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
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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。