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
可以得到K=0.100598。由下式可以得到各个缝隙的导纳值:gn=Ka2n 各个缝隙的导纳如下：
g_1=0.010955，g_2=0.00846 g_3=0.0153，g_4=0.0265 g_5=0.03867，g_6=0.0536 g_7=0.0693，g_8=0.0833 g_9=0.09465，g_10=0.100598
选用WR-9型波导，其波导尺寸为：宽边a=22.86mm ，窄边b=10.16mm 。工作频率为10GHz ，工作波长λ=30mm ，波导波长λg=39.75mm 。根据波导各个尺寸可得偏移量与导纳之间的关系为
()
n g a
x 066.1arcsin π
=
由上述导纳值可以求得各个缝隙的偏移量：
mm x 8136.01= mm x 7146.02=
mm x 9623.03= mm x 2691.14=
mm x 5368.15= mm x 8146.16= mm x 0698.27= mm x 2757.28= mm
x 4314.29= mm x 5097.210=
四、实验内容
利用HFSS 软件设计波导缝隙阵天线。天线阵中心频率为10GHz ，选用WR-90型波导，其具体尺寸为：宽边22.86mm ，窄边10.16mm ，波导波长39.75mm 。
此设计过程可分为两个子工程：
子工程1 在给定缝隙偏移量下优化缝隙的谐振长度，可以利用该工程1 对各个缝进行优化；子工程2 建立含有所有缝隙的完整模型。
最后得到该天线的二维和三维方向图的仿真结果。
五、实验步骤
子工程1：在给定缝隙偏移量下优化缝隙的谐振长度 1.建立新工程
2.将求解类型设置为激励求解类型：
（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type 。 （2）在弹出的Solution Type 窗口中 (a)选择Driven Modal 。 (b)点击OK 按钮。 3.设置模型单位
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units 。 （2）在设置单位窗口中选择：mm 。 4.
（1
创建长方体模型Wave guide。长方体的起始点位置坐标：X：-11.43，Y：0.0，Z：0；
长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：22.86，dY：29.8125，dZ：10.16
（2
(a)在菜单栏中点击3DModeler>Coordinate System>Create>Relative CS>Offset。
(b)在坐标输入栏中输入坐标：X：0.0，Y：9.9375，Z：10.16
(c)创建长方体模型Slot
起始点位置坐标：X：-0.5，Y：-7.0，Z：0.0；长方体X、Y、Z三个方向的尺寸：dX：
1.0，dY：14.0，dZ：1.0
(d)
圆柱中心点的坐标：X：0.0，Y：-7.0，Z：0.0；圆柱半径：dX：0.5，dY：0.0，dZ：
0.0；圆柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0
(e)
圆柱中心点的坐标：X：0.0，Y：7.0，Z：0.0；圆柱半径：dX：0.5，dY：0.0，dZ：0；
圆柱的高度：dX：0.0，dY：0.0，dZ：1.0
(f)在操作历史树中利用Ctrl键选择Slot、Cylinder1、Cylinder2，注意选择的顺序
(f)创建的模型,在坐标输入栏中输入坐标：X：2.0，Y：-7.0，Z：0.0
（3）建立Air
(a)
长方体的起始点位置坐标：X：-25，Y：-10.0，Z：11.16；长方体X、Y、Z三个方向
的尺寸:dX：50，dY：50，dZ：10
5.
（1）设
（2）设置理想磁壁。
6.设置激励端口p1
7.
将缝隙的长度和偏移量设置为工程变量，这样可以在当前给定的偏移量下，优化仿真出缝隙的谐振长度。
（1
(a)在菜单栏中点击Project>Project Variables
(b)在Project Variables标签中选择Value
(c)点击Add添加工程变量$L，其值设为13.5mm
(d)继续添加如下工程变量：$offset:2mm。
（2
(a)在操作历史树中展开slot，双击Create Box
Position:-0.5mm，-$L/2，0mm
X Size:1mm
Y Size:$L
Z Size:1mm
(b)展开slot中的Unite，双击Cylinder1中的Create Cylinder，在对话窗口中将原尺寸改为：
Position:0mm，-$L/2，0mm
Radius:0.5mm
Height:1mm
(c)同样地，双击Cylinder2中的Create Cylinder，在弹出的对话窗口中将原尺寸改为：
Position:0mm，$L/2，0mm
Radius:0.5mm
Height:1mm
(d)双击Move，将Move Vector坐标修改为$offset，0mm，0mm。
8.
为该问题设置求解频率，工作频率为10GHz。
(a)在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup
(b)
Solution Frequency:10.0GHz
Maximum Number of Passes:15
Maximum Delta S per Pass:0.02
9.保存工程
10.求解该工程
11.
（1）在菜单栏中点击Project>Project Variables，在对话框中选择Optimization，选中待优化变量$L，将优化变量的范围设置为［13mm，15mm］
（2）在菜单栏中点击HFSS>Results>Output V ariables，添加输出变量cost。，首先点击Insert Function，插入abs，点击Report Type下拉菜单，选择Modal Solution Data，点击Solution 下拉菜单，选择Setup1:Last Adaptive，然后做如下设置：
Category：Y Parameter
Quantity：Y(WavePort1，WavePort1)
Function：im
点击Insert Quantity Into Expression，然后点击Done。
（3）在菜单栏中点击Optimetrics>Analysis>Add Optimization。在Goal标签中点击Add 按钮，添加优化目标，如图5-2-60所示；在Calculation中点击下拉菜单，选择cost；在Condition 中选择Minimize。在Optimizer中可以选择不用的优化方法。
（4）点击HFSS>Analyze All，可以优化在当前$offset下缝隙的谐振长度。经过计算，在$offset＝2mm时，谐振长度$L=13.69mm。
子工程2
利用子工程1可以根据各个缝隙的偏移量优化其谐振长度。这里为了方便建模，各个缝隙除去倒角的长度均选择为13.6mm。读者可以根据优化结果详细设置各个缝隙的长度。1.建立新
为了方便创建模型，在Tools>Options>HFSS Options中将Duplicate boundaries with geometry复选框选中。
2.同子工程1一样建立Wave guide
其尺寸为：X：-11.43，Y：0.0，Z：0.0；dX：22.86，dY：407.435，dZ：10.16
3.同子工程1一样建立Slot1
在局部坐标系下选择Slot1。在坐标输入栏中输入：X：0.0，Y：0.0，Z：0.0；dX：0.0，dY：19.875，dZ：0.0。在弹出的Duplicate a long line对话框中，设置复制的总数为20。根据各缝隙的偏移量依次沿X轴移动各个缝隙。
4.设置Air
在局部坐标系下的尺寸为：X：-20，Y：-20，Z：1.0；dX：40，dY：440，dZ：10
5.
6.
Solution Frequency:10.0GHz
Maximum Number of Passes:15
Maximum Delta S per Pass:0.02
7.保存工程
8.求解该工程
9.
（1）3D
(a)在Infinite Sphere
Phi:Start:0deg，Stop:360deg，Step:2deg
Theta:Start:0deg，Stop:180deg，Step:2deg
(b)在菜单栏中点击HFSS>Results>Create Report
(c)
Report Type：Far Fields，Display Type：3DPolarPlot
(d)在弹出的对话窗口中设置Mag标
Category:Gain，Quantity:Gain Total，Function:dB
(e)点击Add Trace按钮
（2）2D
(a)在菜单栏中点击HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere
(b)在Infinite Sphere
Phi:Start:90deg，Stop:90deg，Step:0deg
Theta:Start:0deg，Stop:360deg，Step:1deg
(c)在菜单栏中点击HFSS>Results>Create Report
(d)
Report Type：Far Fields，Display Type：Radiation Pattern
(e)在弹出的对话窗口中的Geometry下拉菜单中设置InfinteSphere2，在Sweep标签中将第一变量设置为Theta，在Mag
Category:Gain，Quantity:Gain Total，Function:dB
(f)点击New Report按钮
六、实验结果
仿真图如下：
缝隙阵的3D增益方向图如下:
缝隙阵的2D远场方向图如下:
从上面的方向图可以看出该缝隙阵的主瓣增益达到10.47dB，且呈现笔形波束。而第一副瓣约为-14.74dB，与主瓣相差25dB左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要求。
七、问题思考及小结
本实验用HFSS建立了波导缝隙天线的模型，并进行了仿真分析。从仿真结果可以看出天线满足设计要求，同时也说明了使用HFSS建模方法的可行性。由于书上列出了很详细的操作步骤，设计思路都体现在里面，所以仿真时能够很快的把握住设计思路，进一步学会如何利用HFSS设计波导缝隙阵天线，并通过所形成的增益方向图和远场方向图分析其特性。学习将基础的理论知识应用到微带天线的实际设计中，收获颇丰。
波导缝隙天线的EBG 的应用 张运启 栗 曦 杨 林 （西安电子科技大学天线与电磁散射研究所，西安，710071） 摘 要：研究一种新型的EBG 结构在波导缝隙天线中的应用。这种新型的EBG 具有可以有效抑制表面波的特性，提出了在阵面缝隙单元间加载EBG 周期单元结构的方案，抑制波导缝隙天线之间的互耦。通过与传统的波导缝隙天线进行比较得出加载新型EBG 结构的波导缝隙天线在互耦上有很大改善。 关键词:波导缝隙阵列天线；Electromagnetic band-gap(EBG)；互耦 The Waveguide Slot Array Antenna Above EBG Structure Zhang Yun-qi ， Li Xi ，Yang Lin (National Laboratory of Antenna and Microwave Technology,Xidian university,Xi’an shaanxi,710071 ，China) Abstract :The performance of the waveguide slot array antenna above the electromagnetic band-gap(EBG) structure is investigated.The kind of EBG is able to control the surface wave.The project of control the 21S between the waveguide solt antenna by loading the periodic unit of EBG between the units has been lodged.It is found that the 21S improved in the waveguide slot array antenna through comparison. Key words : waveguide solt array antenna; EBG; couple 引 言 波导缝隙天线具有口面场分布容易控制，没有能量漏失、天线口径效率高、性能稳定、结构简单紧凑、强度高、安装方便、抗风力强等优点，而且容易实现窄波束、赋形波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波导缝隙天线已经成为新型雷达中天线的优选形式，被广泛应用于雷达和通讯领域。但这种形式的天线由于有比较大的金属地平面，存在强烈的TM 表面波和空间波耦合，以及地面边缘的多径干扰，这些因素都将影响天线阵列的性能。 电磁带隙结构（EBG ）在电磁传输场和天线领域的应用研究越加广泛和深入，本文着重关注的Mushroom-like EBG 结构，具有有效的表面波抑制带隙和紧致的特征，这在通讯天线和阵列天线的应用中是非常重要的。 本文以此为切入点，将EBG 结构与金属波导缝隙阵列相结合，旨在利用EBG 结构对表面波的抑制特性，改善原天线的性能。 1 电磁带隙结构（EBG）单元 本文根据一种电磁带隙的快速分析方[2] 法进行建模仿真，电磁带隙（EBG ）结构单元如图 1 图1 电磁带隙结构单元 仿真计算上述二端口波导的传输系数21S 的幅度，如图2所示。可以看出在00F F ?+:有带隙。由于该波导由一对理想电壁和理想磁壁组成，是一个TEM 波导，因此不存在截止频率。 图2 电磁带隙结构单元的21S 2 传统的波导缝隙阵列天线 我们建立波导缝隙阵列天线进行仿真，分析
波导缝隙天线的设计和仿真 波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。它广泛用于各种领域： 1、地面、舰载、机载雷达 2、导航雷达 3、气象雷达 4、雷达信标天线LL ……………………………… 特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。 波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。 波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。
主要讨论的内容： 1.波导缝隙天线的设计基础理论 2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真 3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真 4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论 本章中您主要的目标是： 1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。 2.了解波导缝隙的基本等效电路。 3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。 4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。
把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。
微带天线研究 摘要 通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，很具有研究前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文简要介绍了微带天线和微带缝隙天线的分类、分析方法、主要参数，然后提出了一种三角形缝隙微带天线。在介质基板的一面一个三角形缝隙，另一面采用一个等腰三角形微带线进行馈电。通过仿真给出了天线的s参数，VSWR和方向图。 关键词：天线参数，微带天线，微带缝隙天线，三角形缝隙微带天线设计
目录 一、绪论 (3) 1.1 简介 (3) 1.2 微带天线的发展 (3) 1.3 微带天线的特点 (3) 二、微带天线基本知识 (4) 2.1 微带天线的辐射机理 (4) 2.2微带天线的分析方法 (4) 2.3微带天线的主要电参数 (5) 2.3.1 输入导纳 (5) 2.3.2 辐射电阻和品质因数 (5) 2.3.3 带宽 (6) 2.3.4 方向性系数、增益和天线效率 (6) 2.3.5 方向图 (7) 2.4 激励方法 (7) 2.4.1 微带馈电 (7) 2.4.2 同轴线馈电 (8) 三、微带缝隙天线 (8) 3.1 矩形缝隙天线 (9) 3.1.1 输入阻抗 (9) 3.1.2 方向图 (11) 3.2 环形缝隙天线 (11) 3.3 锥形缝隙天线天线 (12) 四、三角缝隙宽缝微带天线 (13) 4.1 天线设计与性能 (13) 4.2 软件仿真 (14) 参考文献 (15)
一、绪论 1.1简介 微带天线（microstrip antenna）是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线分2 种：①贴片形状是一细长带条，则为微带振子天线。②贴片是一个面积单元时，则为微带天线。如果把接地板刻出缝隙，而在介质基片的另一面印制出微带线时，缝隙馈电，则构成微带缝隙天线。 1.2 微带天线的发展 微带天线的概念早在1953年就由Deschamps提出，但是并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，从70年代起，由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证。微带天线随着应用领域的快速扩展而开始被广泛的研究和使用。1970年出现了第一批实用的微带天线。这以后微带天线的研究有了迅猛的发展。新形式和新性能的微带天线不断涌现，其中，许多学者和工程师对微带天线的双频、多频操作进行了大量的研究应用。早期发展的结构为堆叠式与共平面式的结构，之后随着频率比、极化要求以及整体天线体积上的要求，并配合不同的馈入方式而有各种不同设计结构出现。例如有使用多个寄生元件或两个独立辐射元件的结构，有利用单一馈源或同时使用两个独立馈源在不同位置的设计，也有利用植入电抗性负载的设计，这些电抗性负载广义而言包括短路同轴微带，嵌入的微带线，短路棒、变容二极管、槽孔等等。在解决微带天线窄频带特性的问题上，各种设计不断推陈出新，所利用的方法也不断被开发并互相结合。例如有使用低介电常数的厚介质基底的设计，植入贴片电阻等损耗性元件的设计，植入集成式电抗性负载的设计，在馈入端设计匹配网络、堆叠结构的设计，寄生元件的设计，植入槽孔以及利用槽孔耦合馈电的方式等等。 但是上述方法也存在不足，有时会影响天线其它性能指标。例如，使用短路探针加载，在缩减天线尺寸的同时，对带来一些缺点，一方面使阻抗匹配依赖于短路探针的位置及其馈电点的距离，给制造公差提出了苛刻的要求，另一方面是带宽缩减，如若使用电抗性元件加载同样会造成带宽缩减，如若使用电阻性器件，虽然有助于展开频带，但是电阻性元件对能量的消耗将降低天线的效率。因此，如何在实现小型化微带天线多频段、宽频带工作性能的同时，兼顾其它天线性能指标，如效率、增益、极化等，已经逐渐成为微带天线研究的热点和难点。 1.3 微带天线的特点 微带天线一般应用在1GHZ---50GHZ，特殊的微带天线也可用在几十兆赫。它的特点主要有： （1）体积小，重量轻，低剖面，能与载体共型，除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，不影响载体的空气动力学性能。 （2）天线的散射截面较小；不需要背腔。 （3）电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整；可以工作在双频或多频；稍稍改变亏点位置就可以得到线极化和圆极化。 （4）能和有源器件，电路集成为统一的组件，适合组合式设计；利于大规模生产，降低了成本。 （5）频带较窄；增益低。 （6）有损耗，因此效率较低。 （7）端射性能差；可能存在表面波。 （8）单个微带天线的效率容量较低。
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：∑==101212n n a K 短 路 波端口g λ41g λ2 1L
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
课程设计说明书 题目：基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称：
基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计 摘要：通信系统的发展带来了天线行业的勃勃生机，在众多的天线类型中微带天线已成为当前研究的前沿之一，具有广阔的前景与实用意义。特别是微带缝隙天线，以其重量轻、剖面薄、平面结构且易与载体共形，馈电网络可与天线结构一起制成等优点已经引起天线工作者的广泛关注。本文就设计一个中心频率工作为880MHz，相对带宽为B=5％，介质板厚度h=1.6mm，损耗角正切tanδ=0.0018，介电常数为Er=2.3的微带缝隙天线展开研究以及仿真和优化。 关键词：ADS；微带缝隙天线；仿真设计； Design of microstrip slot antenna based on ADS simulation Abstract: Communication system development has brought the antenna the vitality of the industry, in many types of antenna microstrip antenna has become one of the forefront of current research, has broad prospects and practical significance. Microstrip slot antenna, in particular, with its light weight, thin section, flat structure and easy with conformal carrier, feeding the advantages of network can be made with the antenna structure has caused extensive concern of antenna workers. In this paper, the design of a work center frequency is 880 MHZ, relative bandwidth is B = 5%, medium plate thickness h = 1.6 mm, loss tangent tan delta = 0.0018, the dielectric constant of Er = 2.3 microstrip slot antenna study and simulation and optimization. Key words: ADS; Microstrip slot antenna. The simulation design; 学习目的
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/9b8087489.html, 波导缝隙天线的设计仿真 作者：蒋德富刘健 来源：《现代电子技术》2013年第20期 摘要：电磁仿真软件HFSS以其高精度，高可靠性在电磁仿真设计中得到了广泛的应用。但对于复杂天线的模型，其没有很好的方法简化建模操作，需要花费大量的设计时间。将HFSS提供的VBScript脚本语言功能作为接口，利用Matlab调用控制HFSS，从而协同HFSS 建立模型，达到快速建模的目的。提出了一套波导缝隙阵天线的设计方法，设计一个波导缝隙阵天线，运用Matlab协同HFSS建立天线模型，并进行仿真分析。结果验证了天线设计方法的准确性，以及运用Matlab调用HFSS建模的可行性。 关键词： HFSS； Matlab；波导缝隙天线；协同仿真 中图分类号： TN823.24?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013） 20?0014?03 波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。使用HFSS的3D 建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。利用HFSS提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。 1 基本理论 波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于[λg2]，驻波阵在距离终端[λg4]处接短路滑块，单元间距均为[λg2]，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。 1.1 波导缝隙天线理论分析 波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。 Stevenson等效电路法，就是根据传输
波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程 1. 引言波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。使用HFSS 的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。利用HFSS 提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。 2.基本理论波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。 通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于g /2 ，驻波阵在距离终端g /4 处接短路滑块，单元间距均为g /2 ，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。 2.1 波导缝隙天线理论分析 波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。Stevenson 等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。 归一化等效谐振电导为：
ETC系统5.8GHz微带二元天线阵列设计与仿真 代玲玉1，张立华2 1. 武汉理工大学电信系，武汉（430070） 2. 总装驻3303厂军事代表室，武汉（430200） E-mail：sunlit1986@https://www.doczj.com/doc/9b8087489.html, 摘要：本文介绍了几种常用的天线，简要分析微带贴片天线工作原理，设计一种适用于ETC系统的工作在5.8GHz的微带二元贴片天线阵列。并通过Ansoft HFSS V9.2软件仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，得到天线的方向图、输入阻抗以及S参数，仿真结果较好，为实际天线制作与测试提供十分有价值的参考信息。 关键词：ETC系统；5.8GHz；微带二元天线阵；Ansoft HFSS V9.2；Smith V2.0 1 引言 随着社会的高速发展，交通阻塞、拥挤现象日趋严重，各国家利用电子、通信等高新技术来改造现有道路运输系统和管理体系，依此来大幅度提高路网通行能力和服务质量。 ETC(Electronic Toll Collection)即电子不停车收费系统，是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统。使用该系统，车主通过收费站时不需要停车，耗时不到两秒，该收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。 ETC系统通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。车辆自动识别技术是其中最重要的技术，采用工作波段在5.8GHz的微波非接触式ID卡来完成识别工作，而天线是实现该项技术的重要元件。其中采用Ansoft HFSS V9.2软件对所需天线进行仿真设计可以直观地看到天线的特性，减少很多工作量，进而更快更准确地设计出符合实际需求的天线[1]。 2天线 天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。IEEE官方对天线的定义：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。”时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。天线能够定向辐射和接收电磁能量[2]。 天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线；按照用途可以分为通信天线、雷达天线、广播天线和电视天线等；按照波段可以分为长波天线、中波天线和短波天线等。一般常见的天线结构为县天仙、环天线、（反射）面天线、喇叭天线、介质天线、微带天线和裂缝天线等，如图1所示。为了实现特定的工程任务，天线经常也组成天线阵列。 线天线环天线微带天线
波导缝隙阵带宽总结 一，改善波导缝隙天线带宽的方法： 波导裂缝阵列天线具有较高的功率容量、较低的交叉极化、较低的馈电损耗以及较高的效率等优点而被广泛应用于雷达和通信领域。波导缝隙天线虽然有很多优点，但是其也有固有的缺点，即工作频带很窄，相对带宽一般在1%-4%之间。但是随着需求的发展，目前一些应用对波导缝隙天线的带宽也提出了要求，例如高分辨率合成孔径雷达，同时在这些应用中对交叉极化抑制的要求也很高，因此对宽带和低交叉极化的波导缝隙阵的研究是具有非常现实的意义的。 波导缝隙天线阵包括两种，行波阵和谐振阵。前者波导辐射缝隙间距偏离半个波导波长，一端激励一端接匹配负载，电磁波在波导内成行波状态，通常应用与大型天线阵中。后者单元间距为半个波导波长，一端激励一端在离最后一个辐射缝隙四分之一波导波长处短路，波导内电磁波呈驻波状态，这种阵一般应用于小型阵列。前者频带宽些，但在大型阵中由于波导传输损耗及终端负载的吸收，效率较低。后者一般效率高些，但是带宽窄些。总之，工作频带都较窄。 早期人们采用串-并联缝隙，倾斜偏置缝或分别匹配每个缝隙的方法来展宽带宽，但是采用串-并联缝隙或倾斜偏置缝将带来另一计划分量增加的问题，而匹配每个缝隙对于天线阵设计来说是比较困难的事情。目前，常用的改善波导缝隙天线带宽的方法有三种：１将天线分成若干个子阵；２采用中间馈电的馈电方式；3用脊波导代替矩形波导。 二，具体实例 （1） 对于波导窄边开斜缝天线阵，由于缝隙倾斜引起较高的交叉极化电平。窄边非倾斜缝辐射单元形式。由于辐射电磁波的电场分量垂直于辐射细缝，而此种
辐射缝隙完全垂直于波导的轴线，排除了单元在垂直于波导纵向的电场分量，因此辐射电磁波只包含波导轴向分量，从而得到优越的交叉极化特性。所以用非倾斜缝隙作为辐射单元组成的天线将得到非常高的交叉极化抑制性能。本文提出一种非倾斜缝的新型激励方式，将一对切角矩形金属膜片置于缝隙两边，膜片紧贴于波导的宽边和上部窄边上，这种结构有利于天线阵的制作和增加可靠性。设计加工了一个x波段的16元侧射均匀直线阵，为了有效展宽工作带宽，将天线阵划分成4个谐振子阵，并由一个波导功分器馈电。测试结果验证了设计的可行性。 图1 波导窄边非倾斜缝结构 波导窄边的电流只有y分量，当在窄边沿y向开非倾斜细缝时，其切割的电流几乎忽略不计，在缝隙内不能激励起电磁场，因此对空间不能产生辐射。为了改变这一状况，此处采用一对切角矩形金属膜片置于缝隙两边(如图l所示)，改变缝隙附近波导内的场分布，从而使波导窄壁上电流具有z分量，这样非倾斜缝就可以有效切割电流，在缝隙内激励起电磁场，进而向空间产生辐射。由于波导窄边尺寸较小，为了得到谐振长度，缝隙需要扩展到波导的宽边，切割到宽边的深度为h。为了改善因单元数较多限制天线阵工作带宽的因素，将天线阵分成4个子阵，并由一个波导功分器馈电。功分器如图2所示
L型探针馈电的微带天线仿真设计 中文摘要 近年来，随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断朝着小型化方向发展，同时对天线体积，集成化及工作频段的要求也越来越高。重量轻，剖面低，成本低和易于集成的微带天线，受到大家的广泛的关注。目前微带天线的主要限制还在于天线的狭窄。经过数十年的发展，很多研究学者提出了拓展微带贴片天线带宽的方法，其中采用L型探针馈电的方式得到了很多关注。 由于L 型探针垂直部分及水平部分和贴片之间产生感抗和容抗，两者相互作用产生谐振，使天线频带拓宽或者呈现多频带。这使得L型探针馈电广泛应用于现代移动通信系统中。本文介绍了微带天线的辐射原理及微波射频段电磁波的基本理论及L型探针馈电的微带天线。 文中依据理论分析以及数值计算相结合的方式设计出满足设计需要的微带天线并借助天线设计软件HFSS分析了L型探针水平段和竖直端长度对天线带宽的影响，在最后设计了一副进行仿真优化了的信号频段在3.2~4.4GHz的L型探针馈电的微带天线。 关键词：微带天线；容感性；L型探针馈电；HFSS仿真
The design and Simulation of antenna with L-shaped probe feed Absract In recent years,with the increasing number of mobile munication system,munication equipment developed towards miniaturization direction constantly,and the antenna size,high integration and frequency requirements are also being more and more important.Light weight, with low profile,low cost and ease of integration has got widespread attention by all of us.The major limitations of microstrip antenna now is the bandwidth of the antenna. After decades of development,a lot of research scholars proposed method to expand the bandwidth of the microstrip patch antenna,which adopts the L-shaped probe feed get a lot of attention. Because vertical section and horizontal section of L-shaped probe create inductive reactance and capacitive reactance,and both of them interact to produce resonance, this makes the antenna has wide bandwidth or multiple frequency bands. This makes L-shaped probe feed is widely used in modern mobile munications system. This paper introduces the radiation principle of microstrip antenna and microwave radio frequency section of the basic theory of electromagnetic wave transmission and the antenna with L-shaped probe feed. Based on the basic theory of microstrip antenna analysis and numerical calculation design a microstrip antenna meet the design need,and analysis the effect of the size horizontal and vertical section of L-shaped probe on the antenna bandwidth with the aid of with simulation software HFSS.In the final,it designs a microstrip antenna with L-shaped probe feed which the transmission signal frequency band in 3.2~4.4 GHz. KEY WORD：Microstrip antenna；Should the emotion；L-shaped feed；HFSS simulation
一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真 作者：李高升,卢中昊,刘锋,何建国 来源：《现代电子技术》2010年第21期 摘要:给出了波导缝隙天线设计步骤,设计一种X波段波导缝隙天线,计算了天线口径、波导数量、缝隙的单元数量、宽度、位置等参数,设计半高波导宽臂耦合谐振缝魔T和差器,在此基础上完成了天线设计。仿真结果表明,当中心频率为12 GHz时,和波束增益为28.9 dB,第一副瓣电平为-22.2 dB,所设计的天线形式可获得较好的和、差波束方向图、电压驻波比和增益等参数。 关键词:波导缝隙天线; 低副瓣; 辐射缝隙; 和差器 中图分类号:TN957.2-34文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)21-0005-04 Design and Simulation of Waveguide Aperture Antenna Working in X-band LI Gao-sheng, LU Zhong-hao, LIU Feng, HE Jian-guo (College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: The procedures for designing a waveguide aperture antenna are presented. A waveguide aperture antenna working in X-band is designed. The aperture of antenna, number of waveguide, and parameters of aperture including number, width and location are calculated. A wide-arm coupling resonant aperture magic T comparator with half-height waveguide is designed, based on which the design of the antenna is finished. Simulation results indicate that gain of the sum beam is 28.9 dB and the first side lobe is -22.2 dB at 12 GHz. The antenna can attain good parameters such as sum and subtract pattern, voltage stand wave ratio and gain. Keywords: waveguide aperture antenna; low side lobe; radiation slot; comparator 0 引言 随着信息化水平的提高和无线电技术的发展,对高效率、低副瓣天线的需求日渐强烈,特别是弹载、机载搜索和跟踪天线,由于早年常用的抛物面天线固有的口径遮挡,难以在这两方面有大幅度提高,不能满足日益增长的需求。 波导缝隙天线在设计方面具有较大的灵活性,可调整和优化的参数多,较易实现高效率、超低副瓣和高增益,还具有承受功率高,结构紧凑等优点,得到了广泛的研究和应用[1-2]。
一种宽频带微带天线的设计Ξ 徐 勤 ΞΞ (南京船舶雷达研究所,江苏南京210003) 摘 要:介绍了宽频带渐变式微带缝隙天线的工作原理、设计参数及其对电性能的影响,设计了一种结构简单的天线形式,给出了该天线工作于S、C频段的结构尺寸以及VSWR、辐射方向图的仿真和测试数据曲线,两者之间有很好的一致性,并对影响天线性能的关键参数进行了误差计算。结果表明:在加工精度可达到的范围内,对天线性能的影响不大。该天线可应用于宽频带单极化、双极化阵列天线单元或反射面天线馈源。 关键词:雷微带天线;宽频带;馈源;阵列单元 中图分类号:TN822.8 文献标识码:A 文章编号:100920401(2004)022******* A design of broadband microstrip antenna X U Qi n (N anji ng M ari ne Radar Instit ute,CS IC,N anj ng210003,Chi na) Abstract:The operating principle and designing parameters of the broadband microstrip slot antenna and its influence to the electrical property are proposed in this paper.A simple form of antenna is de2 signed.The scantling of structure,VSWR,the simulation of the radiation pattern and testing data curve of the antenna operating on S and C bands with a consistency between them.An error calcu2 lating to the key parameter influencing the antenna performance is carried through.The results show that the accessible machining precision range will take little influence on the antenna perfor2 mance.The antenna is applicable to the array antenna element with broadband single polarization and dual polarization or antenna feed source with reflecting surface. K ey w ords:microstrip antenna;broadband;feed source;array element 1 引 言 通常,天线工作的最高频率与最低频率之比大于2,就属于宽频带天线;两者之比大于10,则被认为是超宽频带天线。超宽频带天线的设计是未来天线设计的发展方向之一。本文设计的宽频带渐变式微带缝隙天线,最早的形式是由P.J.G ibson、Prasad和Mahapa2 tra在1979年几乎同时提出的,它由一段一端很窄另一端按指数式、V型张开或常数未张开的槽线构成,一般分别称其为Vivaldi天线、L TSA天线或CWSA天线。通常采用双面敷铜介质基片制造,微带线印刷在介质基片的一面作为馈电,指数式、V型张开或常数开口的槽线印刷在介质基片的反面,其作用相当于微带馈电线与自由空间之间的阻抗变换网络。槽线的窄端区域决定了高频端的辐射,而张开的口径区域则决定了低频端的辐射。虽然它们的结构形式不完全相同,但工作原理及辐射的本质是一样的,如图1所示,为其典型的结构示意图。 该类天线的辐射情况与微带贴片、微带振子等不同,它属于端射式行波天线,依赖的是表面波传输,至端口辐射。由于表面波的相速一般低于光速,故渐变式微带缝隙天线属于一种慢波结构。对于沿传输路径表面波相速不变的行波天线,存在一个最佳的相速比,它能导致天线获得最大的方向性和更高的增益。但该类天线由于缝隙的渐变式张开,其传输相速是变化的,从而方向性降低,副瓣电平也降低。在与介质基片平 Ξ Ξ Ξ作者简介:徐勤(1962-),男,江西临川人,南京船舶雷达研究所高级工程师,从事舰戴雷达天线设计。 收稿日期:2004201212
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。