偶极子相控阵天线的仿真与优化
半波偶极子天线的HFSS仿真设计
天线原理与设计华中科技大学半波偶极子天线的HFSS仿真设计一、实验目的1、学会简单搭建天线仿真环境的方法，主要是熟悉HFSS软件的使用方法；2、了解利用HFSS仿真软件设计和仿真天线的原理、过程和方法；3、通过天线的仿真，了解天线的主要性能参数，如驻波比特性、smith圆图特性、方向图特性等；4、通过对半波偶极子天线的仿真，学会对其他类型天线仿真的方法；二、实验仪器1、装有windows系统的PC一台2、HFSS13.0软件3、截图软件三、实验原理1、首先明白一点：半波偶极子天线就是对称阵子天线。
图1 对称振子对称结构及坐标2、对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。
一臂的导线半径为a，长度为l。
两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。
对称振子的长度与波长相比拟，本身已可以构成实用天线。
3、在计算天线的辐射场时，经过实践证实天线上的电流可以近似认为是按正弦律分布。
取图1的坐标，并忽略振子损耗，则其电流分布可以表示为：式中，Im为天线上波腹点的电流；k=w/c为相移常数、根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心点对称；超过半波长就会出现反相电流。
4、在分析计算对称振子的辐射场时，可以把对称振子看成是由无数个电流I(z)、长度为dz的电流元件串联而成。
利用线性媒介中电磁场的叠加原理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。
图2 对称振子辐射场的计算如图2 所示，电流元I(z)所产生的辐射场为其中5、方向函数四、实验步骤1、设计变量设置求解类型为Driven Model 类型，并设置长度单位为毫米。
提前定义对称阵子天线的基本参数并初始化2、创建偶极子天线模型，即圆柱形的天线模型。
其中偶极子天线的另外一个臂是通过坐标轴复制来实现的。
3、设置端口激励半波偶极子天线由中心位置馈电，在偶极子天线中心位置创建一个平行于YZ面的矩形面作为激励端口平面。
相控阵天线波束跃度仿真分析及算法优化
2
…
N
0 度分布
0
0
0
0
驻兹P 指向下
0
的分布
驻渍
… (N-1)驻渍
2驻兹P指向下 0 的分布
2驻渍
… 2(N-1) 驻渍
…
…
…
…
…
p驻兹P指向下 0 的分布
p驻渍
… (N-1)p驻渍
波束半功率点宽度 兹B表示为:
兹B
抑co1s兹p
·0
. 88姿 Nd
(6)
则得到:
驻兹p 兹B
抑1
.
136 2K
N
(7)
但由于相控阵天线自身的移相体制原因,波束 在扫描过程中相邻波束间呈现出不连续性。 因此 对于精密跟踪测量相控阵雷达系统而言,减小天线 波束跃度增强波束扫描特性具有重要意义[3] 。
天线算法：相控阵合成优化技术
天线算法：相控阵合成优化技术作者：Rick Gentile, Honglei Chen，MathWorks优化解算器可用于在采用相控阵前端的雷达和无线系统应用中实现所需天线方向图。
学习内容摘要·如何在相控阵设计中应用优化技术。
·什么是二次规划？·在设计过程中采用优化解算器。
在本篇文章中，我们会展开一个适用于采用相控阵前端的雷达和无线系统应用的主题。
当设计大型相控阵系统时，这种优化工作流程可以节省大量时间，因为此过程会涉及很多设计参数，包括单个天线单元的位置和应用到每个天线单元的权重。
因此，当从事电磁解算器层级的物理阵列设计工作以及系统层级阵列设计工作时，可以采用这些优化技术。
本文专注于系统级应用，同时我们在文章末尾提供了一个链接，通过其可以获取有关电磁解算器级应用的更多资源。
与单天线天线单元相比，相控阵的一个主要优点是可以形成一个波束（或多个波束），以增强所需的信号并降低干扰信号的影响。
通常，在合成一种方向图时，N天线单元相控阵可提供N个自由度。
这意味着可以调整N个权值，每个天线单元一个权值，以控制波束形状，从而满足一些预定义的约束。
正如之前的博客中所述，可以采用各种技术来实现方向图合成，包括调零、加窗和稀布(Thinning)。
应用优化技术有助于消除方向图合成时的“反复试错”过程。
许多常用的波束形成技术都可以表示为优化问题。
例如，最小方差无失真响应（MVDR）波束形成器用于最大限度减小总噪声输出，同时保留给定方向的信号。
在数学上，通过解决优化问题即可得到MVDR波束形成权值。
在本文中，我们省略了数学运算，但是一个N天线单元阵列能够处理N−1个约束。
MVDR波束形成器可以进行扩展，以包含更多约束，从而成为线性约束最小方差（LCMV）波束形成器。
LCMV波束形成器中的附加约束常用于消除给定方向的干扰。
这些技术适用于任何阵列结构，但我们考虑一个包含32个天线单元、天线单元之间具有半波长间距的均匀线性阵列。
(两个辐射单元)偶极子天线阵辐射场图matlab仿真工程电磁场小论文
偶极子天线辐射场图——MATLAB动态仿真【摘要】天线遍布于生活中的每一个角落，为了更好地学习天线，本文对直线天线的简单模型——半波偶极子进行分析。
应用MATLAB这个学习软件，对偶极子天线进行了动态仿真，通过结果分析，很好地符合书本中的实验结论，对抽象的天线理论很好地结合到了实际理解当中。
【关键字】偶极子天线元辐射场MATLAB动态仿真偶极子（dipole）定义：指相距很近的符号相反的一对电荷或“磁荷”。
在电磁学的概念里，有两种偶极子：电偶极子和磁偶极子。
电偶极子是两个分隔一段距离，电量相等，正负相反的电荷。
应用有偶极子天线。
磁偶极子是一圈封闭循环的电流，例如一个有常定电流运行的线圈，称为载流回路。
偶极子的性质可以用它的偶极矩描述。
电偶极矩由负电荷指向正电荷，大小等于正电荷量乘以正负电荷之间的距离。
磁偶极矩的方向，根据右手法则，是大拇指从载流回路的平面指出的方向，而其它拇指则指向电流运行方向，磁偶极矩的大小等于电流乘以线圈面积。
而将两个辐射单元（天线元或者阵元），也就是偶极子，按照一定方式排列的列阵天线，如果排列在直线上，称线阵天线（图一），如果排列在一个平面上，则称为面阵天线。
而这里媒质是线性的，根据线性系统的叠加定理，列阵天线的辐射场就是这两个天线元辐射场的矢量和。
并且适当地各天线元激励电流的大小和相位，就可以得到所需的辐射特性。
从而也很好地讨论由相似天线元组成的线阵天线的方向性。
偶极子天线用来发射和接收固定频率的信号。
虽然在平时的测量中都使用宽带天线，但在场地衰减和天线系数的测量中都需要使用偶极子天线。
SCHWARZBECK 偶极子天线的频率范围由30MHz~4GHz。
其中的VHAP和UHAP是一套精确偶极子天线，特别适用于场地衰减和天线系数的测量。
同时该天线为日本VCCI等标准机构指定的电波暗室和开阔场场地衰减测量等的唯一专用天线。
该天线为众多实验室所采用，作为实验室的天线标准。
垂直天线实际上是一种偶极子天线。
偶极子天线研究方法
偶极子天线研究方法
偶极子天线是一种广泛应用于无线通信中的天线类型，其结构简单、性能稳定、易于制造，因此被广泛应用于各种通信系统中。
为了研究偶极子天线的性能和优化设计，需要采用一定的研究方法。
偶极子天线的研究方法主要包括以下几个方面：
1.理论分析：通过建立偶极子天线的电磁场模型，推导出其辐射特性、阻抗匹配等性能参数的计算公式，以及优化设计的基本原理。
2.仿真模拟：通过电磁仿真软件，如Ansys、HFSS等，对偶极子天线的电磁场进行数值模拟计算，得到其辐射特性和性能参数。
3.实验测试：通过实验测试，测量偶极子天线的辐射特性、阻抗匹配、功率传输等性能参数，验证理论分析和仿真模拟的结果，并对偶极子天线的优化设计提供实验依据。
4.优化设计：结合理论分析、仿真模拟和实验测试的结果，对偶极子天线的结构参数、材料特性等进行优化设计，以达到更好的性能指标。
在偶极子天线的研究中，理论分析、仿真模拟、实验测试和优化设计是相互补充的，需要综合运用来实现对偶极子天线的全面研究和优化设计。
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相控阵雷达天线模型及仿真
相控阵雷达天线模型及仿真
邱丽原
【期刊名称】《海军航空工程学院学报》
【年(卷),期】2014(000)002
【摘要】阐述了相控阵天线仿真的重要性，指出了相控阵天线仿真的主要困难。
提出了一种利用阵因子、方向性因子和旁瓣抑制因子分别解决仿真波束形状、天线增益、方向图旁瓣及其变化等3大问题，并进行综合建模和仿真，给出了综合后的仿真模型。
该仿真模型保证了理论方面的精度，优化和减少了仿真计算步骤和计算量。
利用该仿真模型，给出了宙斯盾系统的AN/SPY-1D雷达天线的仿真计算实例。
【总页数】5页(P151-155)
【作者】邱丽原
【作者单位】海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台264001
【正文语种】中文
【中图分类】TN921+.1
【相关文献】
1.钨球破片对相控阵雷达天线的冲击损伤仿真 [J], 吕勇;石全;刘锋;崔凯旋;李园园
2.基于矢量调制技术的相控阵雷达天线方向图仿真设计 [J], 张允;林沂杰;高红友;江友平
3.相控阵雷达系统建模中的天线仿真技术 [J], 孙晓晖;陈仁元
4.多功能相控阵雷达的相控阵天线仿真数学模型 [J], 王国一;张钧
5.相控阵雷达多通道天线方向图建模与仿真 [J], 徐海峰;卞春蓉
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通信电子相控阵天线设计与优化
通信电子相控阵天线设计与优化随着通信技术不断发展，目前广泛使用的天线技术已经无法满足人们日益增长的通信需求。
在这种情况下，相控阵天线技术应运而生。
相控阵天线是一种使用多个天线元件组成的天线技术，能够进行相位控制和束形成，从而实现高精度的信号传输。
在相控阵天线的设计过程中，需要考虑多个因素，例如天线元件的数量和排布、技术性能和电磁兼容性等。
为了保证天线的性能，一般需要采用优化设计方法进行优化。
首先，在相控阵天线的设计中，需要考虑到相位控制和束形成的问题。
相位控制是指不同天线元件之间传输的信号在相位上具有一定的差异，从而实现对信号方向的控制。
束形成则是指利用相位调节的技术，将多个辐射源的电磁波合成为一个具备一定方向性的束。
相控阵天线中的天线元件数量和排布方式对其性能有着非常重要的影响。
在相控阵天线中，天线元件的数量越多，其所能够控制的信号数量就越多，从而使得其方向控制和束形成的精度更高。
同时，不同的元件排布方式也会对性能产生影响。
例如线性排列的天线元件比较适合应用于水平平面，而环形排列的天线元件则适用于垂直平面。
在相控阵天线的设计过程中，还需要考虑到电磁兼容性的问题。
由于天线的辐射能量非常强，如果其放置在一些电子设备附近，可能会对这些设备产生干扰。
为了解决这一问题，需要考虑天线辐射能量的方向和强度，并选择合适的天线材料和防护措施。
优化设计方法是相控阵天线设计中非常重要的一部分。
其中，基于数值模拟的优化方法是目前比较常用的方法。
在数值模拟中，一般采用有限元分析和电磁模拟等方法，对相控阵天线的性能进行评估。
同时，还可以通过模拟和比对不同参数的设计方案，寻找最优解。
总之，相控阵天线是一种非常先进的天线技术，其能够实现高精度的信号传输和方向控制。
在相控阵天线的设计过程中，需要考虑多种因素，并采用优化设计方法进行优化。
基于ADS的偶极子天线性能参数仿真分析
基于ADS的偶极子天线性能参数仿真分析作者：陈宇蒋军魏东旭孙红兵来源：《电脑知识与技术》2018年第10期摘要：为了实现对偶极子天线结构性能参数的分析，文章首先设计了一种印刷偶极子天线，对相关的理论进行了研究，依据设计指标对天线的结构、参数进行了计算，随后在Agilent公司的ADS软件上，对所设计的偶极子天线进行了建模，验证了该天线的性能指标符合设计要求。
接着通过改变天线的结构尺寸进行性能参数仿真，研究了偶极子天线各项结构参数对天线系统性能的影响，得出了相应结论，仿真结果对偶极子天线设计具有一定的指导意义。
关键词：偶极子；微带；天线；中心频率中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）10-0209-031 背景微带天线与其他基本结构共同构成射频电路，是通讯设备中最为重要的一个组成。
通过类比台式电脑、智能手机和U盘等电子设备的发展，电子产品的设计大多数趋于小型化。
因此在研究射频电路领域时，对于天线性能的发展方向也应该趋向于小型化。
微型天线具有体积小，电气性能完善多样，与有源器件、射频微波电路等结合方便等很多优势，适用于实际应用领域中的大规模制造[1-2]。
2 偶极子天线设计2.1 天线参数文章将在分析偶极子天线基本结构的基础上，利用ADS设计一种新型的1.8GHz的偶极子天线，对天线的相关性能进行仿真，对影响偶极子天线性能的相关参数进行仿真设计。
文章设计的偶极子天线的相关性能指标如表1所示。
2.2天线结构偶极子天线大略可以五个部分：微带巴伦线、偶极子天线臂、馈线、地板、通孔[3]。
图1显示了设计天线的平面结构示意图。
由于结构设计的需要，这几个部分都位于基质板底层的位置。
可以看出，底面与顶面的特殊微带线经过通孔紧密连接，最底面地平面和微带巴伦线其中一端相连，另外一端则是与偶极子天线臂相连。
通过对底面层的印刷偶极子天线的分析，等效输入阻抗电路如图2，等效输入阻抗[4-5]为：3 偶极子天线的仿真结果与分析通过ADS软件，我们依据相关性能参数，设计偶极子天线结构如图3所示：每一个天线在设计的过程中，存在着对应的频率范围，将之称为带宽。
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实验报告
学生姓名：学号：指导教师：
实验地点：实验时间：
一、实验室名称：
二、实验项目名称：微波工程CAD实验
三、实验学时：20
四、实验原理：
CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得出最优化下的器件尺寸参数。
本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来掌握CST的应用。
五、实验目的：
了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。
六、实验内容：
第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率范围内，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。
第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率范围内优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。
七、实验器材（设备、元器件）：
台式计算机；CST Design Environment 2009仿真软件；U盘（学生自备）。
八、实验步骤：
第一题：偶极子相控阵天线的仿真
a.单个偶极子天线模型
单个偶极子天线方向图
b.利用3种方法将单个天线扩展成一个2*2的相控阵天线阵
方法一将单个天线的远场结果采用不同的幅度和相位叠加，从而得到阵列的结果。
方法一所得阵列方向图
方法二 构造四个相同的天线，都由各自的同轴线激励，顺次计算完所有天线后，再将结果以任意幅度和相位合并。
方法三对所有天线并行激励，只计算一次就得到远场结果。
对结果进行分析解释：
方法一：未考虑天线之间的耦合，未考虑激励之间的影响。
方法二：计算仅涉及天线结构之间的相互影响。
方法三：同时涉及结构和激励的相互影响。
综上方法三得到的仿真结果最好。
第二题：微带到波导转换的仿真与优化
a.建立微带到波导转换模型
微带到波导转换模型
b. 按题目要求设置工作频率、边界条件及监视器，仿真得到S参数
优化前S参数
c.优化结果
d. 中心频点28GHz处的电场、磁场与表面电流的分布
中心频点电场分布
中心频点磁场分布
中心频点电流分布
对结果进行分析解释：
可以看出，经过优化后S参数曲线发生了较大的改变，优化后的S参数要明显好于优化前。
十、实验结论：
1、偶极子相控阵天线：方法三同时考虑了结构和激励的相互影响，因此该方法所得结果最接近真实值。
2、微带到波导转换：调节几个变量可以得到更好的结果，得到符合要求的参数。
十一、总结及心得体会：
通过本次实验，我掌握了CST软件的基本操作。
进行了一些仿真实例的练习后，我对CST的操作更加熟练，而且由于CST相比其他软件计算精度较高，因此CST是一款非常好的仿真软件，在未来的学习中一定能够更多地运用到它。
最后谢谢老师对我们的细心教导!
报告评分：
指导教师签字：。