14元阵列天线方向图及其MATLAB仿真
阵列天线方向图及其MATLAB 仿真
1设计目的
1.了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数
2.运用MATLAB 仿真阵列天线的方向图曲线
3.变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系
2设计原理
阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。
阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。
在本次设计中，讨论的是均匀直线阵天线。均匀直线阵是等间距，各振源电流幅度相等，而相位依次递增或递减的直线阵。均匀直线阵的方向图函数依据方向图乘积定理，等于元因子和阵因子的乘积。
二元阵辐射场：
式中： 类似二元阵的分析，可以得到N 元均匀直线振的辐射场：
令 ，可得到H 平面的归一化方向图函数，即阵因子的方向函数：
式中：ζφθψ+=cos sin kd
均匀直线阵最大值发生在0=ψ 处。由此可以得出
])[,(212121ζθθθ?θj jkr jkr m e r e r e F E E E E --+=+=12
cos ),(21jkr m e F r E E -=ψ?θθζ
φθψ+=cos sin kd ∑-=+-=10)cos sin (),(N i kd ji jkr m e e r F E E ζ?θθ?θ2πθ=)2/sin()2/sin(1)(ψψψN N A =kd
m ζ?-=cos
这里有两种情况最为重要。
1.边射阵，即最大辐射方向垂直于阵轴方向，此时 ，在垂直于阵轴的方向上，各元观察点没有波程差，所以各元电流不需要有相位差。
2.端射振，计最大辐射方向在阵轴方向上，此时0=m ?或π，也就是说阵的各元电流沿阵轴方向依次超前或滞后kd 。
3设计过程
本次设计的天线为14元均匀直线阵天线，天线的参数为：d=λ/2，N=14相位滞后的端射振天线。基于MATLAB 可实现天线阵二维方向图和三维方向图的图形分析。
14元端射振天线H 面方向图的源程序为：
a=linspace(0,2*pi);
b=linspace(0,pi);
f=sin((cos(a).*sin(b)-1)*(14/2)*pi)./(sin((cos(a).*sin(b)-1)*pi/2)*14);
polar(a,f.*sin(b));
title('14元端射振的H 面方向图 ，d=/2,相位=滞后');
得到的仿真结果如图所示：
14元端射振天线三维方向图的源程序为：
y1=(f.*sin(a))'*cos(b);
z1=(f.*sin(a))'*sin(b);
x1=(f.*cos(a))'*ones(size(b)); surf(x1,y1,z1);
2
π?±=m
得到的方向图和相位之间的关系图如图所示：
当天线各个阵元之间的间隔d=0.001m时，波长和方向图之间有一定的关系，其中程序代码如下：
clear;
sita=-pi/2:0.01:pi/2;
n=14;
d=0.001;
lamda1=0.002;
beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda1;
z11=(n/2)*beta;
z21=(1/2)*beta;
f1=sin(z11)./(n*sin(z21));
F1=abs(f1);
figure(1);
lamda2=0.005;
beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda2;
z12=(n/2)*beta;
z22=(1/2)*beta;
f2=sin(z12)./(n*sin(z22));
F2=abs(f2);
lamda3=0.01;
beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda3;
z13=(n/2)*beta;
z23=(1/2)*beta;
f3=sin(z13)./(n*sin(z23));
F3=abs(f3)
plot(sita,F1,'b',sita,F2,'r',sita,F3,'k');
grid on;
xlabel('theta/radian');
ylabel('amplitude');
title('方向图与波长的关系');
legend('lamda=0.002','lamda=0.005','lamda=0.01');
得到的方向图和波长的关系如图所示；
从图中可以得到：随着波长lamda的增大，方向图衰减越慢，收敛性越不是很好。
HFSS 仿真2×2线极化矩形微带贴片天线阵 微带天线以其体积小、重量轻、低剖面等独特的优点，在通信、卫星电视接收、雷达、遥感等领域得到广泛应用，它一般工作在100MHz-100GHz 宽广频域的无线电设备中，而矩形微带天线是微带天线最常用的辐射单元，它是一种谐振型天线，通常在谐振频率附近工作。C 波段，是频率在4—8GHz 的无线电波，通常的上行频率范围为—，下行频率范围为—。雷达天线具有将电磁波聚成波束的功能，定向地发射和接收电磁波。本实验采用设计了一款工作于C 波段中心频率在的矩形贴片线极化微带雷达天线阵列，根据理论经验公式初步计算出矩形微带贴片天线的尺寸，然后在里建模仿真，根据仿真结果反复调整天线的尺寸，对天线的结构进行优化，直到天线的中心频率为为止。 1 单个侧馈贴片天线的仿真 矩形贴片天线的设计 导波波长g λ，矩形贴片天线的的有效长度e L 2/g e L λ= ， e g ελλ/ 0= 有效介电常数为e ε，r ε为介质的介电常数 2 1 121212 1- ?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε 矩形贴片的实际长度为L ， L=e L －2L ?=e ελ2 /0－2L ?= e f c ε02－2L ? 0f 天线的实际频率，L ?微带天线等效辐射缝隙的长度 ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h W h W h L e e εε 矩形贴片的宽度为W 2 1 0212- ?? ? ??+=r f c W ε
基片尺寸取： g L LG λ2.0+≥ ，g W WG λ2.0+≥ 介质板材为Rogers RT/duroid 5880，其相对介电常数r ε=，厚度h=2mm ，损耗角正切为。 在设计过程中，我们假设贴片、微带线的厚度t 与基片厚度相比可以忽略不计，即 005.0/≤h t ，在设计过程中，我们令t=0。 计算矩形贴片天线的尺寸 （1）矩形贴片的宽度 由C=×108 m/s, 0f =，r ε=，可以计算出矩形微带天线贴片的宽度。 W=0.02062m=20.62mm （2）有效介电常数e ε 把h=2mm ，W=20.62mm ，r ε=代入，计算出有效介电常数。 e ε= （3）辐射缝隙的长度 把h=2mm ，W=20.62mm ，e ε=代入，可以计算出天线的辐射缝隙的长度L ?。 L ?=1.01mm （4）矩形贴片的长度 把C=×108 m/s, 0f =，e ε=，L ?=1.01mm 代入，可计算出天线矩形贴片的长度。 L=15.69mm （5）参考地的长度LG 和宽度WG 把C=×108 m/s, 0f =，e ε=代入，可算出导波波长g λ。 g λ=35.42mm LG=22.77mm WG=27.70mm （6）估算天线的输入阻抗 由于介质板材Rogers RT/duroid 5880有一定的损耗，所以在计算微带天线的输入阻抗
14元阵列天线方向图及其MATLAB仿真
阵列天线方向图及其MATLAB 仿真 1设计目的 1.了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数 2.运用MATLAB 仿真阵列天线的方向图曲线 3.变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系 2设计原理 阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。 在本次设计中，讨论的是均匀直线阵天线。均匀直线阵是等间距，各振源电流幅度相等，而相位依次递增或递减的直线阵。均匀直线阵的方向图函数依据方向图乘积定理，等于元因子和阵因子的乘积。 二元阵辐射场： 式中： 类似二元阵的分析，可以得到N 元均匀直线振的辐射场： 令 ，可得到H 平面的归一化方向图函数，即阵因子的方向函数： 式中：ζφθψ+=cos sin kd 均匀直线阵最大值发生在0=ψ 处。由此可以得出 ])[,(212121ζθθθ?θj jkr jkr m e r e r e F E E E E --+=+=12 cos ),(21jkr m e F r E E -=ψ?θθζ φθψ+=cos sin kd ∑-=+-=10)cos sin (),(N i kd ji jkr m e e r F E E ζ?θθ?θ2πθ=)2/sin()2/sin(1)(ψψψN N A =kd m ζ?-=cos
这里有两种情况最为重要。 1.边射阵，即最大辐射方向垂直于阵轴方向，此时 ，在垂直于阵轴的方向上，各元观察点没有波程差，所以各元电流不需要有相位差。 2.端射振，计最大辐射方向在阵轴方向上，此时0=m ?或π，也就是说阵的各元电流沿阵轴方向依次超前或滞后kd 。 3设计过程 本次设计的天线为14元均匀直线阵天线，天线的参数为：d=λ/2，N=14相位滞后的端射振天线。基于MATLAB 可实现天线阵二维方向图和三维方向图的图形分析。 14元端射振天线H 面方向图的源程序为： a=linspace(0,2*pi); b=linspace(0,pi); f=sin((cos(a).*sin(b)-1)*(14/2)*pi)./(sin((cos(a).*sin(b)-1)*pi/2)*14); polar(a,f.*sin(b)); title('14元端射振的H 面方向图 ，d=/2,相位=滞后'); 得到的仿真结果如图所示： 14元端射振天线三维方向图的源程序为： y1=(f.*sin(a))'*cos(b); z1=(f.*sin(a))'*sin(b); x1=(f.*cos(a))'*ones(size(b)); surf(x1,y1,z1); 2 π?±=m
射频微带阵列天线设计 摘要 微带天线是一种具有体积小、重量轻、剖面低、易于载体共形、易于与微波集成电路一起集成等诸多优点的天线形式，目前已在无线通信、遥感、雷达等诸多领域得到了广泛应用。同时研究也发现由于微带天线其自身结构特点，存在一些缺点，例如频带窄、增益低、方向性差等。通常将若干单个微带天线单元按照一定规律排列起来组成微带阵列天线，来增强天线的方向性，提高天线的增益。 本文在学习微带天线和天线阵的原理和基本理论，加以分析，利用Ansoft 公司的高频电磁场仿真软件HFSS，设计了中心频率在10GHz的4元均匀直线微带阵列，优化和调整了相关参数，然后分别对单个阵元和天线阵进行仿真，对仿真结果进行分析，对比两者在相关参数的差异。最后得到的研究结果表明，微带天线阵列相较于单个微带天线，由于阵元间存在互耦效应以及存在馈电网络的影响，微带阵列天线的回波损耗要大于单个阵元。但是天线阵列增益明显大于单个微带天线，且阵列天线比单个阵元具有更好的方向性。
关键词：微带天线微带阵列天线方向性增益 HFSS仿真 Design of Radio-Frequency Microstrip Array Antenna ABSTRACT Microstrip antenna is a kind of antenna form with many advantages like,small size, light weight, low profile, easy-to-carrier conformal, easy integration with many other of microwave integrated circuits and so on. Now microstrip array wildly applied in the filed of wireless
阵列天线方向图及其MATLAB 仿真 1设计目的 1.了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数 2.运用MATLAB 仿真阵列天线的方向图曲线 3.变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系 2设计原理 阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。 在本次设计中，讨论的是均匀直线阵天线。均匀直线阵是等间距，各振源电流幅度相等，而相位依次递增或递减的直线阵。均匀直线阵的方向图函数依据方向图乘积定理，等于元因子和阵因子的乘积。 二元阵辐射场： 式中： 类似二元阵的分析，可以得到N 元均匀直线振的辐射场： 令 ，可得到H 平面的归一化方向图函数，即阵因子的方向函数： ])[,(212121ζθθθ?θj jkr jkr m e r e r e F E E E E --+=+=12 cos ),(21jkr m e F r E E -=ψ?θθζ φθψ+=cos sin kd ∑-=+-=10)cos sin (),(N i kd ji jkr m e e r F E E ζ?θθ?θ2 πθ=) 2/sin() 2/sin(1)(ψψψN N A =
式中：ζφθψ+=cos sin kd 均匀直线阵最大值发生在0=ψ 处。由此可以得出 这里有两种情况最为重要。 1.边射阵，即最大辐射方向垂直于阵轴方向，此时 ，在垂直于阵轴的方向上，各元观察点没有波程差，所以各元电流不需要有相位差。 2.端射振，计最大辐射方向在阵轴方向上，此时 0=m ?或π，也就是说阵的 各元电流沿阵轴方向依次超前或滞后kd 。 3设计过程 本次设计的天线为14元均匀直线阵天线，天线的参数为：d=λ/2，N=14相位滞后的端射振天线。基于MATLAB 可实现天线阵二维方向图和三维方向图的图形分析。 14元端射振天线H 面方向图的源程序为： a=linspace(0,2*pi); b=linspace(0,pi); f=sin((cos(a).*sin(b)-1)*(14/2)*pi)./(sin((cos(a).*sin(b)-1)*pi/2)*14); polar(a,f.*sin(b)); title('14元端射振的H 面方向图 ，d=/2,相位=滞后'); 得到的仿真结果如图所示： kd m ζ?-=cos 2π ?±=m
大型阵列天线的等效仿真计算 Equivalent Source Simulation Method For Large-scale Antenna Array 于嘉嵬周成哲 (成都中电锦江、成都、610051) 摘要: 阵列天线的仿真是典型的电大尺寸问题。由于规模大，如果采用全波方法计算时间长，需要大量的计算资源。Altair公司的FEKO软件的等效源技术可快速、精确计算阵列天线。本文介绍了此方法在一大型阵列天线仿真中的应用。关键词:阵列天线FEKO等效源技术 Abstract:The simulation of antenna array is electrically large problem typically. Due to the large number of element, the simulation of antenna array usually requires large computational resources. FEKO from Altair provides equivalent source technology which can be used to simulate antenna array fast and accurately. In this paper, one large-scale antenna array is simulated by this method. Key words: Antenna array, FEKO, Equivalent source 1 概述 阵列天线是由不少于2个天线单元规则或随机排列,并通过适当激励获得预定辐射特性的1类特殊天线.阵列可由各种类型的天线组成,数目可以是2个甚至几十万个.通过选择和优化阵单元的结构形态、排列方式和馈电幅相特性,阵列天线能够实现单个天线难以提供的优异特性,如更高的增益、方位分辨率、系统信噪比等指标,因此在雷达和通信等领域被广泛地应用。 2 等效源技术精确计算阵列天线 阵列天线的仿真计算规模较大，计算时间长，往往需要耗费大量的计算资源。阵列天线规模如果较小，用常规的建模计算尚可实现，当计算规模达到一定程度时，往往需要用到等效法进行计算。本文提供了一种针对大型面阵行之有效的等效计算方法。总体思路如下：建立一个和全阵排布规律一样的小阵，计算小阵中各个天线单元的方向图，用小阵中各个单元的方向图作为等效源按照全阵的排布规律进行排布，对排布好的阵列进行仿真计算，得出计算结果。本文用等效法计算一个64×64个喇叭单元组成的阵列天线。
ANSYS 2011中国用户大会优秀论文 1 基于HFSS 的Ka 波段微带阵列天线仿真设计 [夏景] [东南大学信息科学与工程学院，210096] [ 摘 要 ] 微带天线由于其重量轻、剖面小、易共形、设计灵活、成本低且易和等电路相集成等优点得到 了越来越广泛的应用，比如导弹制导、雷达、卫星通信等方面。毫米波波长介于微波和红外之 间，因而其特性也在一定程度上介于两者之间，如适中的分辨率及良好的烟尘穿透性，因此在 某些情况下可以完成微波和红外均难以完成的任务。本文主要对Ka 波段微带天线单元、T 接 头和拐角、2×2面阵和4×4面阵进行仿真，主要工作有：（1）设计天线单元，对单元S11 参数进行仿真；（2）设计T 型接头，仿真S11、S21等参数；（3）仿真2×2面阵和4×4 面阵的S11参数、方向图等特性。此外，利用4×4面阵的方向图结果和HFSS 的Antenna Array Setup 分析16×16的面阵方向图。 [ 关键词 ] Ku 波段、微带天线、HFSS Simulation of Ka-band Microstrip Array Antenna by using HFSS [Xia Jing] [School of information science and engineering, Southeast University, 210096] [ Abstract ] As to the advantages of light weight, small profile, easy conformal, design flexibility, low cost and easy to integrate the circuits, microstrip antenna has been more widely used, such as missile guidance, radar, satellite communications, etc. Millimeter wavelength ranges between microwave and infrared, so its characteristics are in between to some extent, such as the moderate resolution and good penetration of smoke, so in some cases it can complete the missions which microwave and infrared are difficult to accomplish. It is researched for the simulation of Ka-band microstrip antenna element, T connectors and corner, 2×2planar array, the main work are as follows: (1)Design the antenna element and simulate the S11 parameters; (2)Design the T-joint bending position; (3)Analysis of S11 parameter for 2×2 array and 4×4 array. Moreover, using the result of the array direction pattern of 4×4 array ，the antenna array of 16×16 array is studied using HFSS. [ Keyword ] Ku band, Microstrip antenna, HFSS
1前言 Ka波段微带天线是指工作频段在26-40GHz，波长范围在1.11-0.75cm的微带天线。鉴于Ka频段具有可用带宽宽、干扰少、设备体积小等优点，Ka波段天线在空间方面主要应用于卫星通信。在全球信息基础设施中，Ka波段卫星发挥着至关重要的作用，能够向最终用户提供各种经济实惠的实时网络服务，例如高速互联网接入、远程教育、远程诊断以及电视娱乐等。因此，Ka波段天线具有不可替代的重要作用。而Ka波段微带天线以其重量轻、剖面小、设计灵活、成本低廉且易和MIC、MMIC等电路相集成等优点应用于各种通信系统，并且已广泛应用于军事领域，例如雷达、导弹制导、引信等方面[1-3]。 目前，Ka波段微带天线在空间方面主要应用于卫星通信、飞机上的通信及警报设备、飞船与地面的通信等。另外，在宇宙空间方面主要应用于资源探测。在地面应用主要针对地面通信或对空中飞行物的定位、定向等。例如地面无线通信、飞机测高、机场管理、环境监测、汽车防撞雷达医疗设备、卫星电视接收等。 本文对Ka波段微带天线进行仿真设计，对微带天线单元、T型接头的微带天线阵列天线进行了分析，仿真了天线S参数和方向图等特性。 2微带阵列天线仿真设计 2.1天线单元设计 利用HFSS仿真设计微带天线单元。选取天线结构如图1所示。使用Rogers RT/duriod ε=，厚度h=0.245的介质基片。根据参考文献[1]，考虑f0=35.125GHz，5880介电常数 2.2 r 且取得低极化电平的限制为W/L=1.5，故先选取W=3.8mm，L=2.6mm。微带馈线特性阻抗选择为94Ω，馈线宽度为0.238mm。馈电位置选择在微带贴片的边缘位置馈电。 图1 微带天线单元图2 微带天线单元S11仿真结果
实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个波导缝隙阵天线 2.查看并分析波导缝隙阵天线的 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0.5λg ，距离波导宽边中心有一定偏移。Stevenson 给出宽边上纵向并联缝隙的电导为 ()a x g g π21sin = ()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221= 其中，x 为待求的偏移，a 为波导内壁宽边长度，λg 为波导波长。在具体的设计中，可以利用HFSS 的优化功能来确定缝隙的谐振长度。首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量，主要有缝隙偏移波导中心线的距离Offset ，缝隙的长度L ，缝隙的宽度W 等。一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W ，应用HFSS 的优化功能得出缝隙的偏移量Offset 和缝隙长度Length 。如图1所示，在波端口的Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2个波导波长的缝隙中心的Y 矩阵参数，根据波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此，当缝隙谐振时有Im(Y)=0。 单缝谐振长度优化示意图如下： 设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev 电流分布，前10个缝的电平分布如下： n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n 0.33 0.29 0.39 0.5 0.62 0.73 0.83 0.91 0.97 1.0 根据电平分布进行归一化：∑==10 1 212n n a K 短路 波端口 g λ4 1g λ2 1L
手把手教你天线设计—— 用MATLAB仿真天线方向图 吴正琳 天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。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。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。天线的基本单元就是单元天线。 1、单元天线 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。
1.1用MATLAB画半波振子天线方向图 主要是说明一下以下几点： 1、在Matlab中的极坐标画图的方法： polar(theta,rho,LineSpec)； theta：极坐标坐标系0-2*pi rho：满足极坐标的方程 LineSpec：画出线的颜色 2、在方向图的过程中如果rho不用abs(f)，在polar中只能画出正值。也就是说这时的方向图只剩下一半。 3、半波振子天线方向图归一化方程： Matlab程序： clear all lam=1000;%波长 k=2*pi./lam;
编号：毕业设计(论文)说明书 题目：圆极化微带4单元阵列天线 学院： 专业： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 题目类型：理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发 2012 年 6 月 5 日 摘要
圆极化天线具有一些显著的优点: 任意线极化的来波都可以由圆极化天线收到, 圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到; 圆极化天线具有旋向正交性, 圆极化波入射到对称目标反射波变为反旋向等。正是由于这些特点使圆极化天线具有较强的抗干扰能力, 已经被广泛地应用于电子侦察和干扰,通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等领域。
目录 第一章微带天线简介 ............................. 错误!未定义书签。
§1.1微带天线的发展............................. 错误!未定义书签。 §1.2微带天线的定义和结构....................... 错误!未定义书签。 §1.3微带天线的优缺点........................... 错误!未定义书签。 §1.4微带天线的应用 (6) 第二章微带天线的辐射原理与分析方法.............. 错误!未定义书签。 §2.1微带天线的辐射原理......................... 错误!未定义书签。 §2.2微带天线的分析方法......................... 错误!未定义书签。 §2.2.1 传输线模型法 (8) §2.2.2 空腔模型法........................... 错误!未定义书签。 §2.2.3 积分方程法........................... 错误!未定义书签。 §2.3微带天线的馈电方法......................... 错误!未定义书签。 第三章圆极化微带天线单元的设计与仿真............ 错误!未定义书签。 §3.1A NSOFT HFSS高频仿真软件的介绍............... 错误!未定义书签。 §3.2微带天线圆极化技术 (14) §3.2.1 圆极化天线的原理..................... 错误!未定义书签。 §3.2.2 圆极化实现技术 (15) 第四章圆极化微带4单元阵列天线的设计与仿真...... 错误!未定义书签。 §4.1圆极化微带天线单元的设计与仿真............. 错误!未定义书签。 §4.1.1圆极化微带天线单元的设计仿真......... 错误!未定义书签。 §4.1.2天线单元轴比的优化................... 错误!未定义书签。 §4.2馈电网络的仿真与设计....................... 错误!未定义书签。 §4.2.1两路微带等功率分配器的设计与仿真..........错误!未定义书签。 §4.2.2连续旋转馈电网络............................错误!未定义书签。 §4.3圆极化阵列天线模型的设计与仿真 ............. 错误!未定义书签。 §4.3.1阵列天线的创建与仿真................错误!未定义书签。 §4.3.2阵列天线的优化设计................错误!未定义书签。 第五章结论 致谢........................................... 错误!未定义书签。 参考文献错误!未定义书签。
前言 随着现代通信技术的迅猛发展，无线通讯越来越广泛，越来越多的应用于国防建设，经济建设以及人民的生活等领域。在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，用来辐射或接受无线电波的装置称为天线。在通信过程中，特别是点对点的通信，要求天线具有相当强的方向性，即希望天线能将绝大部分的能量集中向某一预定方向辐射。阵列天线就是近代天线研究的一种方向，其研究催生了包括相控阵天线，均匀直线列天线，智能天线等在无线通信，雷达，导航领域中广泛应用的新型天线。而天线阵列辐射场的研究是其中很重要的一部分。 天线是无线通信，广播电视，导航等工程系统中辐射或接收无线电波的部件。无线电信是以辐射传播的电磁波作为信息的载体而实现通信。在无线电信的实现中，天线具有至关重要的作用：在发送端天线把载有信息的导行电磁波转换为辐射电磁波；在接收端则完成相反的过程，即把载有信息的辐射电磁波转换为导行电磁波。无论是理论上还是工程实际中，天线问题的核心则是求取辐射电磁波在空间存在的规律，特别是求取其场量辐射的空间分布规律，这称之为天线的方向性。从易于理解和研究问题的方便考虑研究辐射波的问题都是从辐射源的分布求其辐射场的分布，即分析研究发射天线的辐射问题。 在天线的诸多特性参量中，天线的方向性无疑是第一位的，因为不同用途的无线电信系统要求不同的辐射场分布。单一天线靠改变尺寸及天线上的高频电流分布，对方向图的调控是极其有限的。这时我们就可以用多个天线（单元天线）组成一个天线系统，实现对天线辐射方向性的调控，获得所需的方向图。由单元天线组成的天线阵的目的是实现天线方向性的调控，以期获得所要求的方向性。
FEKO应用5：矩形喇叭天线仿真 内容：矩形喇叭天线及其阵列仿真 一、模型描述 天线模型描述： 天线形式为：矩形喇叭天线 馈电方式是：波导端口+波导激励 图1 喇叭阵列天线 计算项目： 计算天线单元的辐射和空间辐射场强，采用MoM求解器。 计算天线阵列（3x3）的辐射，采用MoM的DGFM技术 二、主要流程： 启动CadFEKO，新建一个工程：horn.cfx，在以下的各个操作过程中，可以即时保存做个的任何修正。 2.1：定义长度单位：默认为m 点击菜单“Home”中的图标按钮“Model unit”，在“Model unit”对话框中，选择cm；
图2设置模型单位 2.2：定义变量： 在CadFEKO中左侧的树型浏览器中双击“Variables”节点，依次定义如下变量： 工作频率：freq=1.645e9 工作波长：lam=c0/freq/0.01 波导截面长边尺寸：wa=12.96 波导截面窄边尺寸：wb=4.86 波导高度：wl=30.2 开口喇叭长边尺寸：ha=55 开口喇叭窄边尺寸：hb=42.80 开口喇叭长度：hl=46 2.3：模型建立： 天线模型建立：点击菜单“Construct”，选择“cuboid”，弹出“Create Cuboid”对话框：
图3建立波导模型 Definition methods: Base corner, width, depth，height ***采用默认设置Base centre (C)：U: -wa/2, V: -wb/2, N: -wl Width(W) : wa Depth(D): wb Height (H): wl Label: waveguide_section 点击“Create”按钮 点击菜单“Construct”，选择“Flare”，弹出“Create Flare”对话框：Definition methods: Base centre, width, depth, height, top width,top*** Base centre(C): U: 0.0, V:0.0, N:0.0 Bottom width(Wb): wa Bottom depth(Db): wb Height (H): hl Top width (Wt): ha Top depth (Dt): hb
要求：利用介质常数为2.2，厚度为1mm ，损耗角为0.0009的介质，设计一个工作在5G 的4X4的天线阵列。 评分标准： 良：带宽〈7% 优：带宽〉7%且效率大于60% 1微带辐射贴片尺寸估算 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基板，假设介质的介电常数为r ε，对于工作频率f 的矩形微带天线，可以用下式设计出高效率辐射贴片的宽度W ，即为： 1 21()2 r c w f ε-+= 式中，c 是光速，辐射贴片的长度一般取为/2e λ；这里e λ是介质内的导波 波长，即为： e λ= 考虑到边缘缩短效应后，实际上的辐射单元长度L 应为： 2L L = -? 式中，e ε是有效介电常数，L ?是等效辐射缝隙长度。它们可以分别用下式计算，即为： 1 211 (112)22r r e h w εεε-+-= ++ (0.3)(/0.264) 0.412(0.258)(/0.8) e e w h L h w h εε++?=-+ 2.单元的仿真 由所给要求以及上述公式计算得辐射贴片的长度L=19.15mm,W=23.72mm 。采用非辐射边馈电方式，模型如图1所示：
图1 单元模型 此种馈电方式，可以通过移动馈电的位置获得阻抗匹配，设馈电点距离上宽边的偏移量为dx,经仿真得到当dx=4mm时，阻抗匹配最好。另外，之前计算出的尺寸得到的谐振点略有偏移，经过仿真优化后贴片尺寸变为L=19mm,W=23.72mm。仿真结果图如图2，图3所示。 图2 S11参数
图3 增益图 从图中可以看出谐振点为5GHz，计算的相对带宽为2.2%，增益为5.78dB。 2. 2×2阵列设计 设计馈电网络并组阵，模型图如图4所示。
天线阵代码 https://www.doczj.com/doc/135780573.html,/downloads164/sourcecode/math/de tail750575.html 一、 clc clear all f=3e9; N1=4;N2=8;N3=12; a=pi/2; %馈电相位差 i=1; %天线电流值 lambda=(3e8)/f; %lambda=c/f 波长 d=lambda/2; beta=2.*pi/lambda; W=-2*pi:0.001:2*pi; y1=sin((N1.*W./2))./(N1.*(sin(W./2))); %归一化阵因子 y1=abs(y1); r1=max(y1); y2=sin((N2.*W./2))./(N2.*(sin(W./2))); %归一化阵因子 y2=abs(y2); r2=max(y2); y3=sin((N3.*W./2))./(N3.*(sin(W./2))); %归一化阵因子 y3=abs(y3); r3=max(y3); %归一化阵因子绘图程序, figure(1) subplot(311);plot(W,y1) ; grid on; %绘出N=4等幅等矩阵列的归一化阵因子 xlabel('f=3GHz,N=4,d=1/2波长,a=π/2') subplot(312);plot(W,y2) ; grid on; %绘出N=8等幅等矩阵列的归一化阵因子 xlabel('f=3GHz,N=8,d=1/2波长,a=π/2') subplot(313);plot(W,y3) ; grid on; %绘出N=12等幅等矩阵列的归一化阵因子 xlabel('f=3GHz,N=12,d=1/2波长,a=π/2') %--------------------- %只有参数N改变的天线方向图 t=0:0.01:2*pi; W=a+(beta.*d.*cos(t)); z1=(N1/2).*(W); z2=(1/2).*(W); W1=sin(z1)./(N1.*sin(z2)); %非归一化的阵因子K1
阵列天线方向图及其MATLAB仿真一．实验目的 1.了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数 2.运用MATLAB仿真阵列天线的方向图曲线 3.变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系 二．实验原理 1.阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并 通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。 ^ 2.方向图原理：对于单元数很多的天线阵，用解析方法计算阵的总方向图相当繁杂。假如一个多元天线阵能分解为几个相同的子阵，则可利用方向图相乘原理比较简单地求出天线阵的总方向图。一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘上以子阵为单元 阵列天线 天线阵的方向图。这就是方向图相乘原理。一个复杂的天线阵可考虑多次分解，即先分解成大的子阵，这些子阵再分解为较小的子阵，直至得到单元数很少的简单子阵为止，然后再利用方向图相乘原理求得阵的总方向图。这种情况适应于单元是无方向性的条件，当单元以相同的取向排列并自身具有非均匀辐射的方向图时，则天线阵的总方向图应等于单元的方向图乘以阵的方向图。
三．源程序及相应的仿真图1.方向图随n变化的源程序 clear; sita=-pi/2::pi/2; lamda=; ] d=lamda/4; n1=20; beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda; z11=(n1/2)*beta; z21=(1/2)*beta; f1=sin(z11)./(n1*sin(z21)); F1=abs(f1); figure(1); plot(sita,F1,'b'); hold on; n2=25; ： beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda; z12=(n2/2)*beta; z22=(1/2)*beta; f2=sin(z12)./(n2*sin(z22)); F2=abs(f2); plot(sita,F2,'r'); hold on; n3=30; beta=2*pi*d*sin(sita)/lamda; z13=(n3/2)*beta; z23=(1/2)*beta; > f3=sin(z13)./(n3*sin(z23)); F3=abs(f3); plot(sita,F3,'k') hold off; grid on; xlabel('theta/radian'); ylabel('amplitude'); title('方向图与阵列个数的关系'); legend('n=20','n=25','n=30');