西电天线CAD大作业
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。
微波技术与天线课后习题答案(西电版)
★了解同轴线的特性阻抗及分类。
1.4习题及参考解答[I. 1]设一特性阻抗为50 Q的均匀传输线终端接负4k/<=100 Q.求负我反对系数巧・在离负裁0.2入・0.25入及0.5入处的输入阳抗及反对系数分别为多少？解终端反射系数为=& - Z。
= 100 — 50 =丄11 _ K _ 100 + 50 _ T根拥传输线上任怠一恵的反肘糸数和输入阳抗的公贰r（z）= r lC ^和= z。
；兰：：二在离负载0.2入.0. 25A> 0.5入反射系数和输入阻抗分别为r（0.2A）= Y“初忌• r（0.25A）MZ.（0.2入）=29.43Z -23.79° Q・ Z in（0.25A） = 25 Q> Z lft（0.5A） = 100 Q[1.2]求内外导体直径分别为0.25 cm和0.75 cm的空气同轴线的持性阻抗。
若在两导体何塡充介电常数匕= 2.25的介质.求其特性阻抗及300 MHz时的波长。
解空气同轴线的持性阻抗为乙=60 In — = 65. 9 Qa塡充相对介电常数为€,=2.25的介质后.英持件阳抗为/=300 MHz时的波长为[1.3]设特性阻抗为乙的无耗传输线的址波比为"滾一个电爪波"•点离负我的距离为人讪.试证明此时终端负我应为r（0.5A） = Y证明根据输入阳抗公式Z： + jZ, tan" 乂Z o + jZ| tan/3 z在距负栈第一个波节点处的阻抗Z /（/“）=—P y Zl— j 乙I "1,3】Z.P将匕式整理即得17I318[I. 4] 何 持性阻抗为Z =50 Q 的无耗均匀传输线•导体间的媒质参敌为 £.=2.25 ・“, = 】，终瑞接仃&=】Q 的负我"/- 100 MHz 时•兀线长度为A/40试求： ①传输线实际长度'②负载终瑞反射系敌；③ 输入端反射系数'④ 输入瑞阻抗.解传输线上的波长= 2 m因而.传输线的实际长度/ = * = 0. 5 m4终瑞反射系数为…R]—Z 。
天线CAD课件2006(2)概要
§3.2 HFSS(High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器 §3.2.1 简介(Brief IntroductionAnsoft 公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业 EDA 厂商,成立于1984年,总部设于美国宾西法尼亚州的匹兹堡市,在全球主要国家和地区设有 26家分公司和办事机构,直接为当地用户提供支持与服务。
Ansoft 公司自 1997年进入中国市场后,先后在北京、上海和成都开设了办事处;并在北京理工大学、西安电子科技大学和北京航空航天大学设立三个培训中心; 拥有上百家国内商业用户和每年超过 30%的业务增长。
Ansoft 软件是从事射频 /微波、 EMI/EMC、信号完整性以及电机 /变压器、机电系统领域设计人员的首选工具。
高频产品 :Ansoft 公司高频软件包是一个功能非常强大的设计工具,可应用于迅猛发展的无线技术、宽带通信网络、天线系统、航空航天电子等领域, 进行系统分析、电路设计、电磁仿真和物理设计。
高频产品包括:Ansoft Designer、 HFSS 和Nexxim 。
Ansoft Designer:全新的射频、微波及无线通信领域,电磁场、电路及系统仿真的综合解决方案。
HFSS :三维高频电磁场分析软件。
Nexxim :下一代频域和时域仿真器。
经过二十多年的发展, HFSS 以其无以伦比的仿真精度和可靠性,快捷的仿真速度,方便易用的操作界面,稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准,已经广泛地应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域,帮助工程师们高效地设计各种高频结构,包括:射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩,高速互连结构、电真空器件,研究目标特性和系统 /部件的电磁兼容 /电磁干扰特性, 从而降低设计成本, 减少设计周期,增强竞争力。
射频和微波器件设计HFSS 能够快速精确地计算各种射频 /微波部件的电磁特性,得到 S 参数、传播特性、高功率击穿特性,优化部件的性能指标,并进行荣差分析,帮助工程师们快速完成设计并把握各类器件的电磁特性,包括:波导器件、滤波器、转换器、耦合器、功率分配 /和成器,铁氧体环行器和隔离器、腔体等。
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）。
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
抛物面天线CAD7
反射面天线CAD (7)一、 反射面天线的设计1.1 引言天线发展早期，是用于中波、短波和超短波频段，这种天线一般均称为线形天线。
具体代表是，对称振子天线、T 型天线、菱形天线、顶加载天线和八木天线等。
后来出现了面形天线，例如，喇叭天线、反射面天线和透镜天线等。
随着频率升高，面形天线应用越来越广泛。
目前，广泛运用于卫星接力通信地球站中的大型反射面天线直径为φ26—φ32m 。
中小型卫星地球站用天线直径为φ4.5—φl 2m 。
用于天文宇宙观测的大型天线的直径达100米。
超视距警戒雷达也用大型反射面天线，特别是地面固定和移动接力通信的发展，反射面天线应用得更广泛，其尺寸有φ0.6—φ4.5米等系列尺寸。
各个国家都把反射面天线口径制订成标准系列。
目前，国内外利用广播卫星播放电视节目，家庭生活娱乐节目已不单由电视台播放，而是通过φ0.6米反射面天线直接接收卫星广播和电视节目。
在微波频段用于接力通信用的天线几乎都采用反射面天线这说明反射面天线具有它本身的特点：在线形天线理论中，我们知道如果要获得高的天线增益，要用无数个振子排列组合，构成天线阵面。
而且，要保证规定的馈电相位，例如，短波中用的同相水平天线阵和目前飞机上用的小型相控阵天线均是按照这个基本理论制作的。
但是这种合成条件非常严格，并且结构非常复杂。
尽管微波集成光刻技术有了较高的发展，要得到较高的增益也是困难的。
在八木天线中，引向器的数量越多，会使增益做的高一些，但每个单元要获得10分贝增益也是比较困难的。
一般只有7—8分贝，目前八木天线最高组阵增益在18分贝之下。
但对微波频段的抛物天线来讲，可以把开口径看成由无数个振子排列组合辐射。
例如4GHz(7.5cm)，开口径为3.3米，天线增益达到40分贝并不困难，而获得相同的增益，如用八木天线，几乎需20组同相馈电单元组合，但实现也是非常困难的。
在微波频带，天线增益系数一般很容易做到10，000—l，000，000。
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。
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。
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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TM
01和TM
10
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。
为了很好地满足全部设计要求，在下一步优化分析时，W和L的优化范围可以分别取W=82mm~83mm和L1=16mm~17mm。
优化目标为轴比<3dB, 增益>4.0dBi，VSWR<2.0。
微调W和L1的值，得到最后结果如下：
W=82.56mm;L1=16mm;Qie=5.6mm
2.6仿真结果
按照最终优化结果建立模型：
仿真结果如下：
(1)谐振频率：1.2GHz
(2)输入阻抗：45.67+j5.36Ω
(3)轴比：1.91dB
(4)VSWR:1.16
(5)右旋圆极化增益：7.76dB
3D方向图：
综合以上仿真结果，可以看出各项指标完全符合设计要求。
3小结
关于优化，很多教材、资料上的传统过程都是添加优化项，再等计算机算。
可是实际过程中，对于我们这种学生机，着实优化的费劲，于是我采用的优化方法是，确定范围后，逐步手调，在进行一次Analyze，事实证明速度比较快，而且过程中能够发现改变变量值对目标影响的趋势，从而加快优化速度。
三、学习心得
工欲善其事，必先利其器，我觉得CAD就是学习天线的很好的一种辅助，应该引起重视并好好掌握。
这门课对于学习电磁场、天线专业的学生来说是十分有必要的，希望能够出版自己的教材，把课件、例子、仿真步骤，所有课上涉及的要点都整合到一本书中去，让学生能更系统的了解和学习。