毫米波圆极化微带天线的研究
圆极化波的产生：
微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型,当馈电点位于贴片的对角线上时,天线中可以同时维持乃订。和刀怀。模,两种主模同相且极化正交,结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行,单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的,幅度相等的,相位相差”的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法一点馈电的单片圆极化微带天线正交馈电的单片圆极化微带天线由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。
圆极化波的性质：
根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化,相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极化波具有以下的性质〕
（1）圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即沿其传播方向看去,波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转,称之为左旋圆极化波,记为LCP(Left-Hand Circular Polarization);若沿传播方向按右手螺旋旋转,称之为右旋圆极化波,记RCP(Right-Hand Circular Polarization),
（2）一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此,实现圆极化天线的基本原理就是产生两个空间上正交的线极化电场分量,并使二者振幅相等,相位相差度。
（3）任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例,一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此,任意极化的来波都可由圆极化天线收到反之,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。这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。
（4）天线若辐射左旋圆极化波,则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波反之,若天线辐射右旋圆极化波,则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实,这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。例如国际通信卫星号上的多波束发射天线辐射右旋圆极化波,形成两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波,形成两个照射不同地区的“区域波束”,这四个波束都工作于频段而互不干扰,从而实现四重频谱服用,增加了通信容量。
（5）圆极化波入射到对称目标如平面、球面等时,反射波变成反旋向的,即左旋波变成右旋,右旋变成左旋。
双圆极化微带阵列天线及高增益圆极化微带天线的设计
波的极化：
波的极化是指无线电波的电场矢量的极化。在空间某点，沿着波的传播方向观察，电场矢量的场矢量端点的运动轨迹的形状、取向和旋转方向定义为单一频率的电场矢量的极化。根据场矢量端点运动轨迹的不同，电磁波有线极化、圆极化和椭圆极化三种极化类型。下面分别说明三种极化类型。
设一沿着z轴传播的无衰减均匀平面波，其瞬时电场表达式为：
在垂直于传播方向的平面内，将E(z,t)分解为两个相互垂直的分量，即：
由式（2-1）和式（2-2）可得：
式中，Exm —电场的x 分量的复振幅值，Eym —电场的y 分量的复振幅值；Fx—电场的x 分量的初始相位，Fy—电场的y分量的初始相位。
如图2.2 所示，电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内的轨迹是圆。沿着波的传播方向观察，电场矢量顺时针旋转，就是右旋圆极化波；电场矢量逆时针旋转，就是左旋圆极化波。
圆极化波的性质:
辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线。圆极化波具有以下性质。
(1)圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场，即，沿着传播方向看去，波的瞬时电场矢量端点运
动轨迹是一个圆。沿着波的传播方向看去，电场矢量顺时针旋转，称为右旋圆极化波，记为RHCP(Right-Hand Circular Polarization)；电场矢量逆时针旋转，称为左旋圆极化波,记为LHCP(Left-Hand Circular Polarization)。
(2)一个圆极化波可分解为两个在空间上和时间上均正交的等幅线极化波。因此，圆极化天
线实现的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。
(3)任意线极化波均可分解为两个振幅相等、旋向相反的圆极化波。因此，任意线极化来波
都可以由圆极化天线接收。反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可由任意线极化的天线接收。圆极化波的这个特性广泛应用于电子侦察和干扰中。
(4)天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波；反之，若天
线辐射右旋圆极化，则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实，这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化波这一性质。
(5)圆极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时，反射波的旋向发生反转，即左旋波变
右旋波，右旋波变左旋波。利用这一性质制作的圆极化天线能抗雨雾干扰。因为水点近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋向的；而雷达目标（如飞机、导弹等）一般是非简单对称体，它对于圆极化波的反射波是椭圆极化波，故具有同旋向的圆极化成分。
圆极化微带天线的理论和实验
第一讲天线基本原理 1、天线的基本概念 1．天线的作用 在任何无线电通信设备中，总存在一个向空间辐射电磁能量和从空间接收电磁能量的装置，这个装置就是天线。 天线的作用就是将调制到射频频率的数字信号或模拟信号发射到空间无线信道，或从空间无线信道接收调制在射频频率上的数字或模拟信号。 2．天线问题的实质 从电磁场理论出发，天线问题实质上就是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的电特性。空间任何一点的电磁场满足电磁场方程——麦克斯韦方程及其边界条件。因此，天线问题是时变电磁场问题的一种特殊形式。 从信号系统的角度出发，天线问题可以理解为考察由一个电磁波激励源产生的电磁响应特性。从通信系统的角度出发，天线可以理解为信号发射和接收器，收发天线之间的无线电信号强度满足通道传输方程和多径衰落特性。 3．对天线结构的概念理解 采用不同的模型，对天线可以有不同的理解。典型的模型比如：开放的电容 [思考] 野外电台或电视发射塔，无线电视或电台接收机，为什么能构成一个天线，其电流回路在什么地方？ 开放的传输线 从传输线理论理解，天线可以看做是将终端开路的传输线终端掰 开。 TM mn型波导 将天线辐射看做是在4π空间管道中传输的波导，则对应的传输波型是TM型波，但在传输过程中不断遇到波导的不连续性，因此不断激励
高次模。 由电磁波源和电磁波传输媒质形成电磁波传输的机构 波的形成都需要波源和传输媒质。在一盆水中形成机械波纹，可以使用点激励源产生波，并在水面上传播。波的传播特性只与媒质特性有关而与波源无关。将一个肉包子扔出去，这个肉包子可能产生不同的结果，或者被狗吃了，或者掉在什么地方了，都与扔包子的人不再有任何关系。而对天线来说，馈点的激励源就是这种波源，天线导体和外界空间就是传输媒质。不过电磁波的传输媒质可以是真空。 [思考] 电磁波具有波粒二象性。频率越低，波动性越强；频率越高，粒子性越强。所以光波主要表现出粒子性，而长波表现出波动性。射频电磁波就是介于这二者之间的一种电磁波，它既有显著的波动性，又有显著的粒子性。只要认清这一点，许多问题就会变得易于理解。认清事物的本质规律我们才能很好地利用它，我们不能把一头驴当马使，否则就会出现许多荒唐的错误。有人认为射频很复杂，有人认为很简单，就是这个道理。 [哲学启示] 电磁波由于看不见，摸不着，所以在很多人看来它很抽象。但考虑到世界是普遍联系的，尽管不同的事物也有许多不相同点，但找到它们之间的联系，就能获得认识抽象事物的“火眼金睛”。 2、电磁场基本方程 1．麦克斯韦方程 （电生磁。若电场变化，则磁场随之变化） （磁生电。若磁场变化，则电场随之变化） （磁力线是无始无终的封闭闭合曲线） （电力线出发和终止于自由电荷）
ＧＰＳ圆极化微带天线设计 1.1微带天线简介 微带天线是在一块厚度远小于工作波长的介质基片的一面敷以金属辐射片，一面全部敷以金属薄膜层做接地板而成。GPS天线通常使用平面天线和螺旋形天线。近年来微带天线由于具有重量轻，体积小，易于实现圆极化。而GPS功能在个人行动通讯设备特别是手机中的普及，更使得GPS天线的小型化研究成为十分热门的话题。 1.2GPS微带天线结构与原理 上图是一个简单的微带天线结构，由辐射元，介质层和参考地三部分组成。与天线性能相关的参数为辐射元的长度L,辐射元的宽度W，介质层的厚度h,介质的相对介质电常数εr ，介质的长度和宽度。 1.3辐射机理 理论上可以采用传输线模型来分析其性能，假设辐射贴片的长度近似的为半波长，宽度为w,介质基片厚度为h,工作波长为λ；我们可以将辐射贴片，介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。由于介质基片厚度h<<λ，故电路沿着h方向基本没有变化。最简单的情况可以假设电场沿着宽度w方向也没有变化。那么在只考虑主模激励（TM10模）的情况下辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路的边缘引起的。在两开路的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，由于辐射贴片长度约为半个波长，所以两垂直分量方向相反，水平分量方向相同。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的那个缝隙，缝隙的宽度为ΔL（近似等于基片厚度h），长度为w，等效缝隙相距为半波长，缝隙的电场沿着w方向均匀分布，电场方向垂直于w。 1.4微带天线贴片尺寸估算
设计高效率辐射的宽度w,2 1212-??? ??+=r f c w ε 式中C 为光速。 辐射贴片的长度一般为2e λ，这里的e λ是介质内的导波波长，即 e λ=e f c ε 考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射单元长度L 应为 L=e f c ε-2ΔL 式中e ε是有效介电常数，ΔL 是等效辐射缝隙长度， 同轴线馈电点的位置，宽度方向上馈电点的位置一般在中心点，在长度方向上边缘处（x=±L/2）的输入阻抗最高。由以下的公式计算出输入阻抗为50欧姆的馈电点位置： ??? ? ??=re 1-12L 1L ξ 2ＨＦＳＳ设计环境概述 2.1模式驱动求解。 2.2建模操作。 模型原型：长方体，圆柱体，矩形面，圆面。 模型操作：相减操作。 2..3边界条件及激励： 边界条件：有限导体边界，辐射边界. 端口激励：集总端口激励。 2.4求解设置。 求解频率：１.６ＧＨｚ 扫频设置：快速扫描，频率范围：１～２ＧＨｚ 2..5Ｏｐｔｉｍｅｔｒｉｃｓ 参数扫描分析 优化设计 2.6数据后处理：Ｓ参数扫描曲线，３Ｄ辐射方向图。 3.1仿真模型
https://www.doczj.com/doc/2114514705.html, 圆极化全向天线技术 胥亚东，阮成礼 电子科技大学物理电子学院，成都（610054） E-mail： 摘要：圆极化全向天线由于其自身性能特点，在现代的无线应用中，越来越受到广泛的关注。本文主要归纳总结了圆极化全向天线的研究进展，探讨了圆极化全向天线的各种实现方法，及其中的各个关键问题，并讨论了各种方案具体设计方案、影响因素、过程原理，及其优劣性，在此基础上，对圆极化全向天线的研究发展趋势提出了展望。 关键词：圆极化天线，全向天线 中图分类号：TN820.1+1 1．引言 天线的极化作为天线性能的一个重要参数，是指在一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随着时间变化电场矢量（端点）在空间描出的轨迹。天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。线极化和圆极化是椭圆极化的特例。圆极化又分为正交的左旋和右旋圆极化。椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆极化波[1]。 随着科学技术和社会的不断发展，对天线的性能要求也越来越高，在现代的无线应用系统中，普通的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线的应用越来越广泛，其主要特点主要体现在以下几个方面[2-4]：1.圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到；2.圆极化天线具有旋向正交性；3.极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。由于圆极化天线具有以上特点，因此，被广泛使用在通信、雷达、电子侦察与电子干扰等各个方面，研究圆极化天线具有巨大的社会效益、经济效益和军事效益。 任意圆极化波可分解为两个在空间、时间上均正交的等幅线极化波，由此得到实现圆极化天线的基本原理：即产生两个空间正交的线极化电场分量并使二者振幅相等（即简并模），相位差90°[5]。尽管圆极化天线形式各异，但产生机理万变不离其宗。反映在史密斯圆图中，两简并模的恰当分离对应阻抗曲线出现一个尖端（cusp）。圆极化天线的基本电参数是最大增益方向上的轴比，即任意极化波的极化椭圆长轴（2A）与短轴（2B）之比[6]： ?A?AR=20lgr=20lg?? ?B?
雷达基础理论习题 一、填空题 1．一次雷达的峰值功率为，平均功率为1200W，重复频率为1000Hz。 2．二次雷达询问频率为1030MHz 。脉冲P1-P3称模式询问脉冲，脉冲间隔决定了询问功能，目前本场雷达使用的两种询问模式3/A模式和C模式，P1-P3脉冲间隔分别是8μs 和 21μs 。 3. 两项告警指的是低高度告警和冲突告警。 4. ISLS是指询问旁瓣抑制，作用是避免环绕效应。 5. 接收机的动态范围是指接收机出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比。 6. 目前ICAO定义了25种数据链格式，其中有 8 种在现行模式S中使用。 7. 雷达信号的检测由发现概率和虚警概率来描述。 8. 脉冲P2称旁瓣抑制脉冲，不论是何种询问模式，P2与P1间恒为2μs 。 9. STC的含义是时间灵敏度控制，作用是扩大动态范围。 10. 雷达距离分辨力主要取决于脉冲宽度。 11. 二次雷达发射通道是∑和Ω通道。 12. 一次雷达天线的转速为15转/分。 13.一次射频脉冲宽度为1μs。 二、单选题 1. 二次雷达中频频率是（B ） A． 30MHz B． 60MHz C． 90MHz 2. 余割平方天线的雷达波束指的是（ A ）。 A .垂直方向图 B.水平方向图 3. C模式下P1P3脉冲的时间间隔是（ D ） A．3μs B．5μs C．8μs D．21μs 4. 二次监视雷达天线系统的极化方式应为（ B ） A.水平极化 B.垂直极化 C.圆极化 5. 决定雷达检测能力的是（ A ）。 A.接收机输出端的信噪比 B.发射机的功率 C.噪声的大小 D.接收机的灵敏度 6. 在下列关于二次雷达场地设置的说明中，哪一项是错误的( A ) A.对于其所保障的主要航线，特别是进场着陆航线，不应构成使动目标显示失效的切线航线（切线飞行的航线）； B.通常配置在机场内地势较高的高地或建筑物顶上，或机场外(航路上)较高的地点； C.应根据其特性（进近或航路），能保证其对所辖区域各条航线和主要空中定位点均能进行有效的探测； D.应使雷达顶空盲区避开进离场航线和主要航路，并量保证主要航路航线。 7. 航空器在飞行中遇到严重威胁航空器和所载人员生命安全情况时，机长（飞行通信员）必须尽一切可能发出遇险信
圆极化天线的研究与设计 现代通信系统需要在复杂的环境和条件下实现稳定的通信,这对天线的稳定性和抗干扰性有很高的要求。圆极化天线具有很多独特性质,圆极化天线可以接受任意极化的电磁波从而避免极化损失,还可以抑制多径散射和多径干扰,同时可以避免产生法拉第旋转效应。 由于独特优势,圆极化天线系统具有良好的可靠性和稳定性,广泛应用于卫星,射频识别,雷达等领域。随着现代通信技术的迅速发展,对圆极化天线也提出了新的要求。 例如,在结构上要求天线小型化、易于集成以及结构简单等;在天线性能方面则要宽带宽、多频工作、全向性、高增益以及宽波束等。本论文对传统圆极化天线技术进行了回顾,系统的总结了各种圆极化技术的优点和缺点。 基于已有的圆极化的技术进行创新和改进,从而设计了几款性能出色的圆极化天线。论文围绕圆极化天线展开,设计了两个宽带圆极化天线,一个双频圆极化天线,一个圆极化聚焦阵列天线。 本文的主要创新点为:1.设计了两款宽带圆极化天线。其中第一款基于正交L型开口缝隙,通过在馈电线上增加调谐短截线,和在贴片上引入闭合正交缝隙,使圆极化带宽从大约23%增加到70%。 第二款基于微带单极子天线改进而来,改变单极子贴片的馈电位置和倾斜角度实现圆极化特性,并且采用圆弧化的处理达到宽带特性,实现了90%的宽带圆极化带宽。2.设计了一个双频工作的圆极化RFID阅读器天线,不仅有较宽的圆极化带宽,而且两个工作频点独立可调。 将两个不同长度的弯折正交缝隙巧妙的组织在一起,分别负责高频和低频的
圆极化辐射。三个射频开关控制两种工作模式的切换。 该天线结构紧凑,且完全覆盖了RFID的UHF通用频段和WLAN频段。3.设计了一个16单元的圆极化聚焦阵列,基于阵列和圆极化测试天线之间的传输效率最大化的原理来计算聚焦阵列的最优激励分布,能够同时达到很好的圆极化和聚焦性能。 对每一个阵列单元增加寄生贴片作为引向器,使单元的辐射波束向焦点方向倾斜,使电场聚焦增益提升了2.7 dB。
天线CAD大作业 学院：电子工程学院 专业：电子信息工程
微带天线设计 一、设计要求： （1）工作频带1.1-1.2GHz ，带内增益≥4.0dBi ，VSWR ≤2:1。微波基板介电常数为r ε = 6，厚度H ≤5mm ，线极化。总结设计思路和过程，给出具体的天线结构参数和仿真结果，如VSWR 、方向图等。 （2）拓展要求：检索文献，学习并理解微带天线实现圆极化的方法，尝试将上述天线设计成左旋圆极化天线，并给出轴比计算结果。 二、设计步骤 计算天线几何尺寸 微带天线的基板介电常数为r ε= 6，厚度为 h=5mm,中心频率为 f=1.15GHz,s m /103c 8?=天线使用50Ω同轴线馈电，线极化，则 （1）辐射切片的宽度2 1 )2 1(2-+=r f c w ε=69.72mm （2）有效介电常数2 1)12 1(2 1 2 1 r e - +-+ += w h r εεε=5.33 （3）辐射缝隙的长度) 8.0/)(258.0() 264.0/)(3.0(h 412.0+-++=?h w e h w e L εε=2.20 （4）辐射切片的长度L e f c L ?-=22ε=52.10mm （5）同轴线馈电的位置L1 21 )121(21 2 1)(re -+-+ += L h r r L εεξ=5.20 )1 1(21re L L ξ-= =14.63mm 三、HFSS 设计 （1）微带天线建模概述 为了方便建模和后续的性能分析，在设计中定义一系列变量来表示微带天线的结构尺寸，变量的定义及天线的结构尺寸总结如下：
微带天线的HFSS设计模型如下： 立体图俯视图 模型的中心位于坐标原点，辐射切片的长度方向沿着x轴，宽度方向沿着y 轴。介质基片的大小是辐射切片的2倍，参考地和辐射切片使用理想导体来代替。对于馈电所用的50Ω同轴线，这用圆柱体模型来模拟。使用半径为0.6mm、坐标为（L1，0,0）；圆柱体顶部与辐射切片相接，底部与参考地相接，及其高度使用变量H表示；在与圆柱体相接的参考地面上需要挖一个半径为1.5mm的圆孔，作为信号输入输出端口，该端口的激励方式设置为集总端口激励，端口归一化阻抗为50Ω。模型建立好后，设置辐射边界条件。辐射边界表面距离辐射源通常需要大于1/4波长，1.15GHz时自由空间中1/4个波长约为65.22mm，用变量length 表示。 （2） HFSS设计环境概述 ＊求解类型：模式驱动求解。 ＊建模操作 ①模型原型：长方体、圆柱体、矩形面、圆面。 ②模型操作：相减操作 ＊边界条件和激励 ①边界条件：理想导体边界、辐射边界。 ②端口激励：集总端口激励。 ＊求解设置：
A Novel Broadband Omni-Directional Circularly Polarized Antenna for Mobile Communications Xulin Quan, RongLin Li School of Electronic and Information Engineering South China University of Technology Guangzhou 510641, China Email: ielinxu@https://www.doczj.com/doc/2114514705.html,; lirl@https://www.doczj.com/doc/2114514705.html, Manos M. Tentzeris School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology Atlanta, GA 30308, USA Email: emmanouil.tentzeris@https://www.doczj.com/doc/2114514705.html, Abstract—This paper presents a new broadband omni-directional circularly polarized (CP) antenna for mobile communications operating nearby 2 GHz. The new omni-directional CP antenna consists of four broadband CP rectangular loops which are bent to form a hollow cylinder. A conducting cylinder is introduced inside the hollow cylinder to improve the CP performance. A broadband balun is developed to feed the CP antenna. This antenna has a compact cylindrical configuration with a diameter of 0.4?. The simulation shows that this antenna has a bandwidth of 30.8% (1.7 GHz-2.32 GHz) for return loss (RL) 10 dB and 36.1% (1.75 GHz-2.52 GHz) for average axial ratio (AR) 3 dB. Good agreement between simulated and measured results is achieved. Keywords-broadband antenna; circularly polarized antenna; omni-directional antenna; mobile communications I.I NTRODUCTION The use of circularly polarized (CP) antennas can enhance the signal reception in modern mobile communication systems. Omni-directional radiation patterns are desirable for some applications by reducing the number of cell sectors. A considerable number of designs have been studied recently for omni-directional CP antennas. For example, simple dipole arrays have been proposed in [1], [2]. The dipole array includes several tilted dipoles and can be considered as a combination of an electrical dipole and a magnetic dipole. When all dipoles are arranged and excited properly, an omni-directional CP antenna could be obtained. However, the design of this type of antenna always leads to a large size and narrow bandwidth. Several low-profile designs have been reported in [3], [4]. A patch antenna can produce vertically polarized wave while the arms around the patch produce horizontally polarized wave. When patch and arms are excited orthogonally, a CP wave can be excited. However, patch antennas usually have a narrow bandwidth. The design in [5] has a simple structure (an array of half-wavelength dipole), but leads to a large size (~4.7λ in diameter). The design described in [6] has the advantages of low-profile and simple structure. But the CP performance in the plane is parallel to the patches is poor. For all the antennas mentioned above, there is a narrow bandwidth which limits their practical applications. This paper presents a novel 3D broadband omni-directional CP antenna configuration for mobile communications?that consists of four broadband CP rectangular loop elements. The design for each individual broadband CP element can be found in [7]. A bandwidth of ~50% for the CP element has been achieved. The rectangular loop has a big aspect ratio, which can lead to a compact cylindrical size of the omni-directional CP antenna. A conducting cylinder and a broadband balun are introduced respectively to achieve simultaneously a good CP performance and impedance matching. The antenna structure will be described in section II and simulated and measured results will be presented in Section III. II.A NTENNA S TRUCTURE Fig. 1 shows the configuration of the proposed omni-directional CP antenna. The design includes four broadband CP rectangular loops printed on thin flexible dielectric substrate, which is rolled into a hollow cylinder for an omni-directional radiation pattern. The diameter of the hollow cylinder is 60 mm (0.4λ at 2 GHz), much thinner than the omni-direcational CP antenna (~4.7λ) presented in [5]. The configuration of each loop is displayed in Fig.1 (b). There are two small gaps on each primary loop to excite a travelling wave which leads to a CP wave [8]. A pair of parasitic loops (with a gap) is introduced inside the primary loop to enhance the bandwidth of the CP element. An inner conducting cylinder is introduced to improve the CP performance of the omni-directional CP antenna. Without inner conducting cylinder, each rectangular loop radiates a bidirectional pattern in the directions perpendicular to the loop plane with opposite CP senses. This feature results in a poor CP performance for the omni-directional CP antenna. To improve the CP performance, a conducting cylinder is added to the inside of the hollow cylinder. Foam is filled into the space between the hollow cylinder and the conducting cylinder to support the CP antenna. A gap is introduced at the middle of the conducting cylinder to leave a space (g1) for the feed structure. A broadband balun is designed to feed the omni-directional CP antenna. The configuration of the broadband balun is shown is Fig. 1(c). A line-slot transition is used to provide good impedance matching over a wide bandwidth. The proposed broadband balun makes use of the electromagnetic coupling between the microstrip line printed on one side of the substrate and the slot etched on the other side for a wide This work was supported by the National Nature Science Foundation of China (60871061), the GDSF (81510641010000085), the SRFDP (20080561), and the Oversea Distinguished Professor Program from the Ministry of Education of China.
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
毫米波圆极化微带天线的研究 圆极化波的产生： 微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型,当馈电点位于贴片的对角线上时,天线中可以同时维持乃订。和刀怀。模,两种主模同相且极化正交,结果导致辐射波的极化方向与馈电点所在对角线平行,单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方形贴片天线等均可以辐射圆极化波。用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的,幅度相等的,相位相差”的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法一点馈电的单片圆极化微带天线正交馈电的单片圆极化微带天线由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。 圆极化波的性质： 根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化,相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极化波具有以下的性质〕 （1）圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即沿其传播方向看去,波的瞬时电场矢量的端点轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转,称之为左旋圆极化波,记为LCP(Left-Hand Circular Polarization);若沿传播方向按右手螺旋旋转,称之为右旋圆极化波,记RCP(Right-Hand Circular Polarization), （2）一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此,实现圆极化天线的基本原理就是产生两个空间上正交的线极化电场分量,并使二者振幅相等,相位相差度。 （3）任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。作为特例,一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此,任意极化的来波都可由圆极化天线收到反之,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。这正是在电子侦察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。 （4）天线若辐射左旋圆极化波,则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波反之,若天线辐射右旋圆极化波,则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实,这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。在通信和电子对抗等应用中的广泛利用这个性质。例如国际通信卫星号上的多波束发射天线辐射右旋圆极化波,形成两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波,形成两个照射不同地区的“区域波束”,这四个波束都工作于频段而互不干扰,从而实现四重频谱服用,增加了通信容量。 （5）圆极化波入射到对称目标如平面、球面等时,反射波变成反旋向的,即左旋波变成右旋,右旋变成左旋。
电磁场理论基础习题集 （说明：加重的符号和上标有箭头的符号都表示矢量） 一、填空题 1. 矢量场的散度定理为(1)，斯托克斯定理为(2)。 【知识点】：1.2 【难易度】：C 【参考分】：3 【答案】：（1）()∫∫?=??S S d A d A v v v τ τ （2）( ) S d A l d A S C v v v v ?×?= ?∫∫ 2. 矢量场A v 满足(1)时，可用一个标量场的梯度表示。 【知识点】：1.4 【难易度】：C 【参考分】：1.5 【答案】：(1) 0=×?A v 3. 真空中静电场的基本方程的积分形式为(1)，(2)，微分形式为(3),(4)。 【知识点】：3.2 【难易度】：B 【参考分】：6 【答案】：(1) 0=?∫c l d E v v (2) ∑∫=?q S d D S v v 0 (3) 0=×?E v (4)()r D v v ρ=??0
4. 电位移矢量D v 、极化强度P v 和电场强度E v 满足关系(1)。 【知识点】：3.6 【难易度】：B 【参考分】：1.5 【答案】：(1) P E P D D v v v v v +=+=00ε 5. 有面电流s 的不同介质分界面上，恒定磁场的边界条件为(1),(2)。 【知识点】：3.8 【难易度】：B 【参考分】：3 【答案】：(1) ()021=??B B n v v v (2) ()s J H H n v v v v =?×21 6. 焦耳定律的微分形式为(1)。 【知识点】：3.8 【难易度】：B 【参考分】：1.5 【答案】：(1) 2E E J p γ=?=v v 7. 磁场能量密度=m w (1)，区域V中的总磁场能量为=m W (2)。 【知识点】：5.9 【难易度】：B 【参考分】：3
右旋圆极化矩形微带天线设计 一、引言 大多数情况下，矩形微带天线工作于线极化模式，但是通过采用特殊的馈电机制及对微带贴片的处理，它也可以工作于圆极化和椭圆极化模式。圆极化的关键是激励起两个极化方式相互正交的线极化波，当这两个模式的线极化波幅度相等，且相位相差90度时，就能得到圆极化的辐射。矩形微带天线获得圆极化特性的馈电方式有两种：一种是单点馈电，另一种是正交馈电。本文采用单点馈电。 我们知道，当同轴线的馈电点位于辐射贴片的对角线位置时，可以激发TM10和TM01两个模式，这两个模式的电场方向相互垂直。在设计中，我们让辐射贴片的长度L和宽度W相等，这样激发的TM10和TM01两个模式的频率相同，强度相等，而且两个模式的电场相位差为零。若辐射贴片的谐振长度为Lc，我们微调谐振长度略偏离谐振，即一边的长度为L1，另一边的长度为W1，且L1>W1，这样前者对应一个容抗Y1=G-jB，后者对应一个感抗Y2=G+jB，只要调整L1和W1的值，使得每一组的电抗分量等于阻抗的实数部分，及B=G，则两阻抗大小相等，相位分别为-45度和+45度，这样就满足了圆极化的条件，从而构成了圆极化的微带天线。其极化旋向取决于馈电点接入位置，当馈电点在如图1-1的A点时，产生右旋圆极化；当馈电点在图1-1的B 点时，产生左旋圆极化波。 图1-1 单馈点圆极化矩形微带天线结构 二、结构设计 设计微带天线的第一步是选择合适的介质基片，假设介质的介电常数为εr，对于工作频率为f的矩形微带天线，可以用如下的公式估算辐射贴片的宽度： 2 1 2 1 2 - + =) ε ( f c W r(1) 其中，c是光速。 辐射贴片的长度一把取为2 c λ， 其中 c λ是介质内的导波波长，考虑到边缘缩短效应后，实际的辐射贴片长度为： L f c L e ? - =2 2ε (2) 其中， 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：
《微波电路与系统》课程结课 报告 学号、专业：1502303068、电子与通信工程 姓名：叶顺涛 模圆极化器的设计论文题目：一种改善型TE 11 指导教师：曹卫平教授 所属学院：信息与通信学院 成绩评定 教师签名 桂林电子科技大学研究生院 2016年8月20日
一种改善型TE11模圆极化器的设计 摘要：针对于传统的波导圆极化器输出端两正交模幅度不等的缺点，本文提出了 模圆极化器，以实现更好的圆极化性能。运用电磁场理论和数值一种改善型TE 11 模圆极化器进行优化计算，计算结果表明：在工作频率计算方法对30GHz TE 11 29.5～30.5GHz范围内，该圆极化器输出端口两正交模电场幅度几乎相等， 相位差为90o±3.50o，轴比AR<0.48dB，驻波比VSWR<1.12。 关键词：圆极化器；介质插片；梯型过渡器 引言 波导圆极化器是圆极化反射面天线馈源系统的关键组成部分，其作用是将线极 化信号变换为圆极化信号。由于在通信、导航、深空探测、电子对抗等方面,圆 极化天线都有着十分重要的应用,因此,在过去的几十年里,圆极化器一直是 微波天线领域热点研究内容之一。在高功率微波(HPM)应用中,波导圆极化器[1] 因其结构简单,损耗小且功率容量较高等优点而获得广泛研究应用。目前,已有 的圆波导TE 模圆极化器主要有螺钉调节型[2-3]、槽加载型[4]、椭圆过渡型[5]和介11 质插板型等。其中，螺钉调节型和槽加载型圆极化器的结构比较复杂、对加工精 度的要求很高，不利于批量生产；而椭圆过渡型圆极化器因其椭圆加工的不完整 性导致性能受到影响；而在波导内插入金属膜片[6-10]或介质片[11-13]可以通过自相 移90o来实现圆极化，这类圆极化器结构简单、加工方便、可调整性好，应用也 比较广泛,在带宽要求较窄的情况下可以很好地满足性能指标要求。 在实验中，我们发现：输出端口两正交模的电场幅度并非严格相等，可通过稍 微改变夹角α实现等幅输出从而进一步降低轴比。所以，本文提出了一种改善型 阶梯型TE11模圆极化器，仿真结果与理论预测值相符，设计的圆极化器具有结 构简单，反射系数小，低轴比和结构可调整性的优点。 1.圆波导理论基础 圆波导具有加工方便、双极化、低损耗等优点，普遍用于远距离通信、天馈 系统中，常常作为初级馈源、圆极化器和其他元件的标准部件，圆形波导是非常 适合设计圆极化器的元件，本文的介质插片式圆极化器就是采用圆波导形式的。 为了圆波导分析的简便起见，我们采用圆柱坐标系。
第25卷第2期2010年4月 电波科学学报 CHINESE JoURNAL oF RADIo SCIENCE V01.25,No.2 April,2010 文章编号1005—0388(201002一0393—05 双圆极化微带天线的设计 薛欣张福顺冯昕罡冯睿 (西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室.陕西西安710071 摘要研究了小型化双圆极化微带天线的设计方法。重点讨论了实现双圆极化、宽波束宽度微带叠层天线小型化的实现方法,并利用仿真软件进行仿真分析,在此基础上研制了样件,对其电性能进行了测量,测量结果表明:此微带天线具有圆极化、宽波束宽度和小型化的特点。 关键词圆极化;宽波束宽度;小型化;微带天线 中图分类号TN821+.1文献标志码A 1.引言 微带天线的优点是体积小、重量轻、低剖面,其主要缺点是带宽很窄。一般工程中要使微带圆极化天线兼顾双圆极化、宽波束宽度和小型化的特点具有一定难度,在此工程背景上进行了研究,使天线能同时工作在两个离散的频率点,产生不同旋向的圆极化特性[1]。由于圆极化天线带宽很窄,加工时,尺寸稍有误差,便使得圆极化特性变差。采用双馈点馈电,增加天线的对称结构,改善了圆极化特性,最终利用经验公
式和仿真软件,设计了工作在两个不同频率点,不同旋向的圆极化天线,并采用高介电常数的介质板来减小天线尺寸,和展宽波束宽度[2喝]。 2.微带天线的设计 天线的设计要求为天线安装在边长为48mm,四周倒圆角的方形底座上,分别工作在L波段和S 波段,其电压驻波比VSwR≤2,轴比Axial Ratio≤2dB。工作频率L波段时产生左旋圆极化波,工作频率S波段时产生右旋圆极化波。 采用多层重叠的微带天线实现双频双圆极化特性,该优点是便于工程实现和加工。为了减小天线的尺寸和展宽辐射波束宽度,采用介电常数为9.8的陶瓷介质,厚度为2mm,工作频率在S波段的上层,工作频率在L波段的下层。高频天线工作的时候下层的天线充当了地板;当低频天线工作时,高频天线因为尺寸小,减小了对低频天线的影响。同时 收稿日期:2009一05—24 联系人:薛欣E-mail:xuxwindy@https://www.doczj.com/doc/2114514705.html, 改变天线的形状,改善波束宽度范围内的圆极化特性。 如图1所示。圆极化方式采用双馈电点,两个馈电端口所辐射的TM们和TM。。模,在贴片辐射方向形成两个正交分量,相差,c/2,选择适当的激励频率,可以使两个模式同时被激励,从而得到一个圆极化辐射场,选择适当的相差,使得上层辐射右旋圆极化场,下层辐射左旋圆极化场。 (b侧视图 图1天线结构 2.1贴片的设计 设计贴片时,先根据正方形贴片天线的经典公
圆极化微带阵列天线的设计 时间：2011-02-23 18:40:02 来源：电子科技作者：张明民鄢泽洪天线系统作为无线通信系统中的一个关键的部分，其特性的好坏直接影响着整个通信系统的工作性能。无论是在军事国防还是民用通信领域，对于天线单元及阵列的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了更高的要求。在实际应用中，往往要求天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫描或波束控制等特性，采用某种形式的阵列天线则较容易获得这些特性，因此，阵列技术在实际中获得了广泛的应用。 1 微带天线的设计 本文设计的微带阵列天线的主要指标是：工作频率在2．4～2．5 GHz；天线极化方式为圆极化；天线增益>10 dBi；驻波<1．5；方向图E面波瓣宽度和面波瓣宽度>25°；尺寸约为400 mm×400 mm。 1．1 微带天线单元 天线单元采用双馈电点的正方形贴片的微带结构实现圆极化特性。同时，通过介质层(相对介电常数2．65)的厚度，可以实现天线单元工作带宽的展宽。 利用HFSS软件，获得天线单元的最终结构尺寸，其仿真模型，如图1所示。介质层高度为4／mm，辐射贴片边长35．25 mm，可根据正方形经典天线的设计公式L=0．5 λg-2△l得到。 1．2 天线单元馈电网络设计 根据天线双馈电点的特性设计天线的匹配网络。圆极化方式采用双馈电点，两个馈电端口所辐射的TM01模和TM10模，在贴片辐射方向形成来年各个正交分量，相差π／2，选择适当的激励频率，可以使两个模式同时被激励，从而得到一个圆极化辐射场，所以馈电网络采用Wilk-inson功分器，移相器采用普通微带传输线。利用微带传输线移相的特性，使功分器终端得到两个等幅，相位相差π／2的电场。