CST-偶极子相控阵天线的仿真与优化

实验报告学生姓名：学号：指导教师：实验地点：实验时间：一、实验室名称：二、实验项目名称：微波工程CAD实验三、实验学时：20四、实验原理：CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得出最优化下的器件尺寸参数。

本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来掌握CST的应用。

五、实验目的：了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。

六、实验内容：第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率范围内，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。

第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率范围内优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。

七、实验器材（设备、元器件）：台式计算机；CST Design Environment 2009仿真软件；U盘（学生自备）。

八、实验步骤：第一题：偶极子相控阵天线的仿真a.单个偶极子天线模型单个偶极子天线方向图b.利用3种方法将单个天线扩展成一个2*2的相控阵天线阵方法一将单个天线的远场结果采用不同的幅度和相位叠加，从而得到阵列的结果。

偶极子天线辐射场图——MATLAB动态仿真【摘要】天线遍布于生活中的每一个角落，为了更好地学习天线，本文对直线天线的简单模型——半波偶极子进行分析。

应用MATLAB这个学习软件，对偶极子天线进行了动态仿真，通过结果分析，很好地符合书本中的实验结论，对抽象的天线理论很好地结合到了实际理解当中。

【关键字】偶极子天线元辐射场MATLAB动态仿真偶极子（dipole）定义：指相距很近的符号相反的一对电荷或“磁荷”。

在电磁学的概念里，有两种偶极子：电偶极子和磁偶极子。

电偶极子是两个分隔一段距离，电量相等，正负相反的电荷。

应用有偶极子天线。

磁偶极子是一圈封闭循环的电流，例如一个有常定电流运行的线圈，称为载流回路。

偶极子的性质可以用它的偶极矩描述。

电偶极矩由负电荷指向正电荷，大小等于正电荷量乘以正负电荷之间的距离。

磁偶极矩的方向，根据右手法则，是大拇指从载流回路的平面指出的方向，而其它拇指则指向电流运行方向，磁偶极矩的大小等于电流乘以线圈面积。

而将两个辐射单元（天线元或者阵元），也就是偶极子，按照一定方式排列的列阵天线，如果排列在直线上，称线阵天线（图一），如果排列在一个平面上，则称为面阵天线。

而这里媒质是线性的，根据线性系统的叠加定理，列阵天线的辐射场就是这两个天线元辐射场的矢量和。

并且适当地各天线元激励电流的大小和相位，就可以得到所需的辐射特性。

从而也很好地讨论由相似天线元组成的线阵天线的方向性。

偶极子天线用来发射和接收固定频率的信号。

虽然在平时的测量中都使用宽带天线，但在场地衰减和天线系数的测量中都需要使用偶极子天线。

SCHWARZBECK 偶极子天线的频率范围由30MHz~4GHz。

其中的VHAP和UHAP是一套精确偶极子天线，特别适用于场地衰减和天线系数的测量。

同时该天线为日本VCCI等标准机构指定的电波暗室和开阔场场地衰减测量等的唯一专用天线。

该天线为众多实验室所采用，作为实验室的天线标准。

垂直天线实际上是一种偶极子天线。

一种双波束相控阵天线的设计与实现邬树纯;倪文俊【摘要】介绍了一种双波束相控阵天线,阐述了其工作原理、设计方法及实测结果.该天线阵工作于P波段,用于雷达干扰发射系统,发射波束为方位同时双波束,并且每个波束均可独立电扫描,实现了同时对多目标、多方位的雷达干扰.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2014(037)003【总页数】5页(P85-89)【关键词】相控阵;多波束;波束扫描;雷达干扰【作者】邬树纯;倪文俊【作者单位】中国电子科技集团公司51所,上海201802;中国电子科技集团公司51所,上海201802【正文语种】中文【中图分类】TN821.80 引言目前各国大量应用的雷达干扰系统，大多采用单波束天线。

此类系统波束指向单一，通过机械转动实现波束在空间的扫描。

由于雷达体制的不断改进和升级，雷达部署越来越密集，对雷达干扰系统也提出了更高的要求，其中多方位、多目标同时干扰就是摆在雷达干扰系统面前的一个具体问题。

因此，同时多波束雷达干扰技术近年来倍受推崇。

多波束是指天线向空中辐射的电磁波是由多个波束组成，每个波束覆盖一定的空域，从而满足对同时多方位、多目标的覆盖需求。

对于相控阵天线，仅通过改变馈入天线单元的相位即可使波束扫描，实现波束捷变。

本文详细介绍了一种用于雷达干扰发射系统的双波束相控阵天线的设计与工程实现。

该相控阵天线的主要技术指标为：工作频率：P波段；极化：斜45°极化；增益：≥21dBi；波束宽度：25°×6°（方位×俯仰，中心频率）；波束数：2个（同时）；扫描角度：0°、±12.2°、±25°、±40°7个固定波束。

1 基本原理1.1 相控阵天线原理图1为一个N单元的均匀直线阵列［1－2］。

为讨论方便起见，假定该线阵位于一个直角坐标系内。

线阵中第i个天线单元的激励电流为Ii（i＝0，1，…，N－1），每个天线单元所辐射的电场强度与其激励电流成正比。

短波偶极子帘幕相控阵天线设计及方向图计算张明; 邓朝阳; 王力; 涂帅【期刊名称】《《船电技术》》【年(卷),期】2019(039)008【总页数】4页(P47-50)【关键词】偶极子帘幕相控阵天线; 相位控制; 方向图【作者】张明; 邓朝阳; 王力; 涂帅【作者单位】91351 部队辽宁兴城 125106【正文语种】中文【中图分类】TN821相控阵技术是通过控制各单元的相位、幅度来控制波束的扫描，为实现赋形波束及波束的无惯性扫描提供了技术支持。

因此，相控阵技术在雷达等领域得到了广泛的应用。

在通信方面，短波通信具有极其重要的战略地位，短波相控阵天线可通过波束控制器来控制天线辐射波束指向，一个天线阵覆盖较宽的通信扇面。

在短波波段，偶极子帘幕形天线占地面积小，发射场型的变动比较灵活，天线的辐射性能随天线阵偶极子的层数和每层的半波振子数目的变化而改变，基于帘幕天线这种特性，本文设计了两副偶极子帘幕相控阵天线，覆盖了10～30 MHz的通信波段范围和80º的波束扫描范围。

本节参考文献的相位控制方法：通过改变信号的传输路径来改变输出信号的相位，并借鉴文献的天线形式和结构，设计了一副短波四元相控阵天线：偶极子帘幕相控阵天线。

这种相控阵天线系统有两种方案可供选择：1) 移相器工作在大功率发射机后面，先由发射机产生一个大功率短波射频信号，然后通过移相器来改变大信号的相位，最后把经过移相的信号送到天线；2) 移相器工作在发射机前面，先将短波激励器产生的小射频信号经过移相器控制相位的变化，然后将经过移相的小信号通过发射机进行功率放大，最后把放大的信号送到天线。

这两种设计方案的最大区别就是移相器的位置，第一种方案中的移相器必须满足大功率工作要求，如果按照这种方案设计相控阵天线，首先要解决的是大功率短波移相器的设计问题。

本文采用延迟线来设计短波大功率移相器，这种方案的优点在于对发射机输出信号相位没有任何要求，它是通过移相器来控制信号相位变化的。

球形偶极子辐射天线小型化的仿真设计
陈炜峰;胡蓉;余莉
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2013(000)012
【摘要】针对工程中机箱机柜屏蔽效能测试系统中宽带天线的特性要求,必须使用宽频带且尺寸小的测试天线.球形偶极子辐射天线作为一种新型的宽频带有源天线,兼备了信号处理功能,使天线小型化与宽频带成为可能.采用HFSS电磁场仿真软件建立有源球形偶板子辐射天线模型,并对其尺寸进行优化.使用MATLAB软件制图对比分析天线的理想尺寸为80mm左右以及小型化后对天线性能的影响.同时在理想尺寸下,使天线覆盖30MHz-1GHz频段,通过将双锥以及螺形结构与球体相结合等方法改善天线结构,解决了天线小型化后低频增益偏低的问题.
【总页数】4页(P31-34)
【作者】陈炜峰;胡蓉;余莉
【作者单位】南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TN823+.15
【相关文献】
1.球形天线罩对垂直电偶极子辐射特性的影响 [J], 朱秀芹;官伯然
2.一种小型化宽频双极化基站天线辐射单元的仿真设计 [J], 唐雨果
3.有源球形偶极子辐射天线馈电方式对方向特性的影响 [J], 陈文久;蒋全兴
4.RFID半波对称偶极子天线和弯折偶极子天线小型化设计 [J], 孙耀东[1,2];俞晓磊[2];汪东华[2];于银山[1,2]
5.基于HFSS球形偶极子辐射天线的结构优化 [J], 陈炜峰;胡蓉;余莉
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当仿真大型阵列天线(如30*50阵元)时，创建模型并对每一个端口赋予指定的幅值和相位，将会是非常繁琐的工作，针对此种情况，CST 微波工作室（CST MWS）中加入了Array Wizard宏命令，可以方便快速的建立天线阵，并预设所有端口的幅值及相位：在这里，我们一方面会遍历Array Wizard 宏的所有设置，对其功能进行说明；另一方面会通过实际案例进一步说明Array Wizard 的具体用法。

Array Wizard 功能简介选择宏功能的类型：Construct Finite Array from Single Element 从单元创建整个阵列Simultaneous Excitation：Update Am / Ph Distribution 对已有阵列的所有端口赋幅度和相位值 Perform Combine Results：Setup Am / Ph Distribution and Excitation 分配端口幅度和相位 Setup and Plot Farfield Array 设置并画出远场阵列勾选Apply to Farfield Source选项，可以将远场源作为一个阵元进行组阵操作。

设置单元数：Number of Row：平行于X轴的行数Number of Columns：平行于Y周的列数S1(x) S2(y’)设置单元间距：S1(x),S2(y’)及Grid Angle的含义如下图：设置波束指向角：Scan Theta：波束指向角的Theta角度；Scan Phi：波束指向角的Phi角度；Load phase distribution：载入端口的相位信息。

幅度加权Amplitude weight在下拉菜单中选择一种幅度分布函数： Uniform(均匀分布) 、Binomial(二项式分布) 、Cosine(余弦分布)、 Cosine^2(余弦平方分布) 、Chebyshev(切比雪夫分布) 、Taylor(泰勒分布) 、User Defined(自定义分布) 、Relative sidelobe level(dB)设置副瓣电平、Frequency设置参考频率。

Harbin Institute of Technology课程设计说明书〔论文〕课程名称：天线仿真设计题目：圆极化微带天线的仿真院系：班级：设计者：学号：指导教师：设计时间：XX工业大学一、课程设计目的1、了解微带天线的辐射原理和分析方法，并掌握微带天线尺寸计算一般过程；2、了解微带天线圆极化的方法，并设计一种圆极化微带天线；3、学习并掌握CST软件的使用，熟悉天线仿真的流程，并完成天线的优化设计。

二、天线设计目标本文设计的圆极化矩形微带贴片天线的中心频率为6 GHz，并且将满足一下技术指标：1、反射系数S11<10dB〔VSWR<2〕；2、天线轴比小于3dB；3、绝对带宽100MHz；4、增益大于5dB；5、输入阻抗50Ω；6、波瓣宽度大于70deg。

三、微带天线背景1、微带天线简介微带天线是近30年来逐渐开展起来的一类新型天线。

早在1953年就提出了微带天线的概念，但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，真正的开展和使用是在70年代。

常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。

由于微带天线有独特的优点，而缺点随着科技的进步正在研究克制，因此它有广阔的应用前景。

一般说来，它在飞行器上的应用处于优越地位，可用于卫星通讯、天线电高度表、导弹测控设备、导引头、环境监测设备、共形相控阵等。

徽带天线在地面设备上应用也有其优势方面。

特别是较低功率的各种民用设备，例如医用微波探头，直播卫星的接收阵以及当前的蓝牙设备的收发天线等，由于微带带天线能集成化，它在毫米波段的优势非常明显。

当然它并不是完美无缺的，我们将其与微波天线相比，简单介绍它的优缺点。

微带天线和常用的微波天线相比拟，它有以下一些突出的优点：(1)重量较轻，体积比拟小，剖面低，能与飞行器等载体共形。

口径积分法结合CST软件分析缝隙阵列天线罩张云祥;赵志钦;王建;史维光;许群【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2014(029)004【摘要】采用近场口径积分算法结合三维电磁仿真软件(Computer Simulation Technology,CST)仿真软件分析了带有多层介质天线罩的平板缝隙阵列.用CST对天线罩内的缝隙阵列天线进行仿真分析得到每个缝隙中心点的电磁场分布,对天线罩部分分析采用近场口径积分法分析天线罩部分对平板缝隙阵的影响.通过对该混合方法计算出的带罩平板缝隙阵列天线结果与CST全波仿真结果进行对比来验证该方法的正确性,结果表明:两者吻合很好.由于采用CST软件提取缝隙阵口径场考虑了阵元之间的互耦,较传统的理想阵元模型更加准确.混合方法避免了全波算法解决电大尺寸多层介质天线罩分析过程中耗费计算资源大、时间长的缺点.【总页数】5页(P616-620)【作者】张云祥;赵志钦;王建;史维光;许群【作者单位】电子科技大学电子工程学院,四川成都611731;电子科技大学电子工程学院,四川成都611731;电子科技大学电子工程学院,四川成都611731;电子科技大学电子工程学院,四川成都611731;济南特种结构研究所,山东济南250023【正文语种】中文【中图分类】TN820【相关文献】1.微带-缝隙馈电的渐变缝隙天线及其阵列应用 [J], 钱嵩松;李兴国2.大型波导缝隙阵与天线罩的一体化高效精确分析 [J], 孙旭敏;杨明林;盛新庆3.低RCS的双层缝隙阵FSS雷达天线罩的设计与分析 [J], 陈磊;董金明4.共口径双波段波导缝隙阵列天线设计技术 [J], 高志国;王伟;刘涓5.关于口径双波段波导缝隙阵列天线设计技术的研究 [J], 吴淼;陆凯;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

公称直径为38mm的CST参数优化设计
鄢一夫;雷正保
【期刊名称】《公路与汽运》
【年(卷),期】2011(000)001
【摘要】为获得微型汽车中螺纹剪切式汽车碰撞吸能装置(CST)的最优参数,以公
称直径为38 mm的CST为研究对象,应用单因素分析方法,以螺纹牙厚、螺纹牙高、剪切位置及螺距为设计参数,基于VPG、LS-DYNA软件分别建立有限元模型进行
仿真试验,以碰撞加速度为考核因子,利用曲线拟合方法,分别拟合加速度与各设计参数之间的单因素函数关系;基于这种单因素函数关系,再次利用曲线拟合方法建立加
速度与4个设计参数之间的联合作用函数关系;利用得到的联合作用函数关系,建立优化设计模型并获取CST的最优参数.仿真试验表明所得CST最优参数满足汽车碰撞对吸能装置的要求.
【总页数】5页(P12-16)
【作者】鄢一夫;雷正保
【作者单位】长沙理工大学,汽车与机械工程学院,湖南,长沙,410004;长沙理工大学,汽车与机械工程学院,湖南,长沙,410004
【正文语种】中文
【中图分类】U461.91
【相关文献】
1.压力容器、管道元件的公称压力和公称直径(尺寸)术语解读 [J], 刘欣中;李建梅;黄建虾;杨杰;胡忆沩
2.38mm直径小规格钻杆的研制 [J], 杨宏伟;李艳丽;朱立强;闫路;张慧杰;王克虎
3.晶粒的弗里特直径,平均截距,公称直径之间关系的研究 [J], 王锐;梁希媛
4.浅析公称压力与公称直径 [J], 吕岩
5.基于公称直径8mm圆锥销拆卸专用工具的设计 [J], 王俊鹏;彭硕;黎良坤;郭利军;韩辉
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