微波技术与天线课程设计——
角锥喇叭天线
姓名：吴爽
学号：1206030201
目录
一．角锥喇叭天线基础知识 (3)
1. 口径场 (3)
2. 辐射场 (4)
3.最佳角锥喇叭 (7)
4. 最佳角锥喇叭远场E 面和H面的主瓣宽度 (7)
二．角锥喇叭设计实例 (7)
1. 工作频率 (8)
2.选用作为激励喇叭的波导 (8)
3.确定喇叭的最佳尺寸 (8)
4.喇叭与波导的尺寸配合 (9)
5.天线的增益 (10)
6.方向图 (10)
一．角锥喇叭天线基础知识
角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定张角张开而形成的，如下图所示。矩形波导尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为D H×D E，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R ，H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为R H。
1. 口径场
角锥喇叭内的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭在x和y两个方向随喇叭的长度方向均是渐变而逐渐扩展的，因而要在一个正交坐标系下求得角锥喇叭内的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿x和y两个方向均为平方律变化。
按此假设，可写出角锥喇叭的口径场为：
η
πβy
X R y R x j H y E H e
D x
E E E
H -
==+-)
2(022
)cos( （1.1）
如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设的口径场分析模型的正确性。
2. 辐射场
由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接给出结果。
]
)cos 1([cos 2]
)cos 1([sin 200H E r j H E r j I I r
e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （2.1）
其中：
)]})
()([)()({)]}()([)()({(213434)
2/(1212)2/(2221u S u S j u C u C e
u S u S j u C u C e R I H x H x R j R j H H +-+++-+=--βββββ
π
（2.3）
)]}
()([)()({211212)2/(2w S w S j w C w C e R I E Y R j E E +-+=-βββ
π
（2.4）
H x H
x D D /cos sin /cos sin 21π?θββπ?θββ-=+= (2.5)
H
H x H H H x H H
H x H H H x H R R D u R R D u R R D u R R D u πβββπβββπβββπβββ/)2/(/)2/(/)2/(/)2/(21211111-=+=-=+= (2.6)
)
sin sin 2()
sin sin 2
(21?θπβ?θπβE E
E E E
E R D R w R D R w -=+= （2.7） 角锥喇叭的 E 面和 H 面场为：
2
/||====??π?θE E E E H E (2.8)
在角锥喇叭的 D E 、R E 、D H 、R H 与扇形喇叭的相同时，可以证明:
■角锥喇叭在 E 面的方向图与 E 面扇形喇叭的 E 面方向图相同；
■角锥喇叭在 H 面内的方向图与 H 面扇形喇叭在 H 面内的方向图相同。
确定(取 γ/β =1 )。绘出的幅度三维图及 E 面和 H 面方向图如下图所示：
3.最佳角锥喇叭
是指角锥喇叭的尺寸在 H 面和 E 面分别取最佳，即
λ
λ2322E Eop
H Hop D R D R ==
2
43822)2(
2
2
π
?π
λπβ?=
===Em H H H H Hm
R D R D (3.1)
这样，就可使角锥喇叭的增益为最大.
4. 最佳角锥喇叭远场 E 面和 H 面的主瓣宽度
Z 由于在相同的 R E 和 D E 条件下， 角锥喇叭的E 面方向图与 E 面扇形喇叭的E 面方向图相同，在相同的 RH 和 DH 条件下，角锥喇叭的 H 面方向图与 H 面扇形喇叭的方向图相同，则最佳角锥喇叭 E 面和 H 面方向图的主瓣宽度分别由式(4.1)和(4.2)表示，即：
2θ0.5H =1.396λ/D 1 rad=80λ/D 1(°) (4.1) 2θ0.5E =0.94λ/D 1 rad=54λ/D 1(°) (4.2) 角锥喇叭作天线时，可按此要求设计。
二．角锥喇叭设计实例
1.工作频率
学号：1206030201
1000+50+1500=2500MHZ
波长λ=c/f=0.1176m
2.选用作为激励喇叭的波导
波导的尺寸a,b应保证波导内只传输TE10波。
因此选取
a=0.72λ=
λ
3.确定喇叭的最佳尺寸
垂直极化，电场方向垂直于地面
已给定波束宽度
水平面：2θ0.5H=1.396λ/D1 rad=80λ/D1(°)
求得 D1=0.9408m （2θ0.5H=10）
垂直面：2θ0.5E=0.94λ/D1 rad=54λ/D1(°)
求得 D2=0.42336m （2θ0.5E=15）确定尺寸D1，D2
喇叭尺寸确定后，由喇叭最佳尺寸公式：
R H=D12/3λ
R E=D22/2λ
求出喇叭的长度：R H=2.5m
R E=0.762m
4.喇叭与波导的尺寸配合
对于角锥喇叭天线，最后确定其尺寸时，还要考虑喇叭有波导在颈部的尺寸配合问题，如下图所示：
根据几何关系得出：
H H H
L R R a D -=1 E
E E
L R R b D -=2 代入L E =L H 得到关系式：1
2
/1/1D a D b R R E H --= 验证：
29.3=E
H
R R 而
=--1
2
/1/1D a D b 0.995116
将R E 修改为
cm R H
51.2995116
.0=
5.天线的增益
9.182451
.0212
==D D G λ
π
=45.5 Db
6.方向图
理论计算公式：角锥喇叭E 面方向图和H 面方向图分别为对应的E 面扇形喇叭的E 面方向图和H 面扇形喇叭的H 面方向图。
E 面方向图：
??
????+--=-),()cos 1()2(8'2'12
)2/sin (1222t t F e r e E kR a j FE kR j jkr θππθθ 其中：???
??--
=
θπsin 2222'1R D R k t ??
?
??-+
=
θπsin 2222'
2R D R k t
H 面方向图：
[]{}
)
,(),()cos 1(8'
'2''1'2'11221t t F e t t F e r e kR b jE FH jf jf jkr ++=-θπ
其中：??? ??--
=
1'
11'121R k kD kR t x π ??? ??-+
=
1'
11'
221R k kD kR t x π ??? ??--
=
1'
'11''121R k kD kR t x π ??
? ??-+
=
1'
'11''221R k kD kR t x π
1'sin D k k x π
θ+
=
1''sin D k k x π
θ-
=
)]()([)]()([),(121221t S t S j t C t C t t F ---=
dt
t x C x
?=02)2cos()(π
<余弦Fresnel 积分> dt t x S x ?=02)2sin()(π
<正弦Fresnel 积分>
Matlab源程序：
E面方向图
clc
clear
%a=input('请输入角锥输入端宽度（H面）单位mm a=') a=8.5;
a=a*10.^(-3);
%b=input('请输入角锥输入端宽度（E面）单位mm b=') b=4;
b=b*10.^(-3);
%D1=input('请输入角锥口径宽度（H面）单位mm A=') D1=94;
D1=D1*10.^(-3);
%D2=input('请输入角锥口径宽度（E面）单位mm B=')
D2=42.3;
D2=D2*10.^(-3);
%h=input('请输入喇叭口长度单位mm H=')
h=227;
h=h*10.^(-3);
%f=input('请输入工作频率单位0.1MHZ f=')
f=25500;
f=f*10.^6;
lamd=3*10.^8/f;
R2=h/(1-b/D2);
theta=-60:0.2:60;
k=2*pi/lamd;
theta1=theta.*pi/180;
t1_1=sqrt(k/(pi*R2)).*(-(D2/2)-R2.*sin(theta1));
t2_1=sqrt(k/(pi*R2)).*((D2/2)-R2.*sin(theta1));
EE=exp(j.*(k.*R2.*(sin(theta1))./2)).*F(t1_1,t2_1);
FE=-j.*(a*sqrt(pi*k*R2)/8).*(-(1+cos(theta1))*(2/pi)*(2/pi).*EE); FE1=abs(FE);
FE1=FE1./max(FE1);
FEdB=20*log10(FE1);
figure(1)
plot(theta,FEdB);grid on
title('角锥喇叭E面方向图')
xlabel('Angle(\theta)/\ circ')
ylabel('Gain(\theta)')
H面方向图
R1=h/(1-a/D1);
theta=-60:0.2:60;
k=2*pi/lamd;
theta1=theta.*pi/180;
kx_1=k.*sin(theta1)+pi/D1;
kx_11=k.*sin(theta1)-pi/D1;
f1=kx_1.*kx_1*R1/(2*k);
f2=kx_11.*kx_11*R1/(2*k);
t1_1=sqrt(1/(pi*k*R1)).*(-(k*D1/2)-kx_1*R1);
t2_1=sqrt(1/(pi*k*R1)).*((k*D1/2)-kx_1*R1);
t1_11=sqrt(1/(pi*k*R1)).*(-(k*D1/2)-kx_11*R1);
t2_11=sqrt(1/(pi*k*R1)).*((k*D1/2)-kx_11*R1);
FF=exp(j.*f1).*F(t1_1,t2_1)+exp(j.*f2).*F(t1_11,t2_11); FH=j.*(b/8).*sqrt((k*R1/pi)).*((1+cos(theta1)).*FF); FH1=abs(FH);
FH1=FH1./max(FH1);
FHdB=20*log10(FH1);
figure(1)
plot(theta,FHdB);grid on
title('角锥喇叭H面方向图')
xlabel('Angle(\theta)/\ circ')
ylabel('Gain(\theta)')
所用子函数F：
%%F(t1,t2)=[C(t2)-C(t1)]-j[S(t2)-S(t1)]
function y=F(t1,t2)
C2=mfun('FresnelC',t2);
C1=mfun('FresnelC',t1);
S2=mfun('FresnelS',t2);
S1=mfun('FresnelS',t1);
y=(C2-C1)-j.*(S2-S1);
end
实验七微带贴片天线的设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个微带贴片天线 2..查看并分析该微带贴片天线的 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 传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示： 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向(L≈λ/2)有变化。 在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 四、实验内容 利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。 五、实验步骤 1.建立新工程 了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。 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。
天线设计指南?........................................................................................................................... 2 简介?...........................................................................................................................................?2 天线原理?...................................................................................................................................?3 天线类型?...................................................................................................................................?5 天线的选择?............................................................................................................................... 7 天线馈电的考量?..................................................................................................................... 13 芯片天线?.................................................................................................................................?21 各种天线的比较?..................................................................................................................... 25 环境对天线性能的影响?......................................................................................................... 25 塑料外壳的影响?..................................................................................................................... 27 调试 PCB 空板?......................................................................................................................... 32 使用塑料和人体接触来调整调试?......................................................................................... 38?
微波技术与天线课程设计—— 角锥喇叭天线 ：吴爽 学号：1206030201
目录 一．角锥喇叭天线基础知识 (3) 1. 口径场 (3) 2. 辐射场 (4) 3.最佳角锥喇叭 (7) 4. 最佳角锥喇叭远场E 面和H面的主瓣宽度 (7) 二．角锥喇叭设计实例 (7) 1. 工作频率 (8) 2.选用作为激励喇叭的波导 (8) 3.确定喇叭的最佳尺寸 (8) 4.喇叭与波导的尺寸配合 (9) 5.天线的增益 (10) 6.方向图 (10)
一．角锥喇叭天线基础知识 角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定角开而形成的，如下图所示。矩形波导尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为D H×D E，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R ，H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)虚顶点到口径中点的距离为R H。 1. 口径场 角锥喇叭的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭在x和y两个方向随喇叭的长度方向均是渐变而逐渐扩展的，因而要在一个正交坐标系下求得角锥喇叭的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿x和y两个方向均为平方律变化。
按此假设，可写出角锥喇叭的口径场为： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H -==+-)2(022)cos( （1.1） 如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设的口径场分析模型的正确性。 2. 辐射场 由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接给出结果。 ])cos 1([cos 2])cos 1([sin 200H E r j H E r j I I r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （2.1） 其中：
.. .. .. 矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真 实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz 天线结构尺寸如表所示： 名称起点尺寸类型材料 Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pec Patch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pec Port -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 Rectangle Air -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。 （2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。 （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。 二、建立微带天线模型 (1)、插入模型设计 （2）、重命名
输入0841 (3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05 修改名称为GND, 修改材料属性为 pec， (4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794， 修 改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与PRoC?和PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳，PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。 1、简介 天线是无线系统中的关键组件，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线，并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。 对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统，它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序，并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。
图1.典型的近距离无线系统 设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。从无线模块发送的能量越大，在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下，传输的距离也越大。另外，天线还有其他不太明显的优点，例如：在某个给定的范围内，设计优良的天线能够发射更多的能量，从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。同样，接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。 最佳天线可以降低PER，并提高通信质量。PER越低，发生重新传输的次数也越少，从而可以节省电池电量。 2、天线原理 天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时，它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内，所以该条件被称为“谐振”。 图2. 偶极天线基础 如图2所示，导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波，如图2所示。 输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50Ω，并且辐射到特性阻抗为377Ω的空间中。
1 课题背景 喇叭天线是一种应用广泛的微波天线，其优点是结构简单，频带宽，功率容量大，调整与使用方便。合理地选择喇叭天线尺寸，可以获得很好的辐射特性、相当尖锐的主瓣、较小副瓣和较高的增益。因此，喇叭天线应用非常广泛，它是一种常见的天线增益测试用标准天线。 喇叭天线就其结构来讲可以看成由两大部分构成：一是波导管部分，横截面有矩形，也有圆形；二是真正的喇叭天线部分。 波导部分相当于线天线中的馈线，是供给喇叭天线信号和能量的部分。对工作于厘米波或毫米波段内的面天线，如采用线状馈线，将因馈线自身的辐射损耗太大不能把能量传送到面天线上，所以，必须采用自身屏蔽效果很好的波导管作馈线。普通喇叭天线结构原理图如所示。 图普通喇叭天线结构原理图 HFSS全称为High Frequency Structure Simulator，是美国Ansoft公司（注：Ansoft公司于2008年被Ansys公司收购）开发的全波三维电磁仿真软件，也是
世界上第一个商业化的三维结构电磁仿真软件。该软件采用有限元法，计算结果精准可靠，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。 HFSS采用标准的Windows图形用户界面，简洁直观；拥有精确自适应的场解器和空前电性能分析能力的功能强大后处理器；能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场；自动化的设计流程，易学易用；稳定成熟的自适应网格剖分技术，结果准确。使用HFSS，用户只需要创建或导入设计模型，指定模型材料属性，正确分配模型的边界条件和激励，准确定义求解设置，软件便可以计算并输出用户需要的设计结果。 HFSS软件拥有强大的天线设计功能，可以提供全面的天线设计解决方案，是当今天线设计最为流行的软件。使用HFSS可以仿真分析和优化设计各类天线，能够精确计算天线的各种性能，包括二维、三维远场和近场辐射方向图、天线的方向性系数、S参数、增益、轴比、输入阻抗、电压驻波比、半功率波瓣宽度以及电流分布特性等。
实验一：微带天线的设计与仿真 一、实验步骤、仿真结果分析及优化 1、原理分析： 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-?? ? ??+= r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 22z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz 时候50Ω传输线的宽度为1.212mm 。 2、计算 基于ADS 系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout 下的速度令人 无法承受，所以先在sonnet 下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet 中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 线圈天线设计经验总结 线圈天线设计经验总结 做了三四个月的线圈天线了，从刚开始的什么都不懂，到现在的知道自己什么不懂， 也算是一个成长的过程，做了这么久，有点经验，写在这里与大家分享一下。 需求是13.56MHz 的天线，就像刷公交卡的那种天线一样，但不知道用什么形式的天 线做，看了一两个礼拜的微带天线，参考教程在HFSS 中做出了第一个微带天线的仿真， 正觉得有点进展的时候，老师一句话，用线圈天线做，我不得不改做线圈天线。然后就是 各种资料的搜索与学习。 线圈天线是一种很简单的天线，复杂点说的话，就是用铜线（当然可以是其他材料） 按照一定的形状绕几圈，ok ，这就是线圈天线了，铜线的两头加上激励源就可以发射了。（有兴趣的同学可以把你手中的公交卡打开，会发现它就是用的线圈天线，网上有这种教程，可以让你把公交卡拆开，然后把完成公交卡功能的天线和芯片拿出来贴在手机后盖和 电池之间，这样就可以很潇洒的实现手机刷卡了，哈哈，不过要怎么充值就要自己想办法了）当然，这个时候的线圈天线是不好用的，因为你对它的特性什么的都不了解。所以， 打算先进行理论方面的研究。 理论分析与Matlab 仿真 因为做的是类似于RFID 的NFC 的13.56MHz 的线圈天线，天线在这个频率一般都是 使用磁场耦合来实现能量的传递，那么我们就对在这个时候线圈的磁场进行分析。网上 关于矩形线圈的磁场分析有很多论文了，但我们还是自己做一下会理解的比较深刻，先复 习一下电磁场的知识，正好书上有一道例题讲的就是长度为l 的导线在周围空间任意点产生的磁场公式，这里引入了矢量磁位A ，因为矢量磁位A 的方向与电流I 的方向是相同的，而且对矢量磁位求旋度就是磁感应强度B ，这种性质对线天线来讲是很有用的。 矩形线圈 我们先来研究单圈的矩形线圈天线。 根据有限长导线周围磁感应强度的公式，算出四条边在空间某一点的矢量磁位A ，由于两两方向相同，叠加之后就剩下了两个方向的向量相加，这样利于后面求旋度的处理； 对空间某一点总矢量磁位A 求旋度就得到了磁感应强度B ，只取B 的Z 方向大小Bz 就 得到了我们所关心的垂直方向磁感应强度（因为刷卡的时候算磁通量只有垂直方向的是有 效的）。这样得到的是一个巨复杂的公式，用人的肉眼直接观察看不出来任何规律，于是 借助Matlab 的画图功能得到直观的感受。 Matlab 的m 文件内容与图片如下： clear all; clc; 太原理工大学现代科技学院 微波技术与天线课程设计 设计题目：微带天线仿真设计（5） 专业班级 学号 姓名 指导老师 专业班级 学号 姓名 成绩 设计题目：微带天线仿真设计（5） 一、设计目的： 通过仿真了解微带天线设计 二、设计原理： 1、微带天线的结构 微带天线是由一块厚度远小于波长的介质板（成为介质基片）和（用印刷电路或微波集成技术）覆盖在他的两面上的金属片构成的，其中完全覆盖介质板一片称为接触板，而尺寸可以和波长想比拟的另一片称为辐射元。 微带天线的馈电方式分为两种，如图所示。一种是侧面馈电，也就是馈电网络与辐射元刻制在同一表面；另一种是底馈，就是以同轴线的外导体直接与接地板相连，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。 微带天线的馈电 （a ）侧馈 （b ）底馈 2、微带天线的辐射原理 用传输线模分析法介绍矩形微带天线的辐射原理。矩形贴片天线如图： … …………… …… …… …… … …装 …… …… …… …… … …… …… …… 订… …… … …… …… …… …… …… … …线 …… …… …… …… … …… …… …… 设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度ω方向也没有变化，而仅在长度方向（L≈λ/2)有变化。在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。 经过查阅资料，可以知道微带天线的波瓣较宽，方向系数较低，这正是微带天线的缺点，除此之外，微带天线的缺点还有频带窄、损耗大、交叉极化大、单个微带天线的功率容量小等.在这个课设中，借助EDA仿真软件Ansoft HFSS进行设计和仿真。Ansoft公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分析微波工程问题的三维电磁仿真软件，Ansoft HFSS 以其无与伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用于航 AAAA公司 汽车天线设计指南 工程部编制 2003年2月16日 前言 为便于公司产品设计人员设计、开发汽车天线时，在材料选择、连接方法、产品结构、配合公差和功能/性能方面，借鉴公司同类产品的经验，降低成本、减少失误，提高新产品的开发速度和质量，编制本设计指南，供公司设计人员设计、开发新产品时参考。 编者： 一、汽车天线的类型： 根据汽车天线的按装位置和结构分为： 1. 前窗隐藏式天线：这类天线按装在前窗的左侧上方，天线座按前窗的倾斜角度设置天线杆的倾斜角度，天线杆可全部缩进线座上的天线杆护管内。天线杆大多数是φ 2.5-3mm的不锈钢丝，也有部分是二节拉杆式的。 这类天线设计开发时，除考虑性能/功能、连接方法符合常规汽车天线的技术要求外：（见常规汽车天线的技术要求）a．必须根据顾客车身天线按装孔的中心距、偏移角度和天线的倾斜角度及车壳弧度，设计天线座的按装孔中心距、偏移角度、天线的倾斜角度和天线座底面弧度。保证天 线的可装配性。 b．根据整车厂的装配要求，线座垫片和线座的装配连接方法，必须设计为卡口装配，避免垫片和线座分离影响装 配速度。 c．选用合格的线座注塑材料，避免天线座开裂和老化（常用PP/PA）。 d．根据顾客的要求，选择合适的同轴电缆线，使天线的阻抗很好地与收音机的输出阻抗匹配。 2．前窗拉杆式天线： 这类天线按装在汽车前窗左侧下方，基本上都是拉杆式的，天线座与车身的接触面积很小，用自攻螺钉按装不需考虑 线座的底面弧度，只需考虑支架的中心高符合天线按装要求。 这类天线设计时除选择好外壳和支架的材料外，其它只要能满足常规汽车天线的技术要求。 3．前后侧板式隐藏天线： 这类天线按装在汽车上的前后侧板上，按装时只要拧紧线座上的螺母和支架上的螺钉。 这类天线设计时除需考虑满足常规汽车天线的技术要求外： a．必须考虑饰配件和基座与车身接触部位的弧面和车身弧面吻合。 b．必须考虑天线杆缩进护管内的终点位置，确保天线缩进天线护管后，天线帽堵住线座正极管口。 4．车顶天线： 这类天线一般都是轿车天线，按装在汽车顶棚的前侧/后侧。按装方法都是用固定在天线基座/斜座上的螺栓插进车壳孔内用螺母固定。定位方法有两种，一种是基座螺栓根部□14.7mm的方身定位，另一种是基座上除螺栓外，还在一定的距离内设置了一柱子和车身上的两个孔对应来固定天线的方向。 这类天线设计时除考虑满足常规汽车天线的技术要求外：a．按顾客车身按装孔的形状，设计基座螺栓的结构或螺栓与定位柱之间的距离。 第一章绪论 一、绪论 1.1课题的研究背景及意义 自古至今，通信无时无刻不在影响着人们的生活，小到一次社会交际中的简单对话；大到进行太空探索时，人造探测器与地球间的信息交换。可以毫不保留地说，离开了通信技术，我们的生活将会黯然失色。近年来，随着光纤技术越来越成熟，应用范围越来越广。在广播电视领域，光纤作为广播电视信号传输的媒体，以光纤网络为基础的网络建设的格局已经形成。光纤传输系统具有的传输频带宽，容量大，损耗低，串扰小，抗干扰能力强等特点，已成为城市最可靠的数字电视和数据传输的链路，也是实现直播或两地传送最经常使用的电视传送方式。随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的现代通信技术引起了人们的极大关注，我国在移动通信技术方面投入了巨大的人力物力，我国很多地区的电力通信专用网也基本完成了从主干线向光纤过度的过程。目前，电力系统光纤通信网已成为我国规模较大，发展较为完善的专用通信网，其数据、语音，宽带等业务及电力生产专业业务都是由光纤通信承载，电力系统的生产生活，显然，已离不开光纤通信网。 无线通信现状另一非常活跃的通信技术当属，无线通信技术了。无线通信技术包括了移动通信技术和无线局域网（WLAN）技术等两大主要方面。移动通信就目前来讲是3G 时代，数字化和网络化已成为不可逆转的趋势。目前，移动通信已从模拟通信发展到了数字移动通信阶段。无线局域网可以弥补以光纤通信为主的有线网络的不足，适用于无固定场所，或有线局域网架设受限制的场合，当然，同样也可以作为有线局域网的备用网络系统。WLAN，目前广泛应用IEEE802.11 系列标准。其中，工作于2.4GHZ 频段的820.11 可支持11Mbps 的共享接入速率；而802.11a 采用5GHZ频段，速率高达54Mbps，它比802.11b 快上五倍，并和820.11b兼容。给人们的生活工作带来了很大的方便与快捷。 在整个无线通信系统中，用来辐射或接收无线电波的装置成为天线，而通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备都是通过无线电波来传递信息的，均需要有无线电波的辐射和接收，因此，同发射机和接收机一样，天线也是无线电技术设备的一个重要组成部分，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或 基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计 实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率 天线结构尺寸如表所示: 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。 （1）、菜单栏File?save as,输入Antenna,点击保存。 （2）.设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK （3）、设置模型单位：3D Modeler>Units 选择mm,点击OK （4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options, 勾选” Edit properties of new pri ” ,点击OK 二、建立微带天线模型 （1）点击三仓U 建GND,起始点：x:0 ，y:0 ，z: ，dx:,dy:32,dz: (2) 介质基片：点击 ：比，：x:0, y:0 , z:0。dx: , dy: 32 , dz:-, 修改名称为Sub,修改 材料属性为 Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色 点击OK (3) 建立天线模型patch ， 点击^已，x:,y: 8, z:0 ，dx: ，dy: 16 ，dz: 命名为patch ，点击OK (4) 建立天线模型微带线 MSLine 点击’硏，x:,y: 0, ,z: 0 ， dx: ，dy: 8 ，dz:， 命名为MSLine,材料pec,透明度 选中 Patch 和 MSLine,点击 Modeler>Boolean>Unite (5) 、建立端口。创建供设置端口用的矩形，该矩形连接馈线与地 Modeler>Grid Plane>XZ ，或者设置回厂刁冈 习 点击 e ，创建Port 。命名为port 双击 Port 下方 CreatRectangle 输入：起始点：x: ，y: 0，z:-，尺寸：dx: ，dy: 0 ，dz: (6) 、创建 Air 。 点击1 ，x:-5 ，y:-5 ，z:， dx:, dy:42, dz: 修改名字为Air ，透明度. 三、设置边界条件和端口激励。 (1)设置理想金属边界：选择 GND 右击Assign Boundaries>>Pefect E 将理想边界命名为：PerfE_GND ，点击OK (2)、设置边界条件：选择 Port ，点击 Assign Boundaries>>Pefect E 在对话框中将其命名为 PerfE_Patch ，点击0K ，透明度。 修改名称为GND,修改材料属性为pec , HFSS 天线设计实例这是一种采用同轴线馈电的圆极化微带天线 切角实现圆极化 设计目标!(具体参数可能不精确，望大家谅解)主要讲解HFSS操作步骤! GPS微带天线:介质板:厚度:2mm,介电常数:2.2,大小:100mm*100mm 工作频率:1.59GHz,圆极化(左旋还是右旋这里不讲了哈),天线辐射在上半平面覆盖! 50欧同轴线馈电, 1、计算参数 首先根据经验公式计算出天线的基本参数，便于下一步建立模型。 贴片单元长度、宽度（正方形贴片长宽相等）、馈电点位置，分离单元长度.下表是经HFSS分析后选择的一组参数： 2、建立模型 首先画出基板50mm*50mm*2mm 的基板 起名为substrate 介电常数设置为如图2.2的，可以调整color颜色和transparent透明度便于观察 按Ctrl+D可以快速的使模型全可见！按住Ctrl+Alt键，拖动鼠标可以使3D模型自由旋转 同理，我们画贴片： 1、在基板上画出边长65mm（假设用公式算出的是这么多）的正方形 2、起名为patch,颜色选绿色，透明度设为0。5 画切角是比较麻烦的 1、用画线条工具，画三线段，坐标分别是0.5.0, 5.0.0, 0.0.0 2、移动三角形，选中polyline1,选菜旦里edit\Arrange\move,先确定坐标原点或任一点为基准点，将 三角形移动到左上角和贴片边沿齐平。 3、复制三角形，选中polyline1,选菜单里edit\arrange\duplicate\around axis,相对坐标轴复制，角度换成180，然后在右下角就出现了相对称的另一个三角形。 4、从patch上切掉对角上的分离单元polyline1和polyline1_1: 选中patch、polyline1和polyline1_1，选菜单里3D modeler\Boolean\Subtract 把polyline1和polyline1_1从patch上切掉最后剩下 先在介质板底面画一个100mm*100mm的正方形作为导电地板。起名为ground 下面就是画馈源了：我们采用同轴线馈电，有两种建模方法： 1、在馈电点画一0.5mm的铜柱代表同轴线内导体，起名为feed 2、在介质板底面馈电点处画一1.5mm的圆，起名为port 3、复制port为port1,复制feed为feed1 4、复选port和feed1，执行菜单里3D Modeler\Boolean\Subtract，使port成为一个内径0.5mm外径1.5mm的圆环 用ADS 设计微带天线 一、原理 本微带天线采用矩形微带贴片来进行设计。 假设要设计一个在2.5GHz 附近工作的微带天线。我采用的介质基片， εr= 9.8, h=1.27mm 。理由是它的介电系数和厚度适中，在2.5GHz 附近能达到较高的天线效率。并且带宽相对较高。 由公式：2 /1212-? ? ? ??+=r r f c W ε=25.82mm 贴片宽度经计算为25.82mm 。 2 /1121212 1-?? ? ?? +-+ += w h r r e εεε=8.889； ()()()()8.0/258.0264.0/3.0412.0+-++=?h w h w h l e e εε ?l=0.543mm ； 可以得到矩形贴片长度为： l f c L e r ?-= 22ε=18.08mm 馈电点距上边角的距离z 计算如下： ) 2( cos 2 ) (cos 2)(5010 2 2z R z G z Y e r in ?===λεπβ 2 20 90W R r λ= （0λ< 计算结果：在这类介质板上，2.5GHz时候50Ω传输线的宽度为1.212mm。 二、计算 基于ADS系统的一个比较大的弱点：计算仿真速度慢。特别是在layout下的速度令人无法承受，所以先在sonnet下来进行初步快速仿真。判断计算值是否能符合事实。 sonnet中的仿真电路图如下： S11图象如下： 可见，按照公式计算出来的数据大致符合事实上模拟出来的结果。但是发现中心频率发生了偏移，这主要是由于公式中很多的近似引起的。主要的近似是下面公式引起 2 20 90W R r λ= （0λ< 第八章口径天线的理论基础 (8-1) 简述分析口径天线辐射场的基本方法。 答：把求解口径天线在远区的电场问题分为两部分： ①. 天线的内部问题； ②. 天线的外部问题； 通过界面上的边界条件相互联系。 近似求解内部问题时，通常把条件理想化，然后把理想条件下得到的解直接地或加以修正后作为实际情况下的近似解。这样它就变成了一个与外部问题无关的独立的问题了。 外部问题的求解主要有： 辅助源法、矢量法，这两种是严格的求解方法； 等效法、惠更斯原理法、几何光学法、几何绕射法，这些都是近似方法。(8-2) 试述几何光学的基本内容及其在口径天线设计中的应用。 答：在均匀的媒质中，几何光学假设能量沿着射线传播，而且传播的波前（等相位面）处处垂直于射线，同时假设没有射线的区域就没有能量。 在均匀媒质中，射线为直线，当在两种媒质的分界面上或不均匀媒质传播时，便发生反射和折射，而且完全服从光的反射、折射定律。 B A l nds =? 光程长度： 在任何两个给定的波前之间，沿所有射线路径的光程长度必须相等，这就是光程定律。'' PdA P dA = 应用： ①. 可对一个完全聚焦的点源馈电的天线系统，求出它在给定馈源功率方向图 为P(φ,ξ)时，天线口径面上的相对功率分布。 ②. 对于完全聚焦的线源馈电抛物柱面天线系统，口径上的相对功率分布也可 用同样类似的方法求解。 (8-3) 试利用惠更斯原理推证口径天线的远区场表达式。 解：惠更斯元产生的场： (1cos) 2 SP j r S SP jE dE e r β θ λ -? =?+? ? 2 2 2) ( ) (z y y x x r S S SP + - + - =r , r sp>>D (最大的一边) 推广到球坐标系： sin cos sin sin cos x r y r z r θφ θφ θ =? ? ? =? ? ?= ? r= , S S x y r << Q 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 1. 学习射频电路的理论知识； HF Antenna Design Notes Technical Application Report 11-08-26-003 Sept 2003 Radio Frequency Identification Systems Contents Edition 3 – September 2003 (i) About this Manual (ii) 1Reader Requirements (2) 2Tools Required (2) 2.1VSWR Meter (2) 2.2Antenna Analyzer (3) 2.3Oscilloscope (3) 2.4Charge Level Indicator (4) 2.5Software Tools (5) 3Antenna Design Considerations (5) 3.1What is the Read Distance Required? (5) 3.2What is the Inlay Orientation? (5) 3.3At What Speed is the Inlay Traveling? (6) 3.4What is the Inlay Separation? (6) 3.5How Much Data is Required? (6) 4Environmental issues (7) 4.1What are the Governmental (PTT/FCC) limits? (7) 4.2Is there Electrical Noise? (7) 4.3Is there Metal in the Environment? (7) 4.4Proximity of other Antennas (7) 5Materials (8) 6Loop Antennas (9) 6.1Loop Antenna Resonant Theory (10) 6.2Inductance Measurement (11) 6.2.1Calculation (11) 6.2.2Measurement at 1 kHz (LCR Meter) (11) 6.2.3Accurate measurement of LCR parameters (11) 6.2.4Resonance Capacitance (12) 6.3Determining the Q (12) 6.4Measuring the Quality Factor (14) 7Antenna Matching (16) 7.1Gamma Matching (16) 7.2T-Matching (20) 7.3Transformer Matching (22) 7.4Matching Transformer (22) 7.5Baluns (23) 7.6Capacitance Matching (27) 8Coupling between Antennas (31) 8.1Nulling Adjacent Antennas (31) 8.2Reflective Antennas (31) 8.3Two Antennas on a Splitter (in Phase) (31) 8.4Two Antennas on a Splitter (Out-of-Phase) (32) 8.5Rotating Field Antennas (32) 8.6Complementary Antennas (33) 8.7All Orientations (360o) Detection (36) Appendix A Return Loss (38) Appendix B Reactance & Resonance Chart (39) Appendix C Coax-cable Splitter (40) Appendix D Component Suppliers (41) 微波技术与天线课程设计——角锥喇叭天线 姓名：吴爽 学号：01 目录 一．角锥喇叭天线基础知识............. 错误!未定义书签。 1.口径场 错误!未定义书签。 2.辐射场 错误!未定义书签。 3.最佳角锥喇叭.................... 错误!未定义书签。 4. 最佳角锥喇叭远场 E 面和 H面的主瓣宽度错误!未定义书签。 二．角锥喇叭设计实例................. 错误!未定义书签。 1.工作频率 错误!未定义书签。 2.选用作为激励喇叭的波导....... 错误!未定义书签。 3.确定喇叭的最佳尺寸........... 错误!未定义书签。 4.喇叭与波导的尺寸配合......... 错误!未定义书签。 5.天线的增益................... 错误!未定义书签。 6.方向图....................... 错误!未定义书签。 一．角锥喇叭天线基础知识 角锥喇叭是对馈电的矩形波导在宽边和窄边均按一定张角张开而形成的，如下图所示。矩形波导尺寸为a×b，喇叭口径尺寸为D H×D E，其E面(yz 面)虚顶点到口径中点的距离为R ，H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为R E,H 面(xz 面)内虚顶点到口径中点的距离为R H。 1.口径场 角锥喇叭内的电磁场，目前还未有严格的解析解结果，原因在于，角锥喇叭在 x和 y两个方向随喇叭的长度方向均是渐变 而逐渐扩展的， 因而要在一个正交坐标系下求得角锥喇叭内的场的严格解析解是困难的。通常近似地认为，矩形角锥喇叭中的电磁场具有球面波特性，而且假设角锥喇叭口径面上的相位分布沿x 和 y 两个方向均为平方律变化。 按此假设，可写出角锥喇叭的口径场为： η πβy X R y R x j H y E H e D x E E E H - ==+-) 2(022 )cos( （） 如果是尖顶角锥喇叭，则 R H ＝ R E ，可用作标准增益喇叭。若是楔形喇叭，则R H ≠R E 。由此口径面场分布计算的远场与实测的结果吻合的很好，说明了假设的口径场分析模型的正确性。 2. 辐射场 由角锥喇叭的口径场分布，仿照前面求 E 面和 H 面扇形喇叭远区辐射场的步骤，就可以求出角锥喇叭的远区辐射场表达式。由于计算过程较繁，这里直接给出结果。 ] )cos 1([cos 2] )cos 1([sin 200H E r j H E r j I I r e E j E I I r e E j E θ?λθ?λβ?βθ+=+=-- （）线圈天线设计经验总结
微带天线仿真设计(5)讲解
汽车天线设计指南(设计手册)
天线设计毕业汇报总结
HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
HFSS天线设计实例
用ADS设计微带天线
天线原理与设计习题集解答_第8_11章
基于ADS的微带缝隙天线的仿真设计
天线设计的经典笔记
喇叭天线的设计1206030201
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