5101c f m l λλ-===?<< 此传输线为短线 1-3答： 当频率很高，传输线的长度与所传电磁波的波长相当时，低频时忽略 的各种现象与效应，通过沿导体线分布在每一点的损耗电阻，电感，电容和漏电导表现出来，影响传输线上每一点的电磁波传播，故称其 为分布参数。用1111,,,R L C G 表示，分别称其为传输线单位长度的分布电阻，分布电感，分布电容和分布电导。 1-4 解： 特性阻抗 050Z ====Ω f=50Hz X 1=ωL 1=2π×50×16.65×10-9Ω/cm=5.23×10-6Ω/cm B 1=ω C 1=2π×50×0.666×10×10-12=2.09×10-9S/cm 1-5 解： ∵ ()22j z j z i r U z U e U e ββ''-'=+ ()()220 1 j z j z i r I z U e U e Z ββ''-'= - 将 22233 20,2,42 i r U V U V z πβλπλ'===?= 代入 3 32 2 3 4 20220218j j z U e e j j j V ππλ-'==+=-+=- ()34 1 2020.11200 z I j j j A λ'== --=- ()()()34 ,18cos 2j t e z u z t R U z e t V ωλπω'=??''??==- ????? ()()()34,0.11cos 2j t e z i z t R I z e t A ωλπω'=??''??==- ????? 1-6 解： ∵Z L =Z 0 ∴()()220j z i r U z U e U β''== ()()()2123 2 1 100j j z z U z e U z e πβ' ' -''== ()() ()() 6 1 1100,100cos 6j U z e V u z t t V ππω'=? ?=+ ?? ? 理工大学现代科技学院 课程设计任务书 指导教师签名：日期： 专业班级 学号 成绩 一、设计题目 螺旋天线的仿真设计 二、设计目的 （1）熟悉Ansoft HFSS 软件的使用。 （2）学会螺旋天线的仿真设计方法。 （3）完成螺旋天线的仿真设计，并查看S 参数以及场分布。 三、实验原理 螺旋天线（helical antenna ）是一种具有螺旋形状的天线。它由导电性能良好的金属螺旋线 组成，通常用同轴线馈电，同轴线的心线和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地 的金属网（或板）相连接，该版即为接地板。螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。当 螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一 个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。 四、设计要求 设计一个右手圆极化螺旋天线，要求工作频率为4G ，分析其远区场辐射特性以及S 曲线。 本设计参数为：螺旋天线的中心频率 f=4GHz ， λ=75mm ； … … …… …… ………………… …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… ……………………………… …线 …… …… …… …… … ……………… 螺旋导体的半径 d=0.15λ=11.25mm ； 螺旋线导线的半径 a=0.5mm ； 螺距 s=0.25λ=18,75mm ； 圈数 N=3； 轴向长度 l=Ns ； 五、设计仿真步骤 在HFSS 建立的模型中，关键是画出螺旋线模型。画螺旋线，现说明螺旋线模型的创建。 1、建立新的工程 运行HFSS ，点击菜单栏中的Project>Insert Hfss Dessign ，建立一个新的工程。 2、设置求解类型 （1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type 。 （2）在弹出的Solution Type 窗口中 （a ）选择Driven Modal 。 （b ）点击OK 按钮。 3、设置模型单位 将创建模型中的单位设置为毫米。 （1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units 。 （2）设置模型单位： （a ）在设置单位窗口中选择：mm 。 （b ）点击OK 按钮。 4、设置模型的默认材料 在工具栏中设置模型的下拉菜单中点击Select ，在设置材料窗口中选择copper （铜）材料， 点击OK 按钮（确定）确认。 5、创建螺旋天线模型 （1）创建螺旋线Helix 。 在菜单中点击Draw>Circle,输入圆的中心坐标。X:11.25 Y:0 Z:0 ,按回车键结束。输入圆的 半径dX:0.5 dY:0 dZ:0 按回车键结束输入。在特性（Porperties ）窗口中将Axis 改为Y 。点击确认。在历史操作树中选中该circle 。在菜单键点击Draw>Helix ，在右下角的输入栏中 … … …… …… …… ……………装……………………………………订……………… …… …… …… …… …线 … …… …… …… …… ……… …… …… … 1-1 实用文档之"解： f=9375MHz, / 3.2,/ 3.1251c f cm l λλ===> " 此传输线为长线 1-2解： f=150kHz, 4/2000,/0.5101c f m l λλ-===?<< 此传输线为短线 1-3答： 当频率很高，传输线的长度与所传电磁波的波长相当时，低 频时忽略的各种现象与效应，通过沿导体线分布在每一点的损耗电阻，电感，电容和漏电导表现出来，影响传输线 上每一点的电磁波传播，故称其为分布参数。用1111,,,R L C G 表示，分别称其为传输线单位长度的分布电阻，分布电感，分布电容和分布电导。 1-4 解： 特性阻抗 050Z ====Ω f=50Hz X 1=ωL 1=2π×50×16.65×10-9Ω/cm=5.23×10-6Ω/cm B 1=ω C 1=2π×50×0.666×10×10-12=2.09×10-9S/cm 1-5 解： ∵ ()22j z j z i r U z U e U e ββ''-'=+ ()()220 1 j z j z i r I z U e U e Z ββ''-'= - 将 22233 20,2,42 i r U V U V z πβλπλ'===?= 代入 3 32 2 3 4 20220218j j z U e e j j j V ππλ-'==+=-+=- ()34 1 2020.11200 z I j j j A λ'== --=- ()()()34 ,18cos 2j t e z u z t R U z e t V ωλπω'=??''??==- ????? ()()()34,0.11cos 2j t e z i z t R I z e t A ωλπω'=??''??==- ????? 1-6 解： ∵Z L =Z 0 ∴()()220j z i r U z U e U β''== 《微波技术与天线》复习知识要点 绪论 微波的定义： 微波是电磁波谱介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短的波段。 微波的频率范围：300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~ 0.1mm 微波的特点（要结合实际应用）： 似光性，频率高（频带宽），穿透性（卫星通信），量子特性（微波波谱的分析） 第一章均匀传输线理论 均匀无耗传输线的输入阻抗（2个特性） 定义： 传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比称为传输线的输入阻抗注： 均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗、工作频率有关。 两个特性： 1、λ／2重复性： 无耗传输线上任意相距λ／2处的阻抗相同Z in(z)=Z in(z+λ／2) 2、λ／4变换性:Zin(z)-Z in(z+λ／4)=Z 02 证明题： (作业题) 均匀无耗传输线的三种传输状态（要会判断）参数 |Γ|ρZ 1行波01 匹配驻波1∞ 短路、开路、纯 电抗行驻波 0＜|Γ|＜1 1＜ρ＜∞ 任意负载 能量电磁能量全部 被负载吸收电磁能量在原 地震荡 1.行波状态： 无反射的传输状态 匹配负载： 负载阻抗等于传输线的特性阻抗 沿线电压和电流振幅不变 电压和电流在任意点上同相 2.纯驻波状态： 全反射状态 负载阻抗分为短路、开路、纯电抗状态 3.行驻波状态： 传输线上任意点输入阻抗为复数 传输线的三类匹配状态（知道概念） 负载阻抗匹配： 是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形，此时只有从信源到负载的入射波，而无反射波。源阻抗匹配： 电源的内阻等于传输线的特性阻抗时，电源和传输线是匹配的，这种电源称之为匹配电源。此时，信号源端无反射。 共轭阻抗匹配： 对于不匹配电源，当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时，即当Z in=Z g﹡时，负载能得到最大功率值。 共轭匹配的目的就是使负载得到最大功率。 传输线的阻抗匹配（λ／4阻抗变换）(P15和P17) 阻抗圆图的应用（*与实验结合） 第4章 无源微波器件 4.1微波网络参量有哪几种？线性网络、对称网络、互易网络的概念在其中有何应用？ 答 微波网络参量主要有转移参量、散射参量、阻抗参量和导纳参量。线性网络的概念使网络参量可用线性关系定义；对二口网络，对称网络的概念使转移参量的d a =，散射参量的2211S S =，阻抗参量的2211Z Z =，导纳参量的2211Y Y =。互易网络的概念使转移参量的1=-bc ad ，散射参量的2112S S =，阻抗参量的2112Z Z =，导纳参量的2112Y Y =。 4.2推导Z 参量与A 参量的关系式（4-1-13）。 解 定义A 参量的线性关系为 定义Z 参量的线性关系为 4.3从I S S =* T 出发，写出对称互易无耗三口网络的4个独立方程。 解 由对称性，332211S S S ==；由互易性，2112S S =，3113S S =，3223S S =。三口网络的散射矩阵简化为 由无耗性，I S S =* T ，即 得 4.4二口网络的级联如图所示。写出参考面T 1、T 2之间的组合网络的A 参量。（参考面T 1处即组合网络的端口1，参考面T 2处即组合网络的端口2） 解 []? ? ? ? ??=1j 011B A ???? ? ?????-???? ?? +-+-=θθθθθθθθsin cos cos sin sin 11j sin j sin cos 00000BZ BZ B Z B Z BZ （l βθ=） 4.5微波电路如图所示。已知四口网络的S 矩阵是 其端口2、3直接接终端反射系数为2Γ、3Γ的负载，求以端口1、4为端口的二口网络 题4.4图 题4.5图 微波技术与天线实验指导书 南京工业大学信息科学与工程学院 通信工程系 目录 实验一微波测量系统的熟悉和调整.................. - 2 -实验二电压驻波比的测量......................... - 9 -实验三微波阻抗的测量与匹配 .................... - 12 -实验四二端口微波网络阻抗参数的测量 ............. - 17 - 实验一 微波测量系统的熟悉和调整 一、实验目的 1. 熟悉波导测量线的使用方法； 2. 掌握校准晶体检波特性的方法； 3. 观测矩形波导终端的三种状态（短路、接任意负载、匹配）时，TE 10波的电场分量沿轴向方向上的分布。 二、实验原理 1. 传输线的三种状态 对于波导系统，电场基本解为ift rm ift r e E e a b r V E --== ) /ln(0 (1) 当终端接短路负载时，导行波在终端全部被反射――纯驻波状态。 ift y ift y y e x a E e x a E E )sin( )sin( 00π π -=- 在x=a/2处 z E e e E E y ift ift y y βsin 2)(00-=+=+- 其模值为：z E E y y βsin 20= 最大值和最小值为： 2min 0max ==r r r E E E (2) 终端接任意负载时，导行波在终端部分被反射――行驻波状态。 ift y ift y y e x a E e x a E E )sin( )sin( ' 00π π +=- 在x=a/2处 z E e E E e E e E e E e E e E e E E y ift y y fit y fit y fit y ift y fit y fit y y βcos 2)()()('0 ' 0'0 '0'00'00+-=++-=+=----- 由此可见，行驻波由一行波与一驻波合成而得。其模值为： HFSS仿真分析波导膜片 1.实验原理 矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b，在矩形波导传播的电磁波可分为TE模和TM模。 图1 矩形波导 1）TE模，0 = z E。 cos cos z z mn m x n y H H e a b γ ππ - = 2 cos sin x mn c z n m x n y E H b a b j k eγ πππ ωμ- = 2 sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γ ωμπππ - =- 2 sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a b γ λπππ - = 2 cos sin z y mn c n m x n y H H e k b a b γ λπππ - = 其中， c k22 m n a b ππ ???? ? ? ???? +mn H是与激励源有关的待定常数。 2）TM模 Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。注意：对于mn TM 和mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。 mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即 c k （mn TM ）=c k （mn TE ） 所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即 c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222 ??? ??+??? ??b n a m c f （mn TM ）=c f （mn TE ） 对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ 一种低剖面平面螺旋天线的设计 [ 录入者:天线微波 | 时间:2008-12-19 12:31:09 | 作者:景小东张福顺 | 来源:Error! Hyperlink reference not valid. | 浏览:498次 ] 摘要文章提出了一种低剖面平面螺旋天线的设计方法，用金属反射板代替传统的A ／4反射腔来实现螺旋天线的单向辐射，并在螺旋末端接以阻性负载，以改善天线的电性能。实验结果表明，对于工作频带为1．3GHz～2．1GHz的四臂平面阿基米德螺旋天线，在保证天线特性的前提下，整个天馈结构的厚度减小至17ram。 0 引言 平面螺旋天线由于其结构的自相似性，能在很宽的频带内辐射圆极化波，因而获得了广泛的应用¨J。平面螺旋天线的辐射是双向的，但在实际应用中，往往要求天线具有单向辐射特性。通常的做法是，在螺旋天线的一侧加装反射腔，并根据实际情况在腔内填充微波吸收材料。这种做法能使天线达到相当宽的频带(2GHz～18GHz) 』，但其最大的缺点是，由于微波吸收材料的存在，近一半的辐射能量将被吸收掉 J，这使得天线的效率大大降低；即使不填充吸收材料，反射腔A／4的高度又使得天线的厚度过大，这在某些应用中又令人难以接受。 文章根据四臂平面螺旋天线的原理，设计了相应的馈电网络，将其地板作为天线的平面反射器，代替A／4反射腔，并在螺旋终端接阻性负载，以减小由镜像电流引起的互耦对天线电性能的影响。 通过调整天线辐射器与馈电电路板的间距，在保证天线电性能的前提下，使天线厚度减薄至17ram，满足低剖面要求。 1 天线设计 1．1 平面阿基米德螺旋天线 平面螺旋天线的基本形式为等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线，在结构上又有单臂、双臂、四臂之分。文章采用四臂平面阿基米德螺旋天线，其结构如图1所示。其中螺旋臂1的两条边缘线满足的曲线方程分别为： 螺旋天线综述 1 引言 螺旋天线(helical antenna)是用导电性良好的的金属做成的具有螺旋形状的天线。螺旋天线具有圆极化，波束宽度宽的优点，因此被广泛在卫星通讯，个人移动通信中。 同轴线馈电是螺旋天线的常用馈电方式，可以采用底馈或者顶馈，此时同轴线的内导线和螺旋线的一端相连接，外导线则和接地板（金属圆盘或矩形板状等）相接，螺旋线的另一端是处于自由状态。 螺旋天线既可用做反射镜或透镜的辐射器，也可用做单独的天线（由一个或几个螺旋线组成）。 2 螺旋天线的发展 螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究，给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。 20世纪70年代，苏联科学家尤尔采夫和鲁诺夫对各种形式的螺旋天线进行了比较系统的理论分析和设计研究。此后各国学者进行了这方面的研究，延伸出了很多变种，尤其是四臂螺旋天线因其高增益，方向性好，圆极化的特点，得到了深入的发展和实际应用，如图1所示。 2008年弗吉尼亚大学的Warren Stutzman教授制成了一种六臂螺旋天线，如图2所示。天线实现了几乎最优化的UWB性能，通过采用围绕一个金属中心核而卷绕的臂来维持与臂之间相对不变的距离，几乎完整的利用了天线罩内的整个三维空间。该天线具有10:1的瞬间带宽，它可以被用于频域、多带宽、多信道应用以及时域或脉冲应用。在低成本的应用中，该设计可以被蚀刻在天线罩的内部，或由曲线或曲管构建。 HFSS 仿真分析波导膜片 1. 实验原理 矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b ，在矩形波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。 图1 矩形波导 1） TE 模，0=z E 。 cos cos z z mn m x n y H H e a b γππ-= 2 cos sin x mn c z n m x n y E H b a b j k e γπππωμ-= 2 sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=- 2sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a b γλπ ππ-= 2cos sin z y mn c n m x n y H H e k b a b γλπ ππ-= 其中，c k 2 2 m n a b ππ???? ? ????? +mn H 是与激励源有关的待定常数。 2） TM 模 Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。注意：对于mn TM 和mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。 mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即 c k （mn TM ）=c k （mn TE ） 所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即 c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）= 2 2 2?? ? ??+??? ??b n a m c f （mn TM ）=c f （mn TE ） 对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ 《微波技术与天线》傅文斌-习题答案-第章 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 2 17 第2章 微波传输线 2.1什么是长线？如何区分长线和短线？举例说明。 答 长线是指几何长度大于或接近于相波长的传输线。工程上常将1.0>l 的传输线视为长线，将1.0 微波技术与天线实验3利用HFSS仿真分析矩形波导 微波技术与天线实验报 告 实验名称：实验3：利用HFSS仿真分析矩形波导 学生班级： 学生姓名： 学生学号： 实验日期：2011年月日 2sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=- 2sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a b γλπππ-= 2cos sin z y mn c n m x n y H H e k b a b γλπ ππ-= 其中，c k 22m n a b ππ???? ? ????? +mn H 是与激励源有关的待定常数。 1） TM 模 Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。注意：对于mn TM 和 mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。 mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即 c k （mn TM ）=c k （mn TE ）22 m n a b ππ???? ? ?????+所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即 c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222 ?? ? ??+??? ??b n a m c f （mn TM ）=c f （mn TE ）2με22 m n a b ???? ? ?????+ 对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ 微波技术与天线复习提纲（2011级） 一、思考题 1. 什么是微波？微波有什么特点？ 答：微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，频率范围从300MHZ 到3000GHZ ， 波长从0.1mm 到1m ；微波的特点：似光性、穿透性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播性、分布参数的不确定性、电磁兼容和电磁环境污染。 2. 试解释一下长线的物理概念，说明以长线为基础的传输线理论的主要物理现象有 哪些？一般是采用哪些物理量来描述？ 答：长线是指传输线的几何长度与工作波长相比拟的的传输线； 以长线为基础的物理现象：传输线的反射和衰落； 主要描述的物理量有：输入阻抗、反射系数、传输系数和驻波系数。 3. 均匀传输线如何建立等效电路，等效电路中各个等效元件如何定义？ 4. 均匀传输线方程通解的含义 5. 如何求得传输线方程的解？ 6. 试解释传输线的工作特性参数（特性阻抗、传播常数、相速和波长） 答：传输线的工作特性参数主要有特征阻抗Z 0，传输常数，相速及波长。 1)特征阻抗即传输线上入射波电压与入射波电流的比值或反射波电压与反射波电流比值的负值，其表达式为0R jwL Z G jwC +=+它仅由自身的分布参数决定而与负载及信号源无关；2）传输常数j γαβ=+是描述传输线上导行波的衰减和相移的参数，其中，α和β分别称为衰减常数和相移常数，其一般的表达式为()()R jwL G jwC γ=++传输线上电压、电流入射波（或反射波）的等相位面沿传播方向传播的速度称为相速，即 p v ωβ=；4）传输线上电磁波的波长λ与自由空间波长0λ的关系02r π λβε==。 7. 传输线状态参量输入阻抗、反射系数、驻波比是如何定义的，有何特点，并分析 三者之间的关系 答：输入阻抗：传输线上任一点的阻抗Z in 定义为该点的电压和电流之比，与导波系统的状态特性无关，10001tan ()tan in Z jZ z Z z Z Z jZ z ββ+=+ 反射系数：传输线上任意一点反射波电压与入射波电压的比值称为传输线在该点的反射系 一种小型平面螺旋天线 龙小专1袁飞2 （西南电子设备研究所，成都四川，610036） 摘要：平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，其尺寸由低端工作频率决定，在许多实际应用中常需对其进行小型化设计。本文通过末端离散电阻加载设计，实现了天线的小型化。本文结合设计的小型平面马欠德平衡器馈电装置，得到了一种小型平面阿基米德螺旋天线。 关键词：平面阿基米德螺旋天线，小型化，电阻加载，平面马欠德平衡器 A Miniaturized Planar Spiral Antenna Long Xiaozhuan 1Yuan Fei 2 (Southwest Institute of Electric Equipment, Chengdu, Sichuan, 610036) Abstract: Planar Archimedean spiral antenna was a broadband antenna, whose dimension was determined by its lowest working frequency, and it’s necessary to do some miniaturization design in many practical applications. The miniaturization of the antenna was realized by discrete resistance loading in the end of antenna. A miniaturized planar Archimedean spiral antenna was achieved, integrated with the feeding device of a miniaturized planar Marchand balun designed in this article. Keywords: Planar Archimedean Spiral Antenna; Miniaturization; Resistance Loading; Planar Marchand Balun 1 引言 平面阿基米德螺旋天线是一种宽频带天线，因其具有结构紧凑、重量轻、输入阻抗恒定、相位中心固定、辐射圆极化波等特点，在诸多领域有着重要的应用[1]。 随着系统的发展要求，天线的小型化成为天线设计中的重要发展方向。一般来说，圆形平面阿基米德螺旋天线的外径至少应大于最低工作频率的波长除以π。若需再扩展天线的低端工作频率，或减小天线的尺寸，则需对天线进行小型化设计。在众多的小型化技术中，电阻加载不仅可以减小天线的驻波比，还可以显著减小天线的轴比，其应用最为广泛[2]。本文采用这种技术，对平面阿基米德螺旋天线末端进行离散电阻加载，并应用所设计的小型平面马欠德平衡器，最终得到一个工作于 2.5GHz～6GHz的平面螺旋天线，其总尺寸仅为Ф30mm×25mm。 2 电阻加载 平面阿基米德螺旋天线一般由辐射螺旋面、馈电平衡器和背腔三大部分构成。在天线的设计中，可先分别对三个部分进行设计，然后再进行综合设计。辐射螺旋面一般是在一块圆形的介质基板的一个面上印制两根或多根螺旋线，螺旋线的半径随角度变化而均匀的增加，其极坐标方程可表示为： r r aφ =+（1） 式（1）中， r是起始半径，a为螺旋增长率，φ是以弧度表示的幅角。双臂平面阿基米德螺旋天线如图1（a）所示。 平面阿基米德天线一般在螺旋面的中心起始端两点采用平衡馈电，而主要辐射区域是集中在平均周长为一个波长的那些环带上，也称有效辐射区。当频率改变时，有效辐射区随之改变，但辐射方向图基本不变。而当有效辐射区为天线的最外圈区域 ·553· 微波技术与天线实验报告 实验名称：实验3：利用HFSS仿真分析矩形波导 学生班级： 学生姓名： 学生学号： 实验日期：2011年月日 一、 实验目的 学会HFSS 仿真波导的步骤，画出波导内场分布随时间变化图，理解波的传播与截止概念；计算传播常数并与理论值比较。 二、 实验原理 矩形波导的结构如图1，波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。 x y z 图 1矩形波导 1） TE 模，0=z E 。 cos cos z z mn m x n y H H e a b γππ-= 2cos sin x mn c z n m x n y E H b a b j k e γπππωμ-= 2sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=- 2sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a b γλπ ππ-= 2cos sin z y mn c n m x n y H H e k b a b γλπ ππ-= 其中，c k mn H 是与激励源有关的待定常数。 2） TM 模 Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。注意：对于mn TM 和mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。 mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即 c k （mn TM ）=c k （mn TE ） 所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即 c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222 ??? ??+??? ??b n a m c f （mn TM ）=c f （mn TE ） 对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ螺旋天线原理与设计基础知识
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