电磁场与微波实验2012-7
电磁场与微波技术实验报告.
电磁场与微波技术实验报告班级：学号：姓名：目录目录 (2)实验2 微带分支线匹配器 (3)一、实验目的： (3)二、实验原理 (3)三、实验内容 (3)四、实验步骤 (3)实验三四分之一波长阻抗变换器 (15)实验目的 (15)实验原理 (15)单节4λ阻抗变换器 (16)多节4λ阻抗变换器 (16)实验内容 (17)实验步骤 (18)实验4 低通滤波器 (31)实验目的 (31)实验原理 (31)低通原型滤波电路 (32)Richards变换 (32)Kuroda变换 (33)实验内容 (33)实验步骤 (33)总结 (41)完成任务 (41)问题及解决 (41)心得与体会 (41)实验2 微带分支线匹配器一、实验目的：1．熟悉支节匹配器的匹配原理2. 了解微带线的工作原理和实际应用3．掌握Smith图解法设计微带线匹配网络二、实验原理支节匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或者串联适当的电抗），用附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波，以达到匹配的目的。
单支节匹配器，调谐时主要有两个可调参量：距离d和由并联开路或短路短截线提供的电纳。
匹配的基本思想是选择d，使其在距离负载d处向主线看去的导纳Y是Y0+jB 形式。
然后，此短截线的电纳选择为-jB，根据该电纳值确定分支短截线的长度，这样就达到匹配条件。
双支节匹配器，通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节两个分支线长度，就能够达到匹配（但是双支节匹配不是对任意负载阻抗都能匹配的，即存在一个不能得到匹配的禁区）。
三、实验内容已知：输入阻抗Zin=75欧负载阻抗Zl=（64+j35）欧特性阻抗Z0=75欧介质基片εr=2.55，H=1mm假定负载在2G赫兹时实现匹配，利用图解法设计微带线单支节和双支节匹配网络，假设双支节网络分支线与负载的距离d1=四分之一波长，两分支线之间的距离为d2=八分之一波长。
画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅度从1.8GHz至2.2GHz 的变化四、实验步骤（一）：单支节匹配在史密斯圆图上找到等反射系数圆和g=1圆的交点，有两个点与其匹配。
电磁场与微波实验
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内置丰富的元件库 � MWO引入了许多微波元器件模型，包括集总元件
、分布参数元件，各种同轴、波导转接头，有源、 无源等器件模型等等。所以，该软件涵盖内容十分 广泛，几乎包括了微波设计的所有内容。MWO是 通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真 的。对于由集总元件构成的电路,用电路的方法来 处理较为简便。
创建一个新的电路原理图：右键单击Project View界面下的Circuit Schematics，点击New Schematics，建立一个空白的原理图；选择Elem Browser，按下图完成原理图。
左键单击Elem标签，在Nonlinear中选择 Diode，此时下方窗口将出现一些Diode元件；选 择窗口中的Sdiode元件，将其拖入原理图；重复 上面步骤，将Sources中的ACVS，Lumped Element中的RES，MeasDevice中的V_meter拖进 原理图。最后如图进行连线；在原理图的任何图 表符号上，双击左键可编辑参变量，完成原理图 中元件参数设置。
System Blocks:用于通信系统的仿真。
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TXLine（传输线阻抗计算器）的使用
� 射频、微波电路与低频电路很重要的区别在于金属 线间耦合会对电路参数产生显著的影响，其影响主 要与金属线的线长与线宽有关 。此软件可以算出固 定基板的情况下各类微带结构的特性阻抗对应的金 属线的宽度和长度，为实际器件设计提供 等效元件 。
采用1 λ线匹配，有
4
Zin
=
Z
n
电磁场与微波技术试验七
相关介绍
110晶面就是指平行于晶轴z，在x，y轴截长相等 的晶面（相当于满足x＋y＝C的结点（x,y）所构 成的面） 100晶面就是平行于y，z两个晶轴，在x轴截长为 C的晶面。（相当于满足x=C的结点（x,y）所构 成的面） 111晶面就是在x,y,z三个晶轴上的截长都相等的 晶面。（相当于满足x+y+z=骤
打开软件，选择子菜单和采集点数、通道后，逆 时针匀速转动圆盘改变入射角（入射角取值范围 以30－70度为宜） ，再顺时针匀速转动活动臂， 记录反射角处的数据。 按照不同的入射角和相应的反射角分别记录电压 值，即可绘制出布拉格衍射曲线 注意：软件设计可能与实验原理所要求的步骤冲 突，故软件仅用来读点。
−1
−1
ϕ = sin (λ a)
−1
单缝衍射波光强分布
实验目的
了解布拉格衍射测试的基本原理； 了解基本晶体的结构，测试不同晶面对电 磁波的反射现象； 观察晶格常数对波长的敏感性。
相关介绍
什么是晶体？ 具有空间点阵结构的固体就叫晶体。 固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。 从外观很难区分一种固体属于哪一类别， 那么怎样辨别晶体？ 用X光技术对固体进行结构分析，以了解类 别、结构等信息
相关介绍—立方晶系
晶轴
在立方晶系中，晶胞的晶轴长短 相等，并且晶轴互成直角。
简单立方
晶格常数
体心立方
即： 两相邻结点的距离。 约在10－8厘米的数量级。
面心立方
相关介绍
晶面定义：这里采用的是一种叫Miller方法 的晶面定义方法。就是用晶面（或者平面 点阵）在三个晶轴上的截数（相当于坐标） 的倒数的互质整数比来标记。 比如：某晶面的截数是2,2,3 ，那么1/2 : 1/2 : 1/3 = 3 : 3 : 2，该晶面指标就是332。 (如果和任一个坐标轴平行 ，倒数记为0)
电磁场与微波实验实验
λg/mm
41.6
38.9
39.5
40
λg/mm 均值
40.0
λ0/mm
30.1
6. 用直接发测量计算电压驻波比（实际测量时，读取的是电压值）
1
2
3
4
Vmax/mV
210
208
200
200
Vmin/mV
50
48
50
40
ρ
2.09
7. 按照实验原理测量计算 lmin，并求出归一化阻抗值和实际阻抗值。
DT DA l������������������ 电长度
ρ
=
Emax ������min
=
√������������mmainx
在电压驻波系数1 < ρ < 1.5时，可以测量几个节点，取平均值。
ρ = √������m������amxi1n1++������m������maxin22++⋯⋯+������m������minanxn
当驻波系数1.5 < ρ < 5，直接读出������max和������min即可。 3. 测量阻抗
2. 预热信号源。设置信号源。载波设置：频率 10GHz，功率 15dBm；调制方式设置：AM，1KHz 方 波调制，调制深度>90%。
3. 预热选频放大器。
4. 插入驻波测量线探针，将探针移到两个波节点的中点，调节谐振回路使测量放大器指示最大。
5. 将波导测量线插入终端短路，用两点法测量导波波长
1
99.25 107.60 8.35 0.208
归一化阻抗
1.54 − 0.7i
实际阻抗
77 − 35i
北邮电磁场与微波测量实验实验七无线信号场强特性
电磁场与微波测量实验报告学院：电子工程学院班级：2011211204执笔人：学号：2011210986组员：一、实验目的1.掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法；2.研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；3.掌握在室内环境下场强的正确测量方法，理解建筑物穿透损耗的概念；4.通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系；5.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。
二、实验原理1.电磁波的传播方式无线通信系统是由发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。
对于接受者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接受信号，此时，电波场强大于等于接收机的灵敏度。
因此基站的覆盖区的大小，是无线工程师所关心的。
决定覆盖区的大小的主要因素有：发射功率，馈线及接头损耗，天线增益，天线架设高度，路径损耗，衰落，接收机高度，人体效应，接收机灵敏度，建筑物的穿透损耗，同播，同频干扰等。
电磁场在空间中的传输方式主要有反射﹑绕射﹑散射三种模式。
当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时，发生反射。
当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。
当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体﹑且这些物体的分布较密集时，产生散射。
散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体﹑树叶﹑街道﹑标志﹑灯柱。
2.尺度路径损耗在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。
大尺度平均路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接受功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛的使用。
对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为：()[]()()=+010log/0PL d dB PL d n d d即平均接收功率为：()[][]()()()[]() =--=-Pr010log/0Pr010log/0d dBm Pt dBm PL d n d d d dBm n d d其中，定义n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度，d0为近地参考距离，d为发射机与接收机之间的距离。
电磁场与微波技术实验报告(全)
信息与通信工程学院电磁场与微波技术实验报告班级：姓名：学号序号：日期：1实验二：分支线匹配器一、实验目的掌握支节匹配器的工作原理；掌握微带线的基本概念和元件模型；掌握微带线分支线匹配器的设计和仿真。
二、实验原理支节匹配器支节匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或者串联适当的电抗），用附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波，以达到匹配的目的。
单支节匹配器：调谐时，主要有两个可调参量：距离d 和分支线的长度l。
匹配的基本思想是选择d，使其在距离负载d 处向主线看去的导纳Y 是Y0 + jB 形式，即Y = Y0 +jB ，其中Y0 = 1/Z0。
并联开路或短路分支线的作用是抵消Y 的电纳部分，使总电纳为Y0，实现匹配，因此，并联开路或短路分支线提供的电纳为−jB ，根据该电纳值确定并联开路或短路分支线的长度l，这样就达到匹配条件。
双支节匹配器：通过增加一支节，改进了单支节匹配器需要调节支节位置的不足，只需调节两个分支线长度，就能够达到匹配（注意双支节匹配不是对任意负载阻抗都能匹配的，即存在一个不能得到匹配的禁区）。
微带线微带线是有介质εr(εr > 1) 和空气混合填充，基片上方是空气，导体带条和接地板之间是介质εr，可以近似等效为均匀介质填充的传输线，等效介质电常数为εe ，介于1 和εr 之间，依赖于基片厚度H 和导体宽度W。
而微带线的特性阻抗与其等效介质电常数为εe 、基片厚度H 和导体宽度W 有关。
三、实验内容已知：输入阻抗Z in = 75 Ω 负载阻抗Z L = (64 + j35) Ω特性阻抗Z0 = 75 Ω介质基片εr = 2.55，H = 1mm，导体厚度T 远小于介质基片厚度H。
2假定负载在2GHz 时实现匹配，利用图解法设计微带线单支节和双支节匹配网络，假设双支节网络分支线与负载的距离d1 = λ/4 ，两分支线之间的距离为d2 = λ/8。
画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅度从1.8GHz 至2.2GHz 的变化。
电磁场与微波技术试验20092010学年2007级
数是否正确(介电常数、H、T)、TXline 的计算 变量设置，尤其变量 W 的范围应满足 0.05<W/H<20 测量参数、 优化目标设置 仿真波形、Cost 及优化结果
2、为了节省成本，计划将该滤波器设计为 7 级结构。你能把它设计出来吗？根据你的优化仿真结果， 探讨滤波器级数与其性能的关系。（10）
答：不能。Cost 增大，不符合要求。 一般理论上是级别越高、元件越多，滤波器性能便越好。但是一般电路中元件数越多，成本便相应增 加，且系统稳定性降低，也会增加额外的插入损耗。因此实际实现滤波器时，可根据需要来选择滤波 器的级数。
3、利用所采用的数值解法的不同，对微波与射频电路 EDA 软件进行分类。（10） 答：根据所采用的数值解法进行分类
基于矩量法仿真的 EDA 软件主要包括 ADS（Advanced Design System）、Sonnet 电磁仿真软件、IE3D 和 Microwave office
基于时域有限差分（FDTD）的仿真软件包括：CST MICROWAVE STUDIO、FIDELITY 和 IMST Empire 基于有限元的典型仿真软件是：Ansoft HFSS 评分标准：能写出软件名称的，得 4～6 分 二、集总参数－低通 2 低通滤波器 ===== 设计具体要求 ====== 通带频率范围：0MHz～300MHz 增益参数 S21：通带内 0MHz～300MHz S21>－0.5dB ；阻带内 420MHZ 以上 S21<－50dB 反射系数 S11：通带内 0MHz～300MHz S11<－10dB ； 请参考如图所示电路结构为我们设计。要求优化参数 Cost<0.5(最佳为 Cost＝0) （30）
电磁场与微波实验实验
电磁场与微波实验实验电磁场与微波实验一（一）动画演示：电磁波在矩形波导、平行双线、同轴线中的传播特性（二）自由空间电磁波波长的测量和矩形波导截止特性的研究一．实验目的1. 了解电磁波综合测试仪的结构，掌握其工作原理。
2. 在学习均匀平面电磁波特性的基础上，观察与了解电磁波传播特性。
3. 熟悉并利用相干波原理，测量自由空间内电磁波波长，并确定相位常数。
4. 研究电磁波在矩形波导中的截止特性。
二．实验原理1. 自由空间电磁波波长测量两路等幅、同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内以相同或相反方向传播时，由于初始相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场分布。
本实验利用相干波原理，使得接收喇叭处的两路电磁波分别为：Er1=T0??c??0ijΦ1，Er2=T0??c??0ijΦ2。
其中Φ1=KL1，Φ2=KL2。
通过移动一个活动金属板B，改变两路光线的光程差，看最后的合成光的强度变化。
当=??2(2??+1)时接受指示为0，则B0值。
一般测试4~5个接受零值，再求22πλ??出测量波长的平均值。
测量移动的距离即可获得自由空间电磁波波长λ值，再根据??=波的传播常数。
2. 矩形波导的截止特性研究得到电磁实验通过观察电磁波通过开缝金属板及开孔金属板的效果来研究矩形波导的截止特性。
将发射喇叭和接收喇叭调整到同一轴线上，在两个喇叭中间安装开缝金属板和开孔金属板，金属板的法线与喇叭轴线一致。
当发射喇叭的电磁波照射到开缝金属板时，开缝金属板对于电磁波来说，相当于多个矩形波导并列的口面。
设缝宽为a,相当于波导的宽边。
点磁场方向平行于缝隙。
根据矩形波导理论，当满足工作波长λ<2a时，波能通过缝隙传播；当λ>2a时，出现截止衰减，电磁波被反射。
a越小，截止衰减越明显，反射越大，同样，对于开孔金属板，当孔径a满足2>a时，不用极化方向的电磁波截止衰减，被反射。
实验中，分别观察不同尺不同方向的开缝金属板及开孔金属板对电磁波的反射与透射效果。
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新建匹配电路
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添加输出
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计算可得回波损耗与反射系数
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优化匹配电路设计，将MLIN W 和L参数设置成可调谐，调节W，L， 使得他们工作频率匹配
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观察该微带缝隙天线的电流和电场
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实验原理
1、微带缝隙天线 这种天线由三层组成：上层为金属层（构成槽线、微带线 的地），中间为介质基板，下层为金属层来构成微带导带。如 图所示。
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微带天线的概念早在1953年就G．A．DeSchampS 提出，在20世纪50年代和60年代只有一些零星的研究。 直到20世纪70年代初期，当微带传输线的理论模型及对 敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设 计结构的实用的微带天线才被制造出来。缝隙天线最早是 在1946年H．G．Booker提出的，同微带天线一样最初没 有引起太多的注意。缝隙天线可以借助同轴电缆很方便地 馈送能量，也可用波导馈电来实现朝向大平片单侧的辐射， 还可以在波导壁上切割出缝隙的阵列。缝隙开在导电平片 上，称为平板缝隙天线；开在圆柱面上，称为开缝圆柱天 线。开缝圆柱导体面是开缝导体片至开缝圆柱导体面的进 化。波导缝隙阵天线由于其低损耗、高辐射效率和性能等 一系列突出优点而得到广泛应用：而平板缝隙天线却因为 损耗较大，功率容量低，效率不高，导致发展较为缓慢。 到1972年，Y．Yoshimura明确提出微带馈电缝隙天线的 概念。
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“EMSight”模拟器分析的电路都安装在一个矩 形的金属包装盒内, 对于电路的层数和端口数并没 有限制。 分析时模拟器自动地对所计算的对象进 行分割, 在电流密度变化大的地方, 网格分得细, 即单元尺寸取得小。 而在电流密度变化小的地方, 单元尺寸取得大。 用户也可以根据需要自行调节 网格密度。 “EMSight”模拟器还具有显示微波平面电路内 金属上电流和空间电场力线的能力。 电流或电场 均可以以三维或二维的形式来显示, 箭头表示电流 的流向或电场的指向, 而力线颜色的深浅表示电流 或电场的强弱。
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2. 输入一个名称，例如 “slot antenna”，列表中选择仿真器： AWR EMSight, 点击 Create. 工作空间将出现 EM structure window.
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1.3 设定 Enclosure 注：enclosure 用来定义材料类型, EM structure中各层的介质材 料, 设定边界条件, 并且定义EM结构的整个物理尺寸和用来在结构 中指定导体材料的最小网格
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建立输出图
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添加测量量
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再建立天线方向图及添加测量量 重复建立多个测量量， 这里 fixed theta 选择0～90若干取值
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分析可以得到方向图特性，从图中可以看出theta为0时辐射最强， 90度时辐射最弱
电磁场与微波实验
仿真部分
Copyright By 杭州电子科技大学光纤通信网实验室 @2011
实验七 微带缝隙天线仿真设计
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教学内容安排
实验目的
实验要求与原理
实验步骤
实验内容及实验报告要求
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实验目的
1、了解微带缝隙天线的概念 2、掌握MWO EM structure仿真方法 3、掌握天线基本参数及优化设计方法
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实验要求
1. 2. 3. 4. 熟悉利用MWO软件进行EM仿真。 熟悉微带天线基本特性 了解WMO原理图引入 EM 结构方法。 利用MWO分析天线工作特性（反射，方向图等）
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实验步骤
和上一节课交趾滤波器类似，本设计也涉及到利 用MWO创建一个电磁结构（EM structure）并 仿真。它包含以下几个步骤： 1. 创建 EM structure 2. 建立 an enclosure 3. 创建层 4. 定义端口配置计算网格 5. 观察电流密度和电场强度 6. 观察smith圆图和方向图 7. 执行频率扫描 (AFS) 8. 将EM structure添加到原理图并仿真
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实验步骤
1.1 新建工程……
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工程属性窗口设定单位，本设计长度单位为mil.
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1.2 生成 EM结构 1. 菜单栏选择 Project > Add EM Structure > New EM Structure. 将出现 New EM Structure 对话框.
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还可以得到反射系数，因为是单频，只有一个点
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我们可以通过3D试图观察微带缝隙天线基本结构
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我们还可以观察电流和电场分布。首先将刚刚建立的图形direction 删除掉，这是因为方向图都是相对于单频，要是频率点太多计算量 巨大，在课堂上很难完成，感兴趣的同学可以课下自己去设定计算。 然后我们修改频率设置
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修改材料尺寸：
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定义介质材料：
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设定电介质层和上下边界条件：
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建立微带缝隙天线结构：
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绘制多边形结构，整个正方形尺寸为3000×3000
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输入多边形各个顶点坐标（Tab键输入）： 起始点：0，3000 其他各点相对坐标： （0，-1500），（500，0），（0，100），（2000，0），（0， -100），（500，0），（0，1500），（-3000，0），
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复制粘贴，按Tab，输入（0，-100）
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添加输入端口，注意在此之前，先要选中刚刚建立的小矩形，如图
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将鼠标移到两个矩形之间，出现黑色线条时单击左键确定
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设定频率：我们先让其工作于单频3GHz
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网格设置我们选择较小密度，在开始计算可以减小计算量
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修改enclosure option设置
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为了减少计算量，我们这里修改下频率点，网格尺寸，主要为了减 少计算量
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新建回波损耗特性图
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添加回波损耗特性图测量量
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运行仿真，得到输出回波损耗特性
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新建匹配电路
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实验原理
微带天线特点 具有以下优点：馈电网络和辐射单元相对分离，从 而把馈线对天线辐射方向图的影响降到最小，对制造 公差要求比贴片天线低，可用标准的光刻技术在敷铜 电路板上进行生产，在组阵时其单元间隔离可比贴片 天线更大。特别是对于运动物体所用天线，微带缝隙 天线可以说是理想的选择，因为它可以与物体的表面 做得平齐，没有凸起部分，用于快速飞行器表面时不 会带来附加的空气阻力，既隐蔽又不影响物体的运 动。。 前面我们介绍了Microwave office 集总、分布滤波 器微波电路设以及微波电路布线，这节课我们重点介
绍天线设计。
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“EMSight”模拟器是一个完整的三维电磁场模拟 程序包, 它可用于平面高频电路和天线结构的分析。 方法的特点是把一种威力强大的修正谱域矩量法与 直观的视窗图形用户界面(GUI)技术结合起来。 该模 拟器可以精确地确定平面结构的等效多端口网络散 射参量。 ”EMSight”模拟器除了能进行常用的点频 逐点计算之外, 还安装了快速扫频(FFS)算法。 所以 这种模拟器计算三维电磁场的精度与其它在工业上 常用的方法相同, 而计算速度却快得多。 它可以分 析下列电路的电气特性: 射频集成电路 (RFIC), 微波 单片集成电路(MMIC), 微带贴片天线和高速印制电 路(PCB)。
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输入完成后可得如下图形，对此图形复制并粘贴，并旋转（鼠标右键可以现）
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可以得到如下图形，这里需要确保上下两部分紧靠并没有交叠。中间部分即为缝隙 尺寸为2000mil×200mil
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下面添加输入端口：绘制矩形
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坐标：1500，1600，对角点相对位移（50，-100）
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Let’s begin….
激活EM 结构3D视图，按播放键……可以观察到导体面上电流大致 分布
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还可以观察缝隙中电场，按播放停止键，然后重新添加动画，为了 便于观察，将前面动画删掉
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按播放，可以观察天线上电场的时域变化
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实验内容及实验报告要求
完成样例微带缝隙天线EM仿真设计。 观察微带缝隙天线不同θ值（球坐标）时的方向 图，结合实际模型回答： 该天线对什么方向辐射最大？ 课后改变缝隙大小，或者材料参数（自选），观 察天线工作特性有什么变化 实验报告列出主要步骤及仿真结果。