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

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

刘学观，微波技术与天线，西安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

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—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）

指导教师签名：

日期：

2016-6-10

……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………

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

1、设计要求：

全波振子+1个引向器完成天线的设计。

2、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。

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。

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。

天线在无线电系统中的应用

2.天线的分类

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）、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自由空间的表达式：

注：

a）近区场

当kr<<1时称为近区场，此时

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。

场随距离的增大而迅速减少。

电场滞后于磁场90度，因此复坡印延矢量是虚数（

）,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

当kr>>1时称为远区场，此时

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

电场、磁场在时间上同相，其复坡印延矢量

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

，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

方向上辐射为0，在

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

式中s为平均复坡印延矢量，且

，将其代入上式得

。

此式为计算辐射功率的一般公式。

将远区场模值代入上式有：

d）辐射电阻

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

。

用输入电流来归算的称为归算于输入电流的辐射电阻

，用波腹电流来归算的称为归算于波腹电流的辐射电阻

。

显然电基本振子的辐射电阻为

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：

注：

磁流密度，

磁荷密度

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的场强Ee和He及磁荷和磁流产生的场强EM和HM即E=Ee+EM和H=He+HM。

他们分别满足下列麦克斯韦方程：

和

比较上面两个式子是完全对称的，其对偶量如下：

Ee与HM,He与-EM,JA与JM,

。

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

天线效率为天线辐射功率

与天线输入功率

（辐射功率与天线内所消耗的功率

之和）之比。

即

上式还可用天线输入端的辐射电阻

和损耗电阻

表示，即

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

，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

为无方向性天线的辐射功率密度；

为天线在最大辐射方向上的功率密度。

考虑到

与

的关系，又可以写成：

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

也不同，一般所讲的某天线的方向性系数，都是指最大辐射的方向性系数（除注明方向），并且实际天线的方向性系数都是大于1的。

3）增益系数

天线增益系数等于天线效率

与其方向性系数

的乘积，即

。

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（

）表示，即

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f（θ,ψ）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出方向图，以了解天线的辐射特性。

E面方向图：

由最大辐射方向（θmax,ψmax）和该方向上远区电场E的方向所确定的E面，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（θmax,ψmax）和该方向上远区磁场H的方向所确定的H面，与立体方向图相截，所得的平面方向图。

5）输入阻抗

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。

天线的输入阻抗

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

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，它是指天线在工作时能符合某种技术要求的频率范围。

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。

3、八木天线的分析与设计

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（DriverElement）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──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，就会形成不同的相位差。

当无源振子的长度不同时，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

波长范围内选择。

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

波长；若考虑后者，间距可取小于

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

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。

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

波长，以后的引向器长度则会以

％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，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，并结合调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

5.参数计算：

工作频率为：

波长：

；

；

；

，

；

；振子直径

；

4、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>InsertHFSSDesign，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。

（1）在菜单栏中点击3DModeler>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，ring1。

将ring、ring1、结合起来。

（1）创建ring。

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；Y：

0；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：

0.01，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：

1.8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。

（2）创建ring1.

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；Y：

0.65；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：

0.026，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：

0.43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ring1结合，工程树下利用Ctrl选择ring和ring1，然后菜单选择modeler>boolean>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>Torus，输入圆环中心坐标X：

0.03，Y：

0.35，Z:

0.8024；按回车键结束。

输入圆环内半径坐标：

dX：

0.0274，dY=0，dZ=0按回车键结束。

输入圆环直径坐标：

dX=0.0052，dY=0,dZ=0,按回车键结束。

在在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字修改为U1，再选择command标签，将Axis改为Y，按确定键结束。

（b）建立一个小方体，使上一步建立的圆环除去方体后，形成U型管。

在菜单栏中点击Draw>Box，输入方体的坐标X：

-0.01，Y：

0.3，Z：

0.8024按回车键结束；输入方体的长宽高坐标dX：

0.1，dY：

0.1，dZ：

-0.05按回车键结束；在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字修改为hole1，按确认键结束。

（c）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择U1，hole1。

在菜单栏中点击3DModeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：

BlankParts:

U1，ToolParts：

hole1，Clonetoolobjectsbeforesubtract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：

0.3，Z：

0.3926；按回车键结束。

输入圆环内半径坐标：

dX：

0.0224，dY：

0，dZ：

0，按回车键结束。

输入圆环直径坐标：

dX=0.0052，dY=0,dZ=0,按回车键结束。

在在特性（Property）窗口中选择Attribute标签，将该圆柱的名字修改为U2，再选择command标签，将Axis改为Y，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型管。

在菜单栏中点击Draw>Box，输入方体的坐标X：

-0.01，Y：

0.3，Z：

0.3926按回车键结束；输入方体的长宽坐标dX：

0.1，dY：

0.1，dZ：

0.05按回车键结束；在特性（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>ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择U2，hole2。

在菜单栏中点击3DModeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：

BlankParts：

U2,ToolParts：

hole2，Clonetoolobjectsbeforesubtract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，Y：

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，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结合起来。

在菜单栏中点击Edit>Select>ByName，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U1，U2相结合的hole1,hole2。

在菜单栏中点击3DModeler>Boolean>Unite。

点击OK按钮结束设置。

（9）建立Arm_1,在菜单栏中点击Draw>Cylider,创建圆柱模型。

在坐标输.入栏中输入圆中心点的坐标：

X：

0.06，Y：

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，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:

-0.1524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_1。

按照上面步骤，把Arm_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：

dX:

0.0526，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:

0.3426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ringout。

再选择command标签，将Axis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：

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：

dX：

0.05，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:

0.3426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ringin。

再选择command标签，将Axis改为X，按确定键结束。

（c）在菜单栏中点击Edit>Select>ByName,在弹出的窗口中利用Ctrl键选择ringout，ringin。

在菜单栏中点击3DModeler>Boolean>Subtract,在Subtract窗口中作如下设置：

BlankParts：

ringout，ToolParts：

ringin，Clonetoolobjectsbeforesubtract复选框不选。

点击ＯＫ结束设置。

（d）创建内导体ringcenter。

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：

0.045，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：

dX：

0.003，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：

0.355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ringcenter，再选择command标签，将Axis改为X，按确定键结束。

d）建立附加平衡段平衡器。

建立与同轴线内导体相连的Arm_2，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：

0.05，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：

dX:

0.0026，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：

-0.1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_2。

建立附加平衡段平衡器Balun。

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：

0.5按回车键结束输入。

在坐标输入栏中输入圆柱半径：

dX：

0.04，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：

0.25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Balun，再选择command标签，将Axis改为X，按确定键结束。

建立Balun与Arm_2相连的L1，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：

0.045，Y：

0.35，Z：

0.5按回车键结束输入。

在坐标输入栏中输入圆柱半径：

dX:

0.03，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：

0.1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L1，再选择command标签，将Axis改X，按确定键结束。

建立Balun与同轴线外导体相连的L2，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：

0.3，Y：

0.35，Z：

0.5按回车键结束输入。

在坐标输入栏中输入圆柱半径：

dX：

0.0074，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：

0.05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L1，按确定键结束。

建立与下半部分U型管连接的Arm_22,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：

0.05，Y：

0.35，Z：

0.48按回车键结束输入。

在坐标输入栏中输入圆柱半径：

dX：

0.0026，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：

-0.0874按回车键结束输入。

在特性（Pro