天线阵列设计
阵列天线
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
47
泰勒线阵—线源激励计算
线源激励幅度的分布为
i1
Ii (p)12 Sn(m)com s()p m1
1
m0
Sn(m)＝(i1[m (i )1!(i)!]21m)!ii1112A2m (2i12)2 0mi
激励相位为n1i ikdcos0
可得 S
Iejikdcoscos0 i
i0
n1
对于等幅阵列 S ejikdcoscos0
i0
利用等比级数求和公式，简化并取绝对值得
S sinn2 kdcos cos0 sin12 kdcos cos0
N元等幅均匀线阵
N元等幅均匀线阵
β=−90, d=λ/4, N=2
实例
d=λ/4, β=0 归一化场方向图：
零点：
实例
天线阵基本理论
• 二元阵列 • N元等幅均匀阵列 • N元非等幅均匀阵列
12
N元等幅均匀阵列
均匀阵列：
➢ 1）阵列单元完全相同 ➢ 2）采用相同幅值激励和步进相位激励
N元等幅均匀线阵
n个辐射源均匀分布在z轴上，单元的位置坐标
为 zi id，i=0,1,2,…,n-1
• 波束形成时，无需旋转天线阵列，因此不存在机 械问题和惯性问题
• 在某固定频率或确定的频带宽度上实现波束控制 的非频变性
相控阵
➢ 将三根电缆接至公共馈端，形成边射三元阵
➢ 为了阻抗匹配，与接收机(或发射机)联接的电 缆阻抗应是联接阵元电缆的1/3，或接入3：1的 阻抗变换器
相控阵
➢在每个天线单元的馈端 以及电缆的公共馈端处各 接入一个开关
X波段天线阵列的设计
器 ，将 输 入 端 口 的信 号 等 幅 同相 的馈 送 到 各 个 单 元 天 线 。口 为 输 入端 传 输 线 ，ｂ 为 四分 之 一波 长 阻 抗变 换 传 输线 ，Ｃ 、Ｐ 为 一 分二 输 出 端 传 输 线 的一 个 端 口 。如 果输 入 输 Ｌ ｝ Ｊ 端 口阻抗 ｚ ＝ ｚ 。 ＝ ５ ０ ０， 则 Ｚ ＝ ｚ ／ ｚ ＝ － ， ｍ， ｚ ， ＝ Ｚ ｏ ／ ２ ： ２ ５ ｆ ｌ 。根 据 微 带 线计 算 软 件 Ｔ Ｘｌ ｉ ｎ ｅ 算 出功 分 器的各个参 数值为 ： ＝２ ７ ８ ａ ｒ ｍ， ｗ ｄ＝ｗ ＝ｏ ． ５ ａｍ， ｗ ｒ ｂ＝ｌ ｃ ＝１ ６ ｊ
＋
ｗ
Ｃ
（ １ ）
（ ２ ）
电磁 波 征介 质 中的 。 【作 波长 为 ：
：
３ 仿 真分 析
经 优 化仿 真 后 单元 天 线 与阵 列 天 线性 能 对 比 如表 ｌ 所示 。＿ ＿ Ｉ 者 的 Ｓｌ １ 参 数 、 电压 驻 波 比 （ ＶＳ ＷＲ）和 ３ Ｄ增 益 的 对 比 圈 分 别 如 图 ３ 、 图４ 、 图５ 和 图６ 所 示 。从 图３ 中可 以看 出单 元天 线 回 波 损耗 最 低 点 为一 ２ ４ ｄ Ｂ，谐 振频 率 为 １ Ｏ ＧＨｚ ，带 宽 为３ ２ ％ （ Ｓ１ １ 一 ｌ Ｏ ｄ Ｂ） ；阵 列 天 线 回波 损 耗最 低 点 为一 ４ ０ ｄ Ｂ，谐 振频 率 为９ ． ８ ＧＨｚ ，带 宽 为５ ０ ￣ ， ／ ｏ （ ｓ ｌ ｌ ≤ 一 １ Ｏ ： ） ：阵列 天线 的谐 振 频率 相对 于 元 天线 有所偏 移 ， 但 从 回波 损 耗 看 出 阵 列天 线 的 阻 抗 匹 配 特 性 要优 于 单元 天 线 。从 图４ 中 可 以看 出 Ｖ Ｓ ＷＲ ＿２ ＜ 时 ，单 元 天线 带宽 为 ３ ３ ． ７ ％； 阵 列天 线 带 宽 为５ ０ ％。从 图３ 和４ 中可 以看 出阵 列天 线 的带 宽 比单元 大 线展 宽 了 ２ ０ ％。从 图５ 中可 以看 出单 元天 线 的最 大增 益 为３ ． ５ ７ ｄ Ｂ：从 圈６中可 以看 出阵 列天 线的 最大 增益 为５ ． ０ ３ ｄ Ｂ；增益 提 高了 １ ． ５ ｄ Ｂ。
智能天线微带天线阵列中线阵单元设计
在 无 线 电 通 信 领 域 ，智 能 天 线 有 诱 人 的 前 景 。
片 材 料 为 聚 四 氟 乙 烯 玻 璃 增 强 ；￡ 一 ２ ５ ｈ 一 ．，
１ ５ ｒ ｍ ）。 ． （ ａ
ａ ｔｎ ａ ｎ ｅ ｎ ，Ｏｎｔ ｅｓｍｕａ ｉｎ ｒｓ ｌ，ｔ ｉ ｒａ ｎｔｃｎ ｉｃ ｅ ｓ ｈ ａｎ ｏ ｎ ｅ ｎ ｎ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅｓ ｓｅ ｐ ｒｏｍ ａ ｃ ． Ｔｈ ｈ ｉ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｈｓａ ｒｙ ｕ ｉ ａ ｎ ｒａ ｅｔ ｅｇ ｉ ｆａ ｔｎ ａａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｈ ｙ ｔｍ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｅ
叫 一
在数 字信 号处 理部 分 每一路 有一 个加 权器 （ 供加 提
权 系 数 ，调 节 幅 度 和 相 位 ），最 后 进 行 合 并 。智 能
寺（ ） 其 是 速 ， 中ｃ 光 。
是 等 效
考 虑 到 边 缘 缩 短 效
， ￣￡ｅ ，
天 线 阵 中 需 要 性 能 良好 的 单 元 和 阵 列 单 元 ，微 带 天 线 是 当今 天 线 技 术 的发 展 趋 势 。将 微 带 天 线 用 于智 能 天 线 系 统 是 非 常 有 意 义 的 。 而 采 用 单 片 微 带 天 线 很 难 达 到 系 统 所 要 求 的 增 益 等 指 标 ，故 本 文 采 用 线
，
一
．
＋
— — — — —
（＋ ） 。
— — — —
△ ０１ ｅ ｏ） ｏ６ Ｚ ２（＋ ． （ ．４ ４ｈ￡ ３ ＋ ２） （一 ．８（ ｏ ） ￡ ０ ５ ＋ ． ｅ ２） ８
微波天线的多频段设计技术
微波天线的多频段设计技术微波天线在现代通信系统中扮演着至关重要的角色，其多频段设计技术的发展与应用对于提高通信系统的性能和灵活性具有重要意义。
本文将探讨微波天线的多频段设计技术，包括其原理、方法和应用。
多频段设计技术是指在一个天线结构中实现多个工作频段的能力。
在实际应用中，由于通信系统对频段的需求多样化，单一频段天线已经不能满足要求。
因此，多频段设计技术成为了一种必要选择。
下面将介绍几种常见的微波天线多频段设计技术。
1. 宽带天线设计宽带天线设计是实现多频段天线的一种有效方法。
通过设计具有宽带特性的天线结构，可以覆盖多个频段。
例如，利用宽带缝隙天线、宽带饼状天线等结构，可以实现在GHz频段内的宽带工作。
2. 多频段天线阵列设计天线阵列是由多个天线单元组成的系统，可以通过控制每个天线单元的相位和幅度来实现多频段的工作。
通过优化天线阵列的结构和布局，可以实现在不同频段的波束形成和指向性辐射。
3. 天线结构优化设计通过优化天线结构的几何形状、材料和电磁参数，可以实现在多个频段内的高效能耗和辐射性能。
例如，采用分段结构设计、辐射臂长度调节等方法，可以在不同频段实现天线的匹配和辐射特性。
4. 频率可调天线设计频率可调天线是一种可以通过调节参数或结构来实现不同频段工作的天线。
通过控制天线的工作频率，可以实现在不同频段的通信和传输需求。
例如，采用可调谐电路、可调节长度等技术，可以实现在多频段内的频率调节和切换。
综上所述，微波天线的多频段设计技术涉及到宽带天线设计、天线阵列设计、天线结构优化设计和频率可调天线设计等多种方法。
这些方法在提高通信系统性能、扩展频段覆盖和增强系统灵活性方面具有重要意义。
随着通信技术的不断发展和应用需求的不断变化，微波天线的多频段设计技术将会进一步得到深入研究和应用。
超宽带Vivaldi天线单元及阵列设计
第11期 肀螬f SM 龛找*f MVol .15N o.il2020 年 11 月Journal of CAEIT Nov . 2020doi ： 10. 3969/j . issn . 1673-5692. 2020. 11.006超宽带Vivaldi 天线单元及阵列设计史信荣、史劼2,熊洋洋\柯进、罗旭东1(1.广东省计量科学研究院广东省现代几何与力学计量技术重点实验室，广东广州51〇4〇5;2.中国工业互联网研究院，北京100110)摘要：文中设计了一种新型超宽带平衡对跖Vivaldi 天线单元和阵列。
研究分析了主要结构参数 对天线性能的影响，通过增加金属隔板、接地柱、减小天线剖面高度等方式，将天线单元的阻抗带宽由1.7个倍频程提升至5个倍频程。
该新型天线单元具有阻抗带宽较宽、结构尺寸小的特点，是一 种较为理想的超宽带阵列天线单元。
在单元优化的基础上，文中对8 x 8的超宽带天线阵列性能进 行了研究，结果表明该天线阵列具有良好的阻抗带宽和辐射性能。
关键词：超宽带；Vivaldi 天线；平衡对跖中图分类号:TN 98文献标志码：A文章编号：1673-5692(2020) 11-10654)5Design of Ultra-Wideband Wide-angle Scanning VivaldiAntenna and ArraySHI Xin-rong 1 , SHI Jie 2 , XIONG Yang -yang 1 ,KE Jin ' , LUO Xu -dong 1(1. Guangdong Institute of Metrology , Guangdong Provincial Key Laboratory of Modem Geometric and MechanicalMetrology Technology , Guangzhou 510405 ,China ；2. China Academy of Industrial Internet , Beijing 100036,China )Abstract ： A novel ultra-wideband (UWB ) balanced antipodal Vivaldi antenna element and array withwide-angle scanning is designed . The influence of the main structural parameters on the antenna perform ance is analyzed . The impedance bandwidth of the antenna element is improved from 1. 7 octaves to 5 oc taves by adding metallic partitions , metallic poles and reducing the height of the antenna . The novel an tenna element not only has a wide impedance bandwidth , but also a smaller structure size . The length and width of the antenna element is only half of the wavelength corresponding to the highest frequency . It is an ideal UWB wide-angle scanning array antenna element . On the basis of element optimization , the performance of 8 x 8 UWB array is studied . The results show that the aiTay has a wide impedance band width and good radiation performance .Key words ： ultra-wideband (UWB ) ； vivaldi antenna ； balanced antipodal〇引言阵列天线具有快速扫描、波束形状捷变、空间功 率合成的能力，广泛应用在卫星通信、遥感遥测等领域。
基于典型结构的共形阵列天线设计技术研究
基于典型结构的共形阵列天线设计技术研究基于典型结构的共形阵列天线设计技术研究一、引言共形阵列天线是目前无线通信领域中一种常用的天线结构，其能够实现多种天线功能，如波束形成、多输入多输出（MIMO）等。
然而，目前的共形阵列天线设计存在着一些问题，如天线尺寸较大、频率选择性较强、成本较高等。
为了解决这些问题，本文通过研究基于典型结构的共形阵列天线设计技术，以期提高天线性能并降低设计成本。
二、典型结构概述典型结构是指与所研究的共形阵列天线相似的模型或构造。
典型结构的选择应基于天线的设计要求和目标。
在共形阵列天线设计中，常用的典型结构包括一维和二维的线性阵列、圆形阵列、方形阵列等。
不同的典型结构具有不同的特点和优势，在实际应用中需要根据具体情况进行选择。
三、共形阵列天线性能分析共形阵列天线的性能主要通过以下几个指标来评估：增益、波束宽度、辐射效率、频率选择性和天线尺寸等。
1.增益：共形阵列天线的增益是衡量其向特定方向辐射能力的指标。
天线的增益越大，其辐射功率越强，传输距离越远。
2.波束宽度：共形阵列天线的波束宽度是指天线的主瓣方向上辐射功率下降到峰值功率的一半所对应的角度范围。
波束宽度越小，天线的指向性越强。
3.辐射效率：共形阵列天线的辐射效率是指天线所提供的辐射功率与其所消耗的输入功率之比。
辐射效率越高，天线的性能越好。
4.频率选择性：共形阵列天线的频率选择性是指天线在一定频率范围内对不同频率的信号的响应程度。
频率选择性越小，天线对不同频率的信号的响应越均匀。
5.天线尺寸：共形阵列天线的尺寸与其工作频率和波束宽度有关。
通常情况下，天线的尺寸越大，其工作频率范围越宽，但也会增加天线的成本和制造难度。
四、基于典型结构的共形阵列天线设计技术基于典型结构的共形阵列天线设计技术主要包括以下几个方面的研究内容：1.共形阵列天线的结构优化：通过对不同典型结构的优势进行比较和分析，选择合适的结构以满足设计要求。
同时，针对不同结构进行参数优化，以提高天线的性能。
63. 如何通过天线阵列优化信号传输？
63. 如何通过天线阵列优化信号传输？63、如何通过天线阵列优化信号传输？在当今数字化、信息化的时代，无线通信已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从手机通话、无线网络到卫星通信，信号传输的质量和效率直接影响着我们的通信体验。
而天线阵列作为一种有效的技术手段，在优化信号传输方面发挥着重要作用。
天线阵列，简单来说，就是由多个天线单元按照一定的规律排列组成的系统。
它通过协同工作，能够实现对信号的增强、定向传输以及抗干扰等功能，从而显著提升信号传输的性能。
那么，究竟如何通过天线阵列来优化信号传输呢？这其中涉及到多个关键的技术和策略。
首先，天线阵列的设计是至关重要的。
天线单元的数量、间距、排列方式等都会对信号传输产生影响。
例如，增加天线单元的数量可以提高信号的增益，但同时也会增加系统的复杂度和成本。
因此，需要在性能和成本之间进行权衡。
在设计天线阵列时，还需要考虑工作频段、极化方式等因素。
不同的频段和极化方式适用于不同的应用场景，例如，低频段适合远距离传输，而高频段则可以提供更高的数据传输速率。
其次，波束成形技术是天线阵列优化信号传输的核心之一。
波束成形是指通过调整天线阵列中各个单元的相位和幅度，使信号在特定方向上形成较强的波束，从而实现信号的定向传输。
这就好比将光线聚焦成一束强光，能够照射到更远的地方。
通过波束成形，可以有效地增强目标方向上的信号强度，同时抑制其他方向上的干扰信号。
在实际应用中，波束成形可以根据用户的位置和移动情况动态调整波束的方向和形状，以确保始终提供良好的信号覆盖。
再者，天线阵列的分集技术也是提高信号传输可靠性的重要手段。
分集技术包括空间分集、极化分集、频率分集等。
空间分集是通过在不同的位置放置天线单元，接收多个独立的信号副本，从而降低信号衰落的影响。
极化分集则是利用不同极化方式的天线接收信号，增加信号的多样性。
频率分集则是在不同的频率上传输相同的信息，以应对频率选择性衰落。
通过这些分集技术的组合应用，可以显著提高信号传输的可靠性，减少信号中断和误码率。
L波段圆极化弹载共形微带天线阵列的设计
1.引言在实际应用中,考虑到空气动力学以及需要减小阵列天线的雷达散射截面等方面的要求,常常要求阵列天线与某些形状的载体共形,例如飞机、导弹等运动平台。
在实际应用中,经常需要实现宽角域的阵列覆盖,而采用直线阵或平面阵往往难以实现以上角域覆盖的要求,常常需要将阵列共形安装在一个固定形状的表面上,从而形成非平面的共形天线阵[1,2,3,4]。
非平面共形阵的结构形式与直线阵和平面阵相比较复杂,对非平面阵的分析与综合通常也不同与直线阵和平面阵。
在对非平面阵的分析与综合时要注意以下几点。
首先,由于阵列单元的位置不在同一平面上,且平面间距通常并不相等,阵列因子与单元方向图无法分离,而阵因子往往也不是一个简单的多项式,因而对非平面阵的方向图的分析综合通常是复杂的。
其次,曲面上各单元的方向图可能各不相同,甚至可能产生严重畸变,导致较高的副瓣和较差的扫描特性。
第三,由互相不平行的表面上的阵列单元产生的辐射极化通常是不一致的,而这将引起严重的交叉极化。
2.圆环阵理论基础由于圆形阵列[5,6]的诸多优点,在基站天线、无线电测向、雷达、导航等设备中得到了广泛的应用。
最简单的圆阵是单层圆阵,其结构如图1所示。
则该阵列的场强方向函数为E n (r,θ,φ)=Nn =1!a n e-jkR nR n(3-28)式中,R n 为第n 个单元到观察点的距离R n =(r 2+a 2-2racos φ)1/2(3-29)在r>>a 的情况下R n ≈r-acosn φn =r-asin θcos(φ-φn )(3-30)其中,φn 为第n 个单元在水平面上的位置。
图1N 单元阵结构在远场条件下1/R n =1/r(3-31)因此,式(3-28)可简化为E n (r,θ,φ)=e -jkrr Nn =1!a n e+jkasin θcos (φ-φn )(3-32)又因为第n 个点源的电流可记为=I j α(333)于是,式(3-32)可进一步简化为E n (r,θ,φ)=e-jkrrAF(θ,φ)(3-34)AF(θ,φ)=N n =1!I n ej kasin θcos(φ-φn)+α#$n(3-35)3.天线单元设计图2天线单元结构示意图采用介电常数εr=2.65,介质板厚h=1m m,设计天线单元[7,8],结构尺寸如图2所示,a=57.5mm,b=57.9m m,L 1=6.8mm,L 2=17.8mm,L3=5.8m m,L 4=47.3m m,应用Anso ft HFS S 软件进行仿真,如图3所示,天线的阵中方向图与平面微带天线的方向图比较,可知,微带天线共形后,天线的增益下降,主波瓣变化很小,但后瓣电平增大。
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二、Klopfenstein渐变
z2 k ( ) z 4 I1 ( z ) ( ) 2 k 0 k !( k 1)!
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
B9
B10
④ 基因变异：按一定概率在染色体中随机的选择一点或多点进行变异。
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10
A1
A2
A3
A4
A5
A6
B7
B8
B9
B10
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一、赋型原理
二、赋型设计
三、阵列设计
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网络设计
一、初始条件问题：端口激励
与前式对比，令y=A, x=l, 得到
( ) 0e j l
2 2 z / L 1 I ( A (1 y )) 0 1 1 ln Z ( z ) ln Z 0 Z L A2 dy 0 2 cosh A A (1 y 2 )
cos 2l 2 A2 cosh A
13单元
—
102、110
Page13
赋型设计
三、使用软件调试实际的方向图
理想中的方向图
实际做出来的方向图
软件作用：将所有下倾角、所有频点的方向图能同时查看并优化
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赋型设计
四、方向图优化方法：遗传算法
开始 染色体初始化
适应度检测 N 配对
Y
繁殖
基因突变
N
适应度检测 Y 结束
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赋型设计
Page8
一、赋型原理
二、赋型设计
三、阵列设计
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赋型设计
一、5-13单元双移相的馈电方式
名称
5单元 6单元
馈电方式
7单元
8单元
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赋型设计
一、5-13单元双移相的馈电方式
名称
9单元 10单元 11单元 12单元
馈电方式
13单元
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赋型设计
二、高低频单元组阵间距
名称
5单元 6单元 7单元 8单元
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令2z/L – 1 = x, z = 0时x = -1, z = L时x = 1
赋型原理
二、Klopfenstein渐变
2 2 j l 1 I ( A (1 x )) I ( A (1 x )) e 1 1 j ( x 1) L 0 2 1 1 0 ( ) e A dx cos( lx)A dx 2 2 1 0 2 cosh A cosh A A (1 x ) A (1 x )
天线阵列设计
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目录
一、赋型原理
二、赋型设计
三、阵列设计
一、赋型原理
二、赋型设计
三、阵列设计
Page3
赋型原理
一、天线阵辐射方向图合成公式
Page4
赋型原理
一、天线阵辐射方向图优化公式
Page5
赋型原理
二、Klopfenstein渐变 cos l / n k Tn ( ) cos 0l / n n节反射系数的精确结果， cos l / n 1/ 2 其中为低截止波长，L为 (1 k 2Tn2 ( )) cos 0l / n n 节总长度， k 为通带容 0 2 / 0 忍度，Tn为n阶切比雪夫 Z 2 1 1 1 k Tn ( ) 多项式 cos 0l / n 2 Z2 Klopfenstein渐变是从阶跃式切比雪夫变换器，当其节数增加到 无限大时推导出来的，类似于天线阵列的泰勒分布理论
组阵间距（mm）
240、280、300、306 — 280、300、306 280、306 102、105、110、120、 130、140 102、110 120、130、140 130、140
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赋型设计
二、高低频单元组阵间距
名称
9单元 10单元 11单元 12单元
组阵间距（mm）
240、280、300 240、280 — — — 120、130、140 120、130、140 102、110
I1(z)为修正贝塞尔函数
1 L 2 j z d z 1 L 2 j z 0 2 ( ) e ln( )dz e A z 0 z 0 2 dz z0 2 cosh A
I1 ( A 1 (
2z 2 1) ) 2 L dz 2z 2 L A 1 ( 1) L
四、方向图优化方法：遗传算法
① 内插：设经过选择的父代为V1、V2，采用随机内插的方法进行交叉， 生成的子代为：
②外推：针对前一种交叉算法的早熟问题，同时采取基因值的线性外推算法
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赋型设计
四、方向图优化方法：遗传算法
③ 基因交叉：在染色体中随机的选择一点或多点进行基因交叉。
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10
共轴组阵（mm）
5+11（240+120） 7+11（240+120） 10+11（240+120） —
并排组阵（mm）
5+11 （300+120） 5+13 （306+102） 7+11 （280+120） 9+11 （240+120） 9+11 （280+120） 10+11（280+120） 8+11 （300+120） 5+6（280+102）
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阵列设计
三、三频天线：低频移相器组件
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阵列设计
四、三频天线：高频移相器组件
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End and Thanks
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Page19
网络设计
二、介质支撑的影响
1. 尺寸影响>介电常数
2. 加在较宽的线上
3. 做成组件
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网络设计
三、边界条件问题：接地
表面粗糙度
趋肤效应
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阵列设计
一、三频天线：共轴和并排方案
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阵列设计
二、三频天线：组阵单元数和间距
名称
15/18/18 16/18/18 17/18/18 15/15/15