实验八-波导缝隙阵天线的设计与仿真

一、实验背景与目的随着微波技术、通信技术和雷达技术的发展，波导作为一种重要的微波传输线，其设计优化对于提高微波系统的性能具有重要意义。

本实验旨在通过电磁场仿真软件HFSS，对矩形波导进行仿真设计，分析其传输特性，并对其进行优化，以达到提高传输效率和降低损耗的目的。

二、实验内容与方法1. 实验内容本实验主要包括以下内容：（1）建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）进行仿真计算，得到波导的传输特性；（4）分析仿真结果，优化波导设计。

2. 实验方法（1）使用HFSS软件建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）选择合适的仿真求解器，进行仿真计算；（4）分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等；（5）根据仿真结果，对波导设计进行优化。

三、实验步骤1. 建立矩形波导的几何模型使用HFSS软件，根据设计要求，建立矩形波导的几何模型。

首先，设置波导的尺寸参数，包括内径、外径、高度等。

然后，定义波导的介质材料，如空气、介质板等。

2. 设置仿真参数设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等。

例如，设置波导的介质材料为空气，边界条件为完美电导体（PEC）。

3. 进行仿真计算选择合适的仿真求解器，进行仿真计算。

本实验采用时域求解器，设置仿真频率范围为1GHz～20GHz。

4. 分析仿真结果分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等。

通过分析仿真结果，了解波导的传输特性，并对波导设计进行优化。

5. 优化波导设计根据仿真结果，对波导设计进行优化。

例如，调整波导的尺寸参数、介质材料等，以降低损耗、提高传输效率。

四、实验结果与分析1. 传输特性仿真结果表明，矩形波导在1GHz～20GHz的频率范围内具有良好的传输特性。

在频率较低时，波导的传输损耗较小；在频率较高时，波导的传输损耗较大。

2. 损耗通过分析仿真结果，发现波导的损耗主要由介质损耗和辐射损耗组成。

S波段圆柱波导缝隙阵列天线设计摘要：本文介绍了S波段圆柱波导缝隙阵组成的圆形阵列天线设计,通过底部馈源的馈电，经圆柱波导壁隙缝阵辐射，实现水平极化和全向特性。

利用Ansoft HFSS仿真设计并加工试验，实测结果与仿真结果吻合较好。

对于实际生产中性能超差的阵列天线采用加载阻抗匹配环的方法进行性能优化，使该阵列天线性能达到最优。

测试表明，该阵列天线的驻波≤2.5，相对带宽10%，Ｈ面全向最大增益为5.0dBi，垂直面波束宽度≥40。

关键词：缝隙；极化；全向；阵列0引言全向天线广泛应用于的军事、通信、广播等领域。

全向天线的极化形式有水平极化、垂直极化和圆极化，垂直极化近似电偶极子的辐射，水平极化近似磁偶极子的辐射。

本文介绍的水平极化全向天线是一种圆柱波导缝隙天线组成圆形阵列，该阵列天线结构简单，易于加工，可应用于S频段通信系统。

1 圆形阵列天线原理均匀圆形阵列（UCA）的辐射单元是等间距均匀分布于圆的外围且等幅同相激励，远场坐标用（）表示，如图1所示，圆形阵列辐射函数是在单元因子与阵列因子的共同作用下产生，见图2，其相应的方位面内远场表达式（1）为：本文介绍的是S波段波导缝隙天线共形阵，极化方式为水平极化。

圆柱波导上的缝隙阵结构如图4所示，其中r为圆柱形空腔内半径，d0为双层铅锤缝隙的间距，d1为第一层缝隙中心与地板的间距。

本阵列天线使用二级过渡匹配柱作为馈源对缝隙阵列馈电，由单元缝隙组成的圆形阵列天线在阵中均匀分布7个缝隙，分上下两层，缝隙的纵向间距相同。

为了有效形成全向性方向图，在每个缝隙旁附加一个耦合探针，通过探针耦合能够有效产生一个水平面全向的方向图。

为了提高天线的不圆度，探针位置在纵向上交错分布，即第一行探针在缝隙的左边，第二行在缝隙的右边，且耦合探针位于缝隙中心处[3]。

3 仿真结果及分析利用高频仿真软件HFSS建立仿真结构图（见图5），并进行仿真计算，天线的各项参数设置为：圆柱形空腔的内径2a=1.1λ0，单元缝纵向间距d0为0.7λ0，横向缝隙在圆周上数量s为7，销钉直径为0.02λ0，销钉长度为λ0/4，缝隙宽度为2mm，缝隙长度为0.5λ0，缝隙中心与地板间距d1为0.75λ0。

波导裂缝阵天线以及宽带微带天线的研究和设计的开题报告一、选题背景在现代通信系统中，无线天线是最不可或缺的组成部分之一。

无线天线的设计和研究一直是无线通信技术领域中的一个热点，其重要性不言而喻。

本课题主要研究波导裂缝阵天线以及宽带微带天线的设计与应用，为无线通信技术的进一步发展做出贡献。

二、研究内容1.波导裂缝阵天线的研究和设计波导裂缝阵天线是指在波导板上开缝隙，形成一定的阵列结构，从而实现较大的功率传输和接收。

本课题将探究波导裂缝阵天线的设计和性能分析，包括阵列参数的选择，阵列损耗的优化等。

2.宽带微带天线的研究和设计宽带微带天线具有结构简单、重量轻、成本低等优点，并能够实现宽带频率响应，适用于移动通信系统等领域。

本课题将研究宽带微带天线的设计和性能分析，通过优化天线结构、改善辐射特性等手段，提高其性能和效率。

三、研究意义本课题的研究和设计，旨在提高无线通信系统的性能和效率，为通信领域的进一步发展做出贡献。

同时，本课题的研究成果还可以应用于雷达、导航等领域，具有广泛的应用前景。

四、研究方法本研究将采用理论分析和仿真验证相结合的方法，通过建立数值模型，对波导裂缝阵天线和宽带微带天线的特性进行分析和优化，从而获得最佳的性能和效率。

五、预期成果本课题的预期成果包括：波导裂缝阵天线和宽带微带天线的设计和性能分析；仿真模型的建立和验证；论文发表等。

六、总结本课题将对波导裂缝阵天线和宽带微带天线的设计和应用进行深入研究，旨在提高无线通信系统的性能和效率，为通信领域的进一步发展做出贡献。

同时，本课题的研究成果还将具有较广泛的应用前景。

单脊波导缝隙阵天线的研究与设计吴琼;陈小强【摘要】缝隙波导具有频带宽、口面效率高等特点，根据道尔夫-切比雪夫口径分布法，用 MATLAB 软件编程对单脊波导缝隙天线阵列辐射缝隙参数进行计算，设计了一个8缝隙单脊波导缝隙阵天线，并利用三维电磁仿真软件 HFSS 对天线缝隙的参数进行优化，对天线的带宽特性进行了仿真研究。

结果表明，单脊缝隙波导的尺寸参数对带宽有影响，相对于矩形缝隙波导，单脊缝隙波导驻波带宽有较大幅度的展宽，研究结果可为缝隙脊波导在通信与雷达天线方面的应用提供参考。

%Slot waveguide is characteristic of wide frequency band and high aperture efficiency.This paper calculates the radia-tion slot parameters of the single-ridge waveguide slot antenna array using MATLAB software programming according to Ad-olf-Chebyshev aperture distribution method and designs an 8-slot single-ridge waveguide slot array antenna.Furthermore,it optimizes the gap parameters and simulates the bandwidth characteristics of the antenna using the three-dimensional electro-magnetic simulation software HFSS.The results indicate that the size parameters of the single-ridge waveguide slot affects the bandwidth and relative to the rectangular slot waveguide,the VSWR bandwidth of the single-ridge slot is substantially broad-ened,which provide a valuable reference for the applications of slot ridge waveguides in communications and radar antennas.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】3页(P65-67)【关键词】单脊波导;缝隙天线;缝隙参数;带宽【作者】吴琼;陈小强【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TN8200 引言波导缝隙阵因具有口面效率高、副瓣电平低以及口径分布容易控制等优点而得到了广泛的应用，特别是在雷达和通信领域的运用越来越多［1］。

大线的基本理论幽２－５折合振子示意图图２－４半波偶极子的方向图２．２．２天线主要参数前面已经讲过，天线的基本功能是能量转换和定向辐射，天线的电参数就是能定量表征其能量转换和定向辐射的量。

天线的电参数主要有方向图、方向性系数、主瓣宽度、旁瓣电平、增益、天线效率、极化特性、驻波比、频带宽度、和输入阻抗等。

下面根据本文的研究重点对于天线的方向性系数、方向性图、天线增益和驻波比逐一做详细介绍。

一、方向系数Ｈ１。

方向性系数是一个用数字定量的衡量天线辐射电磁能量集中程度的参数，又称方向性增益。

它定义为在相同的辐射功率下，某天线产生于某点的功率通量密度与理想点源天线产生于同一点的功率通量密度的比值。

设某天线与理想点源天线的辐射功率密度分别为最和足。

，此天线在最大辐射方向１的功率通量密度和场强分别为ｓ。

和五＿，理想点源天线的功率密度与场强密度Ｓ。

和￡。

，则天线的方向性系数Ｄ为：ｃＪＦ２ＩＤ一＝卫ｌ一＝引…（２．”）５０ＩＢ．，０￡ｉｋ．是．方向性系数还可以这样来定义：在最大辐射方向的同一接收点电场强度相同的条件下，理想点源的辐射功率与有方向性天线的总辐射功率的比值，称为该天线在该点的方向性系数，即：Ｄ。

鱼ｆ是ＩＬ．岛由定义可知，由于天线在个方向辐射强度不同，Ｄ的值也随方向而异。

在辐射最强的方向上Ｄ的数值最大。

通常所说的某天线的方向系数，如果没有特别指明是哪个方向的，则都是指最大辐射方向的方向系数。

由定义可以看出，所有实际天线的方向性系数都大于１。

下面由式（２．２７）来计算天线的方向性系数的具体表达式。

仍取图２．２，若天线置于原点，取球坐标北京交通人学硕十论文３．１感应电动势法图３—１引向天线及坐标感应电动势法ｆ４】将引向天线看作幅度与相位都不均匀的端射离散直线阵，如图３，１所示的坐标系，对于图中的ｎ元引向天线，振子１为反射振子，振子２为有源振子，振子３到ｎ为引向振子，各振子的总长度分别为２ｆ。

，砬，笤，¨，现，各振子距振子１的距离分别为ｄ：，ｄ，，．．．，ｄ。

具备阻抗和低副瓣宽带特性的脊波导缝隙阵列天线设计
脊波导缝隙阵列天线是一种重要的微带阵列天线设计技术。

其特点在于通过在微带上形成等间距的缝隙，从而形成电磁模式的相互作用，提高了天线的收发性能。

在设计脊波导缝隙阵列天线时，需要注意阻抗匹配和低副瓣宽带特性，以保证天线的稳定工作。

首先，在阻抗匹配方面，设计者需要考虑天线与馈线之间的阻抗匹配问题。

由于微带天线的特性，其阻抗与其几何结构紧密相关。

因此，设计者可以通过调整缝隙的间距、宽度以及长度等设计参数，来实现阻抗匹配。

同时，也可以采用匹配网络等技术，进一步优化天线的阻抗特性。

其次，在低副瓣宽带特性方面，脊波导缝隙阵列天线的设计需要兼顾多种因素的影响。

其中，天线的发射功率分布、阵列间距、缝隙长度和宽度以及天线的材料等因素都会对天线的低副瓣宽带特性产生影响。

因此，设计者需要根据实际应用场景，综合考虑这些因素，采用适当的设计参数来达到预期的低副瓣特性。

在实际设计中，更为关键的是，需要采用先进的数值仿真工具来验证天线的设计方案。

近年来，数值仿真技术不断发展，可以在短时间内快速准确地模拟天线的性能。

因此，设计者可以采用专业的数值仿真软件，如CST Studio Suite等，来验证天线设计的阻抗匹配和低副瓣特性，从而为实际制作提供指导。

综上所述，设计具备阻抗和低副瓣宽带特性的脊波导缝隙阵列
天线需要充分考虑多种设计因素，采用适当的设计参数，并借助先进的数值仿真工具进行验证。

这有助于提高天线的收发性能，满足实际需求。

波导缝隙天线原理
波导缝隙天线是一种利用波导结构中的缝隙来辐射电磁波的天线。

其原理基于波导中的模式耦合和能量辐射。

波导结构可以支持多种传输模式，其中一种模式是电磁波在波导内部以电磁场分布的形式传播。

当波导中存在缝隙时，这些模式可以通过缝隙耦合到外部空间中。

波导缝隙天线的原理可以简单描述为：当电流在波导结构中流动时，电磁场将通过波导缝隙耦合到外部空间，并形成辐射电磁波。

这样，波导缝隙天线就能够将电磁能量从波导中辐射出来。

波导缝隙天线的特点是频率选择性较强，只有在特定频率范围内才能有效辐射电磁波。

这是因为波导缝隙天线的工作原理依赖于波导中特定模式的耦合和辐射。

所以，波导缝隙天线通常需要根据频率进行设计和调整。

波导缝隙天线由于其辐射效率高、频率选择性强和较小的尺寸等特点，常用于无线通信系统、雷达系统、微波设备等领域。

课程名称电磁场与电磁波学院通信工程年级 2010 级专业通信班姓名 X X X学号 X X X时间 X X X一、实验目的：1、熟悉HFSS软件设计天线的基本方法；2、利用HFSS软件仿真设计以了解天线的结构和工作原理；3、通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。

二、实验仪器：1、HFSS软件三、实验原理：1、天线是用金属导线、金属面或其他介质材料构成一定形状，架设在一定空间，将从发射机馈给的视频电能转换为向空间辐射的电磁波能，或者把空间传播的电磁波能转化为射频电能并输送到接收机的装置。

2、天线能把传输线上传播的导行波变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变变换。

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。

四、 实验步骤：1、根据个人在班级的序号N ，设计一个工作频率为()[]GHz N f 102.020-⨯+=的41波长单极子天线，所用导线的直径为mm R 10=，长度为mm L 0的天线。

2、以频率上的长度0L 为基准，讨论当天线长度为()mm L 20±时，天线的谐振频率、带宽和方向图的变化。

3、在频率0f 上，讨论当天线直径0R 为mm 2和mm 3时，天线的谐振频率、带宽和方向图的变化。

4、结合工作生活实际，谈谈对天线的认识。

5、仿真图形如下：五、实验过程原始记录（数据、图表、计算等）：1、频率为2.44GHz，L=L0，R0=1mm①谐振频率：②三维方向图：③二维方向：2、频率为2.44GHz，L=（L0-2）mm，R0=1mm①谐振频率：②二维方向：3、频率为2.44GHz，L= (L0+2) mm，R0=1mm①谐振频率：②二维方向：4、频率为2.44GHz，L=L0，R0=2mm①谐振频率：②二维方向：六、实验结果及分析：由频率为2.44GHz，R0=1mm，L分别为L0、L0-2）mm、(L0+2) mm时的谐振频率曲线可以看出：①当天线长度小于初始长度L时，带宽的上下限截止频率都有所变大，但是带宽的大小无太大变化。

波导缝隙天线分析与研究的开题报告一、研究背景及意义：随着通信技术的发展，天线作为通信系统的重要组成部分，在增强通信系统性能、提高通信质量、降低干扰和提高通信安全等方面起到了重要作用。

然而，传统天线的体积较大，需要大量的空间安装，因此难以适用于一些特定的通信场合。

为此，波导缝隙天线作为一种新型天线被广泛研究应用。

波导缝隙天线具有结构简单、质量轻、易于制造和安装等优点，其工作原理是将传输线上的信号转换为空间波导模，从而实现信号的较高增益和较低的驻波比。

目前，波导缝隙天线已广泛应用于雷达、通信、导航等领域，在增强系统性能、提高通信质量等方面具有重要的应用价值。

二、研究内容和目标：本研究的主要内容是对波导缝隙天线的结构和工作原理进行深入研究，并探索其应用于通信系统的可能性。

具体目标如下：1、分析波导缝隙天线的结构特点和工作原理，探讨其在通信系统中的应用价值。

2、采用有限元仿真方法对波导缝隙天线的性能进行分析和优化。

3、针对波导缝隙天线的应用问题，给出合理的解决方案和设计建议。

三、研究方法：本研究计划采用以下方法：1、文献调研：查阅相关文献，了解波导缝隙天线各种结构和性能的研究成果和成果，为后续仿真和实验提供理论依据。

2、有限元仿真：使用有限元软件模拟和优化波导缝隙天线的性能，研究其在不同频段的电学性能、辐射特性等。

3、实验验证：搭建波导缝隙天线的实验系统，验证仿真结果的可靠性，分析实验结果并进一步完善设计方案。

四、论文结构：本研究的论文将包括以下部分：1、绪论：介绍波导缝隙天线的背景和应用价值。

2、波导缝隙天线的结构和工作原理分析。

3、有限元仿真及实验验证。

4、综合分析与结论：对实验和仿真结果进行分析和比较，并给出设计方案和建议。

5、参考文献。

以上是本研究的开题报告，欢迎指导老师和同行专家提出宝贵意见和建议。

L波段宽带超低副瓣波导缝隙阵列天线设计陈良圣【摘要】如何有效地提取缝隙参数、提高缝隙天线的设计精准度,是实现超低副瓣波导裂缝天线的关键.在对波导窄边裂缝阵列天线的频带宽度选择、阵中裂缝有源导纳的提取方法、缝隙电导函数的确定等关键技术进行分析的基础上,采用实测与理论分析相结合的方法提取缝隙参数,设计制作了一款L波段超低副瓣波导窄边裂缝阵列天线.近场测试结果表明,该天线有效工作带宽为200 MHz,频带内副瓣电平低至-42 dB,具有很强的抗干扰性能,且辐射效率高、水平波束窄,工程应用价值良好.%How to extract the gap parameters effectively and improve the design precision of the slot antenna is the key to realizing the ultra-low sidelobe waveguide slot antenna. Based on analyzing the selection of frequency bandwidth, the extraction method of active admittance of cracks in array and the determination of gap conductance function of the waveguide narrow-edge slot array antenna, a L-band waveguide narrow-edge slot antenna is designed via in combination of actual measurement with theoretical analysis for extracting the gap parameters. The near-field experimental results indicate that this proposed antenna, when in effective work width of 200 MHz and the maximize sidelobe of below -42dB, has strong anti-interference performance, high radiation efficiency, narrow horizontal beam,and thus is of fairly good application value.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)001【总页数】7页(P227-233)【关键词】宽带;超低副瓣;有源导纳;交叉极化【作者】陈良圣【作者单位】安徽博微长安电子有限公司,安徽六安 237000【正文语种】中文【中图分类】TN957.20 引言相比于偶极子平面阵列天线等天线形式，波导窄边裂缝阵列天线具有功率容量大﹑辐射效率高﹑宽垂直波束﹑窄水平波束和易于实现低副瓣和赋形波束等优点，广泛应用于雷达和微波通信系统中。

波导缝隙天线的开缝规则
波导缝隙天线的开缝规则
波导缝隙天线是一种常用于微波频段的天线类型，可以用于通信、雷达和卫星通讯等领域。

这种天线的核心部件是一个狭长的金属盒子，其两侧有一个狭窄的缝隙，通过这个缝隙来辐射和接收电磁波。

本文将详细介绍波导缝隙天线的开缝规则。

开缝规则
波导缝隙天线的缝隙长度和宽度决定了天线的工作频率范围和辐射特性。

缝隙的形状也对天线性能有一定的影响。

因此，在设计波导缝隙天线时，需要注意以下几点开缝规则：
1. 缝隙长度
首先要确定缝隙的长度。

缝隙的长度应该是电磁波波长的一半或者其整数倍。

这是因为波导缝隙天线的工作原理是通过缝隙处的电磁场来辐射或接收电磁波，如果缝隙长度不符合整数倍关系，则会导致波导缝隙天线无法在特定频率范围内工作。

2. 缝隙宽度
缝隙的宽度也是决定波导缝隙天线特性的重要因素之一。

缝隙宽度应该足够小，以保证波导缝隙天线能够在所要求的频带内工作。

缝隙宽度还应该尽量小，以提高天线的辐射效率和方向性。

3. 缝隙形状
缝隙的形状也对波导缝隙天线的性能有影响。

一般来说，缝隙的形状可以是矩形、三角形或复杂形状。

不同形状可以影响波导缝隙天线的输入阻抗、辐射方向图和频率响应等。

选择适当的缝隙形状，可以优化波导缝隙天线的性能。

总结
波导缝隙天线的开缝规则是决定天线性能的关键因素之一，缝隙长度和宽度的选择应遵循特定频率范围内的需求，缝隙形状也应选择适合的形状以提高天线的性能。

在设计波导缝隙天线时，有必要进行详细的仿真和优化，以获得最佳的天线性能。

波导裂缝天线分类号密级U D C 单位代码10151基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计谭晓明房少军职称教授指导教师申请学位级别硕士学科与专业通信与信息系统论文完成日期2008.1 论文答辩日期2008.3.26学位授予单位大连海事大学答辩委员会主席The Analysis and Design of Slot Antenna Based on Finite-Difference Time-Domain MethodDissertation Submitted toDalian Maritime UniversityIn partial fulfillment of the requirements for the degree ofMaster of EngineeringByTan XiaoMing(Communication and Information System)January, 2008大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文“基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计”。

除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明.本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于：保密□不保密□（请在以上方框内打“√”）论文作者签名：导师签名：日期：年月日中文摘要摘要时域有限差分法（FDTD）作为一种电磁场数值计算方法以其简单、直观等特点近年来备受业界关注和厚爱。