太原理工大学现代科技学院微波天线与技术课程设计教材.docx

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太原理工大学现代科技学院微波天线与技术课程设计教材

太原理工大学现代科技学院

微波技术与天线课程设计

设计名称全波振子加引向器

专业班级信息13-1班

学号2013101269

姓名陈凯

指导教师李鸿鹰

课程设计任务书

注：

课程设计完成后，学生提交的归档文件应按，封面一任务书一说明书一图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）

专业班级

信息13-1

学生姓名

陈凯

课程名称

微波技术与天线课程设计

设计名称

全波振子+引向器

设计周数

1.5周

指导教师

李鸿鹰

设计任务主要设计参数

1熟悉HFSS仿真平台的使用

2熟悉微带天线的工作原理与设计方法

3在HFSS平台上完成如下微带天线的仿真设计

设计要求如下：

频率：

300Mhz

4结合同组其他同学的设计结果完成对于该天线结构参数与性能之间关系的探讨

5在1.5周内完成设计任务

设计内容

设计要求

6.8:

分组、任务分配、任务理解

6.9：

查阅参考资料，理论上熟悉所设计的器件的工作原理与特性，完成方案设计。

6.21~6.23:

熟悉仿真平台的使用，完成在平台上的建模，设置，结果提取与分析，以及验收。

6.24:

同组同学结果汇总及讨论

6.25：

设计说明书的撰写

在设计过程中，作为设计小组成员，每位同学要具有团队意识和合作精神，并最终独立完成自己的设计任务。

主要参考

资料

刈学观，微波技不与天线，西女电子科技大学电出版社，2012

顾继慧，微波技术，科学出版社，2007

李明洋，HFSS应用设计详解，人民邮电出版社，2010

学生提交

归档文件

1•设计报告

2•工程文件

指导教师签名

日期：

2016-6-10

专业班级信息13-1学号2013101269姓名陈凯成绩

…设计名称：

全波振子.+引向器

…一、设计要求：

全波振子..…+1个引向器完成天线.的设计。

……

…二、天线基本理论：

…天线是一种用来发射或接受电磁波的器件，..…它将传输线中的导行电磁波波，…变换成自由空

…间中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

..…

装1.天线的功能及应用:

……

…a）天线.的功能…

…在无线电通信、广播、电视以及雷达、导航等系统中，均需利用无线电波来传递信息。

而………

…天线是这些系统中用以辐射或接收无线电波的部件。

……此外，在用电磁波传送能量方面，…非信号

…的能量辐射也需要天线。

.天线是任何无线-电系统或设备中不可缺少的基本组成部分。

…天线应具有一定的方向性：

定向辐射或接收无线电波。

…有效地利用天线的辐射功率或提高

…天线的信噪比，方向性是天线的一个重要技术指标，根据任务的不同而不同。

…......

…天线又是一个极化器件，在同一系统中收、发天线应具有同一极化形式，….若不一致，则会

…产生极化失配，将降低传输效率。

订b）天线的应用.

…天线广泛应用与通信领域，…涉及飞机、航天器、船只或者陆上交通工具的移动通信时需要.…

…使用天线；.涉及移动电话也离不开天线；.对于广播电台.、…电视台、…移动基站，一个传输终端可

…以支持大量.的接收用户，而这些.用户可能是移动过程中的.，此时通常要采用天线收发信息。

…………

…遥感和探测等领域同样离不开天线，遥感系统既可以有源（如雷达）也可以无源（如辐射

…计），并且各自接收来自物体的散射和固有辐射，接收信号经过处理后产生关于物体或环境的

…信息。

天线设备在两种典型的无线电系统中的地位，如图所示。

㈣

天线在无线电系统中的应用

2.天线的分类一

按工作频段划分：

超长波.长波、中波、短波、超短波和微波天线;

按用途划分：

通信、广播、电视、雷达、导航和测向天线等;

按辐射方向划分：

.全.向天线、…定向天线;

按外形划分：

偶极子天线、……T形、菱形、环形、螺旋、喇叭、反射面以及透镜天线等等。

.―按形状划分：

线天线..（导线或金属棒构成）.一…、…面天线（金属面或介质面构成）…。

线天线主要用于长波、短波和超短波；面天线主要用于微波波段。

………

3.电基本振子的辐射...

给出在球坐标原点沿.z轴放置的电基本振子在各向同性理想均匀无限大冃由空间的表达一……式：

a）近区场.

IaI2T

Er=—j3cos日

当.Kr

IaI1•T

E厂-j3sin二

4兀r恥0

Hr二H~,iE=0

不难看出，…上述表达式和稳态场的公式完全相符，因此，近区场又称为似稳区。

场随距离

1

的增大而迅速减少。

电场滞后于磁场…….9Q一度，因此复坡印延矢量是虚数….（EH每周平均辐射的功率为零。

这种没有能量向外辐射的场称之为“感应场”………。

b）远区场.

60二IaI•T-jkr

E「jAsin"

kr

当.kr>>1..时称为远.区场，此时H二j］丄si门“一曲

2人r

Er0

Hr=Hj-E=0

此时.，有电场和磁场两个分量在空间相互垂直且与…一…r一矢径方向垂直，三者构成右手螺旋系,

1*

统。

电场、磁场在时间上同相，其复坡印延矢量……S=2EH是.实数，为有功功率且指向..r.增

加的方向上.。

二者比值为一实数….0"20二，所以仅需讨论二者之一。

且电基本振子远区场是

沿着径向向外传播的横电磁.波..TEM.在Q=0°、80°方向上辐射为--0,在日=90°方向辐射最强

方向图：

.E面（包含振子轴）为一个…8字形，.H面（垂直振子轴）..为一个圆

c）辐射功率

2nn彳

R=psS[dS二S_nr2sinrdvd

00

将远区场模值代入上式有;……R=40IA71

d）辐射电阻-

为了分析计算方便，引入辐射电阻概念，将天线向外卜辐射的功率等效为在电阻上的损耗，

此电阻称为辐射电阻…R。

用输入电流来归算的称为归算于输入电流的辐射电阻……R0，用波腹

电流来归.算一的称为归.算于波腹电流.的辐射电.阻R。

显然电基本振子.的辐.射也阻.为

4.磁基本振子的辐射…

在进行磁基本振子辐射分析时..可以采用对偶性原则。

.….对称形式麦克斯韦方程如下：

..…

可XH=E——+JA

a

^H

'EJm注：

JM磁流密度，磁荷密度

孔D=P

%=Pm

上式第二个方程右端两项有负号，是因为电流产生的磁场的方向是按右手螺旋定则定出………....的，而磁流产生的电场方向与之相反，…是按左手螺旋定则定出的。

将上式中的电磁场分解为电荷与电流产生一的场强Ee和.He及磁荷和.磁流产生的场强…一EM和

HMIPE=Ee+EMnH=He+H。

他们分别满足下列麦克斯韦方程:

:

:

与匚，；与」。

5天线主要参数：

…

天线的电特性通常用效率、输入阻抗、方向性、极化、…增益系数、…工作频带宽度等参数。

。

.…....

同一天线作为收、发时的电参数在数值上是相同的，收、发天线具有互易性。

1）天线效率一

天线效率为天线辐.射功率…P与天线输入功率Pin（辐射功率与天线内所消耗的功率…PS之和）

之比。

即

PrPr

A二

RnPrPs

上式还可用天线输入端的辐射电阻.…Ro和损耗电肚Rs表示，即.

i-E_

A

PrPsPrPs

可见，要提高天线的效率，应尽可能增大辐射电阻和降低损耗电阻。

2）方向性系数.

为了定量表示天线辐射功率在空间的集中程度，我们采用方向性系数.……D，并定义如下;

在相等的辐射功率下，.受试天线在其最大辐射方向上某点产生的功率密度与一理想的无方.一.

向性天线在同一点产生的功率密度的比值，定义为受试天线的方向性系数。

表示为

2

Emax

S

max

E02

D=

S0

S0为无方向性天线的辐射功率密度;……Smax为天线在最大辐射方向上的功率密度，

考虑到P.与R.的关•系，又可以写成.：

.….

120鳥

D=—1——

由定义可知，由于天线在各个方向辐射强度不.同，方向性系数.……D也不同，一般所讲的某…天线的方向性系数，都是指最大辐射旳方向性系数…（除注明方向..），并且实际天线旳方向性系数…都是大于」的。

3）增益系数一

天线增益系数等于天线效字…与其方向性系数.D的乘积，即G二D。

天线增益比天线..方向性系数更全面地反映了天线的性质。

天线增益不仅考虑了方向性引起的场强变化,.还考虑了天线效率对场强的影响。

天线增益系数一般可用分贝.…—（dB）表示，即.

G（dB）"OlogG

在工程上，人们常把上述定义的增益称为“绝对增益”.……，而把相对于某一特定的作为参考…标准的天线增益称为“相对增益”..…。

4）方向图.

辐射方向图简称为方向图，是方向函数…一f（…L7）的图示。

..…方向图形象、直观、弥补了方…向函数.的抽象性。

.……复杂天线系统，其很难求解出较为准确的方向图函数的解析表达式，.此时.…..…必须借助测量得到的数据绘岀方向图，以了解天线的辐射特性。

E面方向图由最大.辐射方向…（-Qmax...収maX）和该方向上远区电场..E的方向所确定的..ES.,与立.体方向图相截，所得的平面方向图。

H面方向图:

…由最大辐射方向…（一Q_max.卫一max）一和该方向上远区磁场…上的方向所确定的的H面,一与立体方向图相截，所得的平面方向图。

5）输入阻抗一

为使天线能获得最多的功率，.….应使天线与馈线匹配，..…就需要知道天线的输入阻抗。

.一…天线的.输入阻抗Zn为输入端电压与输入端电流之比。

.即.…

输入阻抗一般包括输入电阻和输入电抗。

…输入电阻对应于天线辐射的功率和天线系统损耗.的功率，即一

Rs为从输入端计算的损耗电阻，输入电抗对应于天线周围感应场的无功功率。

6）工作频带

天线工作频带的含义与电路频带的含义相类似丄……它是指天线在工作时能符合某种技术要求…

的频率范围。

一对于只有一个频率或几个频率相距很近的通信设备而言….….天线的频带宽度无需考

虑。

…但对于具有两个以上频率.，而且频差又较大的通信.设备.，就不能不考虑天线.的频带宽度。

三、八木天线旳分析与设计...

1

庚射器

||

J

有瀰振子

引向器

八木天线示意图-

八木天线（YaGiAntenna）也叫引向天线或波导天线，.八.木.天线的优点是结构简单、.馈电

方便、…重量轻、便于转动，并.有一定的增益。

缺点是颇带窄，增益不够高，因此常排成阵列使………用…它在超短波和微波波段应用广泛………

八木天线是由一个有源激励振子（…Driver_Element）和若干无源振子组成，-所有振子都平....行装制在同一平面上，其中心通常用一铅通（也可用非金属二二木方）…固定。

八木天线长.

度是由反射器至最前的一个导向器的距离………通常收发机的天线输出端,….都只是接到八木天线的..有源振子……反射器和导向器通常与收发机没有任何电气连接,.…….但在有源振子作用下，两者都会.产生感应电压和电流，其幅度各相位则与无源振子间的距离有关，也和无源振子的长度有关…

因为当振子间的距离不同时,……电源走过的途径距离也不同,..…就会形成丕同的相.位差….一…当无源振.子的长度丕同时，呈现的阻抗也不同………

1.引向器间距的选择…

……引向器间距的选择有两种方案:

…一种是引向器间距不相等，随着引向器数量序号的增加,

相邻引向器的间距加大;.….另一种是引向器间距相等…..…前一种方案调整麻烦，…后一种方案调整简..便，因此一般都采用等间距方案……引向器间距一般在……°.15二0.4彼长范围内选择。

间距较大时，.方向图主瓣较窄，输入阻抗的频率响应较平稳，但副瓣较大;间距选得小时，副瓣较低，抗干………

扰性能较好，但是增益和方向性差些。

若考虑前者…间距可取°：

3彼长；若考虑后者，间距可..

取小于°.2波长…不管什么情况下，…第一根引.向器振子与有源振子之间的距离应取得更小一些…

2.引向器长度的选择..

引向器长度.的选择有两种方案。

..一种是各引向器等长度.，约取.0.38二0.44波长。

…这种方案优点是加工和调整较为容易….但是频带比较较窄。

…一.另一种是，各个引向器的长度依次由长到短...渐变。

.若取第一根引向器的长度为..…046.波长，以后的引向器长度则会.以…2~3%的缩短系数逐次递减。

这种方案的优点在于频带稍宽，但调试、加工麻烦，.实用中一般采用前一种方法。

.………

3.无源振子半径和有源振子结构及尺寸的确定.……

无源振子的半径是由八木天线的通频带的需求来确定，通常振子半径选。

有源振子选择单根半波.振子或折合振子均可以，一般长度取，该振子宽度越粗，长度应短一些。

对有

源振子的基本要求是能与馈线有良好的匹配，为此，有源振子应设计为谐振长度，并把它的输入阻抗变换

到等于或接近馈线特性阻抗的数值一般选取。

八木定向天线一般是用同轴电缆馈电的。

当有源振子采用半

波对称振子时，，由于受无源振子的影响，其输入阻抗值较低，因此就需设法提高有源振子输入电阻.一常用

的方法是改用折合振子。

适当选择折合振子的长度，两导体.的直径比及其间距，.可以有效地提高有源振子

的输入电阻，并结合週整反射器及附近几个引向振子的尺寸，可以获得满意的驻波比。

其次，由于折合振

子等效半径加粗.对展宽阻抗频带宽也有利。

当然，有源振子也可采用附加匹配器的对称振子形式。

4.增益和.主瓣宽度估算….

增益10天线长度•波长

主瓣宽度:

55.天线波长长度

5.参数计算：

一.

工作频率为：

…f-300Mhz_波长：

..‘=c/f-1m；2lref-0.5；2ldrl=0.47,；21^21^0.43-

ddrt=03，di=0.3.；...dyf=0.25，；振子直径..2a0.0052，；

四、建模过程与仿真.

用.HFSS软件仿真，步骤为:

..…

1.建立新的工程，求解类型，模型单位，模型的默认材料。

运行HFSS，点击菜单栏中的…Project>In§ertH_F§S.Design，建立一个新.的工程。

..…

（1）在菜单栏中点击HFSS>SolutionType。

（2）在弹出的SolutionType窗口中

（3）选择DrivenModal。

（4）点击.OK按钮。

…

将创建模型中的单位设置为米。

.……

一

（1）在菜单栏中点击….3D.Modeler>Units

（.2）设置模型单位.：

…….

（3）在设置单位窗口中选择：

meter。

（4）.点击OK按钮。

…

2.创建八木天线模型。

a）创建ring，ring］。

.将..ring、…ring〕…、结合起来。

……

一

（1）.创建…ring……

在菜单栏中点击…praw>Cylider^创建圆柱模型。

.…在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标：

X.0；…丫.:

卫；.Z.：

Q..6.按回车键结束•输入….在坐标输入栏中输入圆柱半径:

d：

0.01,dY:

0，…dZQ按回车键结束输入….在坐....

标输入栏中输入圆柱的长度：

.……dX：

…0,dY.：

0,dZ:

：

1:

8按回车键结束输入…在特性Property）窗口中选择..Attribute.一标签，将该圆柱的名字.修改为ring.；再选择「command标签，将...Axis,改为「丫一…

（2）创建…ri_ng1.：

在菜单栏中点击...Draw>Cyliderr创建圆柱模型…在坐标输入栏中输入圆柱中心.点的坐标:

X:

0;Y0：

65;

Z:

…0..385.按回车键结束输入…在坐标输入栏中输入圆柱半径：

d一:

…0.026,dY.:

…Q,dZ:

Q.按回车键结束输入……

在坐标输入栏中输入圆柱的长度:

d_X.:

…0,dY:

0,d.Z_：

.._0：

43_.按回车键结束输入…在特性..（……Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字修改为ring;再选择command标签.，将Axis改为Y。

（3）将ring和ring!

..结合，工程树下利用….Ctrl.选择..ring和ring1,然后菜.单选择…一modeler>boplea.n.>unite；.点击OK。

…

b）..建立折合振子…Arm。

..

（a）.建立上半部分.的....U,型.口….在菜单栏中点击-…Draw>Toru.s.，输入圆环中心坐标…./丄.0：

.03,丫-;..0.：

35,乙_0：

802.4.；按回车键结束.…一输入圆坯内半径坐标一:

….dX一：

.0：

.0.274,d.Y=0.,dZ=0按回车键结束。

..一输入圆环直径坐标:

….dX=00052.,dY=0,dZ=0,.按回车键结束。

..在在特•性一（.….Property.）窗口虫选择….Attribute..标签，将该圆柱的名字修改为U1.,再选择一.comm一and一标签，将…Axis..改为…Y,按确定键结束。

.….

_（b）建立一个小方体，使上一步建立旳圆环除去方体后，形成U.型管。

..在菜单栏中点击..…Draw>Box，输入

方体的坐标...X：

-0：

0.1,丫：

…0.：

3,Z.：

0：

.8.0.24一按回车键结束；输入方体的长宽高坐标dX0：

1,dY:

0.：

1,d.z：

-0：

05.按回车键结束；在特性.（.一…Property）…窗口中选择…Attribute一.标签，将该圆柱的名字修改为h.ole1,按确认.键结束………

_（c）在菜单栏.中点击..…Edit>Select>By.Name,在弹出的.窗口中利用.一…Ct「!

..键选择…U1,hoe一…在菜单栏中点击…3D.Mo.dele.r>.Bo.olean.>Subtract”一在..Subtract.窗.口.中作如下设置：

..…Blank.Parts.:

U1,.To.ol.Parts..一:

…hole.1，.-CLone.toolobjects,beforesubtract..复选框不选……点击-...OK-结束设置。

..…

.（d）同理，创建下半部分的..…U型口。

.在菜单栏中.点击.-…Draw.>Torus-,输入圆环.中心坐标.….X：

.0.：

025,Y：

.Q3,Z;…0..3926;.按回车键结束。

.输入圆环内半径坐标;..dX一:

…0：

0224,dY.:

0,.-…dZ：

0，按回车键结束。

输入圆.…环直径坐标.:

….d一X=.0.：

0.052.，…dY=0,.dZ=.0,.按.回车键结束。

..在在特性.（.一…Property.）..窗口中选择…Attribute.一标签，将.该圆柱的名字修改为.….U2.,再选择mand标签，将…Axi.s一.改为..丫.，按确定键结束。

（.e）建立一个小方体，使上一步建立的圆环除去方体后，形成U遅管。

在菜单栏中点击..…Draw>Box，输入

方体的坐标一X:

-0.01，丫：

0.3,Z:

0.-3926按回车键结束；输入方体的长宽坐标..…一dX.:

:

0.1,dY:

:

0.1,dZ：

0.05.按回车键结束；在特性（一….Property）..窗口中选择..Attribute标签，将该圆柱的名字修改为hole2，按确认.键结束。

（f）在菜单栏中点击Edit>Select>By.Name,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择U2,hole2。

在菜单栏中点击

3D.Mo.de!

e.r>.Bo.olean.>.S.ubtract,-一在.-Subtract.窗.口中作如下设置.：

..…BlankParts.;U.2.,T.ooLPa.rt.s.二.hole2,-.Clone.too!

objectsbefore,subtract.-复选框不选。

_点击-...ok_结束设置。

..…

（g）在菜单栏.中点击..…Draw>Cylider_，创建圆柱模型。

.在坐标输入栏中输入圆柱中心点的坐标:

X.0—丫：

0.35,.….Z.0.8024.按回车键结束输入。

在坐标输入栏中输入圆柱半径;dX.0.0026，一dY.：

..0,..dZ：

0.按回车.

键结束输入。

在坐标输入栏中输入圆柱的长度：

dX：

0—dY:

.0,dZ：

.-0.4098按回车键结束输■入。

在特性....

.（Property）窗口.中选择…Attribute标签，将该圆柱的名字修改为Arm;将U1.，…U2,_Arm一结合起来。

在菜单…栏中点击Edit>Select>By.Name-在弹出的窗口中利用Ctrl键选择U1-U2-Arm。

注意：

如果窗口中无U1-

U2时，选择和..一U1,U2相结合的…hole11ho.le2。

…在菜单栏中点击….3D.ModeleeBooleaHUnite…。

点击.O.K.按钮结.束设置.。

…

（9）建立一Arm_1,…在菜单栏史点击….Draw>Cylider,.创建®柱模型.在坐标输…一•「入栏中输入圆中心点的坐标一:

.…..

X..0.06.,丫：

Q35，…Z.0.8024按回车键结束输入。

..在坐标输入栏中输入圆柱半径.：

.dX..0.0026—dY0,

dZ.0按回车键结束输入。

..在坐标输入栏中输入圆柱的长度:

一dX.0,d.Y.:

…0,dZ:

.-0;1524按回车键结束输..

入。

.在特性.（_Property）.一窗.口中选择…Att.rj.bute..-标签将该圆柱的名字修改为A「m_1.。

按照上面步骤，把….A「m_1.和..U型管连接起来。

.……

c）建立同轴线馈线。

_（a）在菜单栏.中.点击..…Draw>Cylider,创建圆柱模型。

.在坐标输入栏.中输入圆柱中.心点的坐标:

X.0.0574…

Y.0.35,,Z.0..6按回车键结束输入。

在坐标输入栏中输入圆柱半径：

d.X：

0..0526,dY.:

0,dZQ按回车键结..束输入。

.在坐标输入栏中输入圆柱的长度:

dX.：

0.,._吐.：

■_0,dZ：

0.3426,按回车键结束输入。

…一.在特性（Property.）窗一口.中.选择.一.Attribute标签，将该圆柱的名字修改为ringout。

.再选择-command标签，将..Axis■一改为X.,按确.定.键结束。

…

_（b）在菜单栏.中点击..…Draw^Cylider,创建圆柱模型。

.在坐标输入栏.中输入圆柱中.心点的坐标:

X.Q.0574…

Y.:

…0.35,Z...0.6.按回车键结束输入。

在坐标输入拦中输入圆柱半径；dX.0.05,dY.0,.dZ.：

…0一按回车键.

结束输入。

…在坐标输入栏.中输入圆柱的长度;……dXJ3,dY;.0.,Z：

.0.3426一按回车键结束输入。

..…在特性（Property.）