第一篇：北理工微波實(shí)驗(yàn)報告總結(jié)

實(shí)驗(yàn)一 一般微波測試系統(tǒng)的調(diào)試

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．了解一般微波測試系統(tǒng)的組成及其主要元、器件的作用，初步掌握它們的調(diào)整方法。2． 掌握頻率、波導(dǎo)波長和駐波比的測量方法。3． 掌握晶體校正曲線的繪制方法。

二、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)原理

常用的一般微波測試系統(tǒng)如1-1所示（示意圖）。

測量放大器微波信號源隔離器可變衰減器頻率計精密衰減器測量線終端負(fù)載圖1-1

本實(shí)驗(yàn)是由矩形波導(dǎo)（3厘米波段，TE10模）組成的微波測試系統(tǒng)。其中，微波信號源（固態(tài)源或反射式速調(diào)管振蕩器）產(chǎn)生一個受到（方波）調(diào)制的微波高頻振蕩，其可調(diào)頻率范圍約為7.5~12.4GHz。隔離器的構(gòu)成是：在一小段波導(dǎo)內(nèi)放有一個表面涂有吸收材料的鐵氧體薄片，并外加一個恒定磁場使之磁化，從而對不同方向傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘柈a(chǎn)生了不同的磁導(dǎo)率，導(dǎo)致向正方向（終端負(fù)載方向）傳播的波衰減很小，而反向（向信號源）傳播的波則衰減很大，此即所謂的隔離作用，它使信號源能較穩(wěn)定地工作。頻率計實(shí)際上就是一個可調(diào)的圓柱形諧振腔，其底部有孔（或縫隙）與波導(dǎo)相通。在失諧狀態(tài)下它從波導(dǎo)內(nèi)吸收的能量很小，對系統(tǒng)影響不大；當(dāng)調(diào)到與微波信號源地頻率一致（諧振）時，腔中的場最強(qiáng)，從波導(dǎo)（主傳輸線）內(nèi)吸收的能量也較多，從而使測量放大器的指示數(shù)從某一值突然降到某一最低值，如圖1－2(a)所示。此時即可從頻率計的刻度上讀出信號源的頻率。從圖1-1可知，腔與波導(dǎo)（主傳輸線）只有一個耦合元件（孔），形成主傳輸線的分路，這種連接方式稱為吸收式（或稱反應(yīng)式）連接方法。另一種是，腔與主傳輸線有兩個耦合器件，并把腔串接于主傳輸線中，諧振時腔中的場最強(qiáng)，輸出的能量也較多，因而測量放大器的指示也最大，如

圖1-2(b)所示。這種連接方法稱為通過式連接法。在實(shí)際中無論哪種連接方式，當(dāng)不測頻率時，為了不影響其它實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的觀測，應(yīng)把腔調(diào)到失諧狀態(tài)。可變衰減器也是由一小段波導(dǎo)構(gòu)成的，其中放有一表面涂有損耗性材料，并與波導(dǎo)窄壁平行放置的薄介質(zhì)片。介質(zhì)片越靠近波導(dǎo)中心處，衰減越大，反之，衰減越小。利用可變衰減器可以連續(xù)地改變信號源傳向負(fù)載方向功率的大??；另外，如同隔離器一樣，可變衰減器也具有一定的隔離作用。測量線是一段在其寬壁中心線開有一窄縫隙的矩形波導(dǎo)，與其配套的還有一個裝有微波范圍內(nèi)用的晶體二極管檢波器及同軸線調(diào)諧式探針座。探針從縫隙插入波導(dǎo)后，送入測量（選頻）放大器，通過該放大器表頭的讀數(shù)，即可進(jìn)行各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測量工作。系統(tǒng)的最后部分是終端負(fù)載，它是被測試的某一微波元、器件，也可以是匹配負(fù)載、短路片或短路活塞等。

IIOfr(a)fO圖1-2fr(b)f 需要指出的是，由于微波信號源產(chǎn)生的等幅高頻振蕩很微弱，若對其直接進(jìn)行檢波，則檢波器輸出的直流分量也是很微弱的，用一般儀表難以對其進(jìn)行觀測。因此為了提高測試靈敏度，以便于觀測，通常用一方波（重復(fù)頻率1000Hz）對高頻振蕩進(jìn)行幅度調(diào)制（也有用脈沖或其它波調(diào)制的）。經(jīng)調(diào)制后的高頻振蕩通過檢波后輸出的是其包絡(luò)，對包絡(luò)中的基頻（1000Hz）加以放大后再經(jīng)檢波，取出其直流分量加于測量放大器的指示表頭，讀數(shù)就方便了。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．首先按圖1-1所示將測量系統(tǒng)安裝好，然后接通電源和測量儀器的有關(guān)開關(guān)，觀察微波信號源有無輸出指示。若有指示，當(dāng)改變衰減量或移動測量線探針的位置時，測量放大器的表頭指示會有起伏的變化，這說明系統(tǒng)已在工作了。但這并不一定是最佳工作狀態(tài)。例如，若是反射式速調(diào)管信號源的話還應(yīng)把它調(diào)到輸出功率最大的振蕩模式（如n=2，參見附錄），并結(jié)合調(diào)節(jié)信號源處的短路活塞，以使能量更有效地傳向負(fù)載。若有必要，還可以調(diào)

節(jié)測量線探頭座內(nèi)的短路活塞，以獲得較高地靈敏度，或者調(diào)節(jié)測量線探針伸入波導(dǎo)的程度，以便較好地拾取信號地能量（注意，伸入太多會影響波導(dǎo)內(nèi)的場分布）。對于其它微波信號源也應(yīng)根據(jù)說明書調(diào)到最佳狀態(tài)。有時信號源無輸出，但測量放大器也有一定指示。這可能是熱噪聲或其它雜散場的影響；若信號源有輸出，但測量放大器的指示不穩(wěn)定或者當(dāng)測量線探針移動時，其指示不變，均屬不正常情況，應(yīng)檢查原因，使之正常工作。系統(tǒng)正常工作時，可調(diào)節(jié)測量放大器的有關(guān)旋鈕或可變衰減器的衰減量（衰減量不能為零，否則會燒壞晶體二極管），使測量放大器的指示便于讀數(shù)。

2．測量微波信號源的頻率和波導(dǎo)波長。測量信號源的頻率調(diào)節(jié)旋鈕，可使頻率在7.5~12.4GHz的范圍內(nèi)變化。選取該范圍內(nèi)的某個頻率，用頻率計測出它的頻率，并用測量線測出該頻率的波導(dǎo)波長?g。在測?g時應(yīng)將系統(tǒng)終端短路（例如用金屬短路板或短路活塞），則系統(tǒng)呈純駐波狀態(tài)（理論上），其場強(qiáng)的幅度分布如圖1-3所示。當(dāng)測量線的探針處于z1和z2位置時，測量放大器的指示為最?。ɡ碚撋蠟榱悖?，Ezd4z2d3圖1-3d2z1d1此時從測量線的刻度上即可求出波導(dǎo)波長?g?2z2?z1。在實(shí)際測量中，由于受設(shè)備的精度、靈敏度的限制，以及其它因素的影響，很難精確地確定z1和z2的位置。為提高測試精度，可采用“平均法”測定它們的位置，如圖1-3所示。為了確定z1，使在z1兩側(cè)（盡量地靠近z1）的d1和d2處測量放大器有相同的指示數(shù)，則z1?(d1?d2)/2，同理可得z2?(d3?d4)/2。這比直接去測z1和z2要精確些。

3．繪制晶體矯正曲線

需要指出的是，當(dāng)用測量線測定微波系統(tǒng)（波導(dǎo)）內(nèi)場強(qiáng)幅度的分布規(guī)律時，測量放大器的指示值并不直接表示高頻信號的場強(qiáng)值，而是通過晶體二極管檢波后的電流值。我們已知傳輸系統(tǒng)的駐波s為：

s?Emax/Emin?Umax/Umin

由于晶體二極管為一非線性器件（如圖1-4(a)所示），因此就不能用測量放大器的讀數(shù)直接套用上面的公式求出駐波比s。為了求出s，應(yīng)作出晶體管的輸入電壓U（它與探針拾取的場強(qiáng)幅值成正比）與檢波電流的關(guān)系曲線（如圖1-4(b)所示），稱為晶體校正曲線。

II(a)U圖1-4(b)E此曲線中的電流雖然是從測量放大器中讀出的值，但它對應(yīng)的U值（或E），此時并非加于晶體二極管上的電壓值，而是通過測量于計算求出的與場強(qiáng)幅值成正比例的“等效”的電壓值。有了校正缺陷，當(dāng)探針在場強(qiáng)幅值最大值時，測量放大器有一讀數(shù)Imax，探針在場強(qiáng)幅值最小處時，有一讀數(shù)Imin，從校正曲線中查出Imax和Imin，分別對應(yīng)的U和Uminmax（Emax）（Emin），則駐波比s為：

UmaxEmaxs??

UminEmin為了作出晶體校正曲線，需將系統(tǒng)終端短路，形成純駐波狀態(tài)。如圖1-5所示。

EzB圖1-5A

場強(qiáng)E的幅度E可表示為：

E?Emaxsin?z?Emaxsin2??gz

為了求出場強(qiáng)幅值與檢波電流I之間的關(guān)系（晶體校正曲線），就要利用這個公式計算場強(qiáng)值（也即校正曲線中的U）。在7.5~12.4GHz范圍內(nèi)選定某一頻率，使系統(tǒng)正常工作，并求出該頻率對應(yīng)的波導(dǎo)波長?g。將測量線探針移到場強(qiáng)幅值的節(jié)點(diǎn)。例如圖1-5中所示的A點(diǎn)，作為z?0的參考點(diǎn)，并記下此時測量放大器的讀數(shù)，從公式看該讀數(shù)（理論上為零，實(shí)際上不為零）對應(yīng)的E應(yīng)為零。B是場強(qiáng)幅值的腹點(diǎn)，AB??g4，將此距離等分為若干個小段（例如10個小段），從A點(diǎn)開始，按分小段使探針逐次向B點(diǎn)移動，并記住每一位置所對應(yīng)的測量放大器的讀數(shù)I，已經(jīng)每一位置的坐標(biāo)z的值，則sinB點(diǎn)對應(yīng)于Emax，若Emax已知，則利用公式

2??gz即可求出。

E?Emaxsin2??gz

即可求出每點(diǎn)的E（U）與每點(diǎn)的I一一對應(yīng)的關(guān)系，根據(jù)這組數(shù)據(jù)即可畫出晶體校正曲線。但實(shí)際上，Emax的值我們并不知道具體等于多少，為了解決這一問題，在作晶體校正曲線時，只需要知道各點(diǎn)場強(qiáng)幅值的相對大小就可以了，并不需要求出它們的絕對大小，因此，我們可以把B點(diǎn)對應(yīng)的電流讀數(shù)I作為Emax看待，而其它點(diǎn)的E（相對值）即可求出了。在實(shí)際測量中，為計算方便起見，可利用調(diào)節(jié)信號源的輸出，可變衰減器的衰減量和測量放大器的有關(guān)旋鈕等方法，使B對應(yīng)的I的讀數(shù)為10的某個整數(shù)倍（例如100）。另外需要指出的是，作晶體校正曲線也可以從場強(qiáng)幅值的腹點(diǎn)B開始，逐漸向節(jié)點(diǎn)A移動探針，測出所需要的數(shù)據(jù)，場強(qiáng)幅值的變化為余弦。但B點(diǎn)的確切位置比A點(diǎn)更難確定，所以，從A點(diǎn)開始，比從B點(diǎn)開始要好些。

最后補(bǔ)充一點(diǎn)，當(dāng)晶體二極管的檢波電流很小時，其電壓和電流有近似于平方律的關(guān)系式：I?KUK是與管子型號有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是常數(shù)。此時的駐波比S可近似為 2S?EmaxEmin?UmaxI?maxUminImin

而不需要查晶體校正曲線。

實(shí)驗(yàn)二 阻抗的測量

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1． 掌握最常用的阻抗的測量方法，并能利用公式和阻抗或?qū)Ъ{圓圖計算阻抗。2． 測量喇叭天線的等效（輸入）阻抗。

二、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理

在微波范圍內(nèi)經(jīng)常遇到對微波元（器）件阻抗的測量問題（例如，在研究若干個元、器件相互間的連接和匹配問題時），因此掌握阻抗的測量方法是十分重要的。測量阻抗的方法有多種，其中較常用的是利用測量線來進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)一所用的完全相同。為畫圖簡單起見，我們用方框圖把它表示出來，如圖2－1所示。

測量放大器信號源隔離器可變衰減器頻率計精密衰減器測量線負(fù)載圖2-

1三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．當(dāng)無耗傳輸線終端接有任意復(fù)數(shù)阻抗的負(fù)載Zl時，系統(tǒng)呈行駐波狀態(tài)，電壓或場強(qiáng)幅值的分布規(guī)律如圖2－2所示。

ZcZlEzλg2圖2-2l1

為了求出被測阻抗Zl可采用兩種方法，用公式計算和查圓圖。首先討論一下用公式計算的方法。根據(jù)傳輸線理論，等效（輸入）阻抗Z(z)為

Z?z??Zc據(jù)此，對終端被測負(fù)載Zl而言應(yīng)為：

1??(z)

1??(z)Zl?Zc1??(0)e1??(0)ej??0j??0

式中，Zc為傳輸線的特性阻抗，?(z)為電壓反射系數(shù)，?(0)為終端負(fù)載處的反射系數(shù)，??0為其初相角。在電壓（或場強(qiáng)幅度）最小點(diǎn)處反射系數(shù)?(z)的相角應(yīng)滿足cos(2?z???0)??1

cos(2?z???0)??1

即2?z???0?(2n?1)?,n?0,1,2,3...若取距終端負(fù)載最近的那個電壓（或場強(qiáng)幅值）最小點(diǎn)的距離z?zmin?l1，代入上式，則：

??0?2?l1??

而??2??g，?(0)?s?1 s?1式中，?g為波導(dǎo)波長，s為駐波比。由此可知，只要測出s和l1（在某一頻率下），即可求出負(fù)載Zl，它比計算方法要方便得多，例如用阻抗圓圖（用導(dǎo)納圓圖也可）來求阻抗Zl，如圖2－3所示。如前所述，首先測出在某一頻率下得駐波比s和電壓最小點(diǎn)（距終端被測負(fù)載Zl最近得那點(diǎn)）的距離l1，然后在圖2－3中以O(shè)點(diǎn)為圓心畫出等駐波比圓（s圓），并與實(shí)軸交于P點(diǎn)，該點(diǎn)即電壓最小點(diǎn)處的位置，其阻抗的歸一化值為1/s。由P點(diǎn)開始沿等s圓逆時針旋轉(zhuǎn)l1/?g刻度，過此刻度與圓心O連一直線與s圓相交于M點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的值就是被測負(fù)載Zl的歸一化值，將該值再乘以Zc，即得所求的負(fù)載阻抗Zl。

向信號源SPOrM向負(fù)載xl1λg圖2-3

2．在實(shí)際測負(fù)載阻抗Zl的過程中，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的原因，用測量線無法直測得距負(fù)載最近的那個電壓（或場強(qiáng)幅值）最小點(diǎn)的距離l1，例如，它可能處于測量線探針無法接近的位置。此時，可采用簡接方法求出l，如圖2－4所示。首先，將測量系統(tǒng)得終端用短路板

Zl12Ezz2l1z1圖2-4

短路，形成純駐波狀態(tài)（參見圖2-4中的圖形①），終端即為電壓（或場強(qiáng)幅值）得最小點(diǎn)（理論上為零點(diǎn)），從終端算起向信號源方向，每隔?g/2的距離就出現(xiàn)一個最小點(diǎn)，因此總會由一些最小點(diǎn)落在測量探針可以達(dá)到的范圍之內(nèi)。我們可以任取其中的某個最小點(diǎn)（例如Z1點(diǎn)）看作系統(tǒng)得終端位置（即被測負(fù)載Zl的位置），然后取下短路板，接上被測負(fù)載Zl，此時系統(tǒng)呈純駐波狀態(tài)（參見圖4-2中的圖形②），在Z1的左側(cè)找到距Z1最近的那個電壓（或場強(qiáng)幅值）最小值位置Z2，則所求得l1?Z2?Z1。至此，再利用圓圖即可求出被測負(fù)載Zl。

3． 在7.5~12.4GHz頻率范圍內(nèi)得某個頻率上將系統(tǒng)調(diào)整到正常工作狀態(tài)，測出頻率及其波導(dǎo)波長。在終端負(fù)載處裝上被測的喇叭天線，求出駐波比s和距終端負(fù)載最近的電壓（場強(qiáng)幅值）最小的距離l1，用阻抗（或?qū)Ъ{）圓圖求出喇叭天線的等效（輸入）阻抗，并將其與計算法求出的阻抗加以對照。改變一下信號源的頻率，再重作一次，以觀測喇叭天線等效（輸入）阻抗的變化。

實(shí)驗(yàn)三 阻抗匹配

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

掌握阻抗匹配的方法，利用單螺釘（相當(dāng)于單株線）調(diào)配器使波導(dǎo)系統(tǒng)與喇叭天線相匹配。

二、實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理

1．阻抗匹配在實(shí)際應(yīng)用中是很普遍、很重要的。因?yàn)檫@可以使信號源的功率更有效地供給傳輸線，并使傳輸線的負(fù)載吸收更多的功率，而且還可提高傳輸線的功率容量和增加信號源的穩(wěn)定性等。匹配一般有信號源與傳輸線之間的匹配，以及傳輸線與負(fù)載之間的匹配。本實(shí)驗(yàn)僅研究后者的匹配問題。傳輸線與負(fù)載的匹配可以采用阻抗變換器來達(dá)到。也可以采用在傳輸系統(tǒng)中并聯(lián)電抗性元件的方法達(dá)到。本實(shí)驗(yàn)采用后者，使波導(dǎo)系統(tǒng)與喇叭天線（負(fù)載）相匹配。

2．實(shí)驗(yàn)裝置如圖3－1所示。它與實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的裝置基本上是一樣的，只是在測量

測量放大器信號源隔離器可變衰減器頻率計頻率計精密衰減器測量線負(fù)載圖3-1調(diào)配器線與終端負(fù)載（喇叭天線）之間加入了一段帶有螺釘調(diào)配器的矩形波導(dǎo)，稱為單螺釘（單株線）調(diào)配器，利用它使波導(dǎo)系統(tǒng)與喇叭天線得到匹配。

3．圖3－2是單螺釘調(diào)配器結(jié)構(gòu)的示意圖及其等效電路，終端負(fù)載Zl為一喇叭天線。螺釘從矩形波導(dǎo)寬壁的中心線處的縫隙中插入波導(dǎo)內(nèi)，其插入深度可以調(diào)節(jié)，螺釘可以在縫隙中左右移動。由等效電路可知，螺釘?shù)淖饔孟喈?dāng)于一個并聯(lián)在AA?截面處的短路支線l(單株線)，當(dāng)負(fù)載Zl給定后，首先選取合適的距離d，當(dāng)不考慮支線的影響時，使從AA?向負(fù)載看去的歸一化輸入導(dǎo)納為YiA?1?jb，然后調(diào)節(jié)l的長度（即螺釘深度），使其歸一化的

輸入電納jbl恰好與?jb相抵消（即b與bl大小相等，而符號相反），則在AA?處總的導(dǎo)納YAA??1，從而在該截面處得到匹配。實(shí)驗(yàn)表明，螺釘插入深度較小時，其主要作用是使電場集中，具有電容的性質(zhì)（容性電抗），當(dāng)插入較多時，主要呈現(xiàn)電感性質(zhì)（感性電抗），而插入適中時，近似于一串聯(lián)諧振電路。這三種情況都與波導(dǎo)尺寸、螺釘直徑和工作頻率等有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，螺釘插入深度太多（尤其傳輸大功率時），會引起傳輸系統(tǒng)功率容量下降。因此，螺釘調(diào)配器一般都工作于容性電抗的范圍內(nèi)。

縫隙螺釘AyiAZc測量線調(diào)配器喇叭天線ljblA’Zld圖3-2

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．首先在7.5~12.4GHz范圍內(nèi)某個頻率上將整個實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)整到正常工作狀態(tài)，測出所選定的頻率和它對應(yīng)的波導(dǎo)波長?g，然后將喇叭天線和單螺釘調(diào)配器（在結(jié)構(gòu)上它們可能已連成一個整體）一起接在測量線的終端。把螺釘從縫隙中全部旋出，測出駐波比s，以及喇叭天線的歸一化的等效（輸入）導(dǎo)納yl，設(shè)它位于導(dǎo)納圓圖的P點(diǎn)，如圖3-3所示。從P點(diǎn)開始沿等駐波比圓（s圓）向信號源方向轉(zhuǎn)動，與g?1的圓相交于M1和M2兩點(diǎn)，它們距負(fù)載的距離（相對于?g的值）分別為

d1?g和

d2?g，d1和d2是調(diào)配器螺釘可以選擇的兩個位置。但是，如前所述，為使螺釘工作在容抗范圍內(nèi)，因此應(yīng)選M2點(diǎn)（也即d?d2）作為螺釘?shù)奈恢谩?/p>

2．螺釘位置確定后，慢慢地調(diào)節(jié)其插入深度，每調(diào)節(jié)一次，都要從測量放大器上觀察

一下駐波比s的變化趨勢：應(yīng)使最大讀數(shù)與最小讀數(shù)之差越小越好。當(dāng)調(diào)到所要求的匹配狀態(tài)時（例如，使s?1.05）,最大讀數(shù)和最小讀數(shù)之差應(yīng)降到最?。ɡ纾s5個小格左右）。由于各種因素的影響，螺釘?shù)膶?shí)際位置d會稍微偏離理論計算值，在實(shí)際調(diào)配過程中可略加調(diào)整，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定螺釘?shù)淖詈笪恢?。?yīng)當(dāng)指出，以上所述，是從理論的角度上闡述了單株線（單螺釘）調(diào)配器的計算方法和調(diào)匹配的過程。目的在于加深對其匹配原理的理解。如果僅從達(dá)到匹配目的觀點(diǎn)看，可不必先進(jìn)行計算，而是直接調(diào)節(jié)螺釘?shù)奈恢煤筒迦肷疃龋⒂脺y量放大器進(jìn)行觀測，直至達(dá)到匹配為止。

3．如前所述，喇叭天線與單螺釘調(diào)配器在結(jié)構(gòu)上可能是一個整體。如果這樣，那么，d1λgd2λgS向信號源M1g=1PO向負(fù)載M2圖3-3

在測量線終端處所呈現(xiàn)的負(fù)載，就不單是喇叭天線本身的等效（輸入）阻抗了，而是包含了單螺釘調(diào)配器那段波導(dǎo)的影響在內(nèi)的總的阻抗(參見圖3-2)。為方便起見，我們用總導(dǎo)納（總阻抗的倒數(shù)）來確定螺釘?shù)奈恢胐，為此，應(yīng)首先找到這個總導(dǎo)納歸一化值在導(dǎo)納圓圖上的位置，然后由此位置開始，沿等駐波比圓（s圓）逆時針轉(zhuǎn)到g?1的圓相交于兩點(diǎn)，取其中電抗為負(fù)的點(diǎn)作為安置螺釘?shù)奈恢?，則距離d根據(jù)圓圖的刻度就可求出。若由此而確定的d可能因其太小，而落不到單螺釘調(diào)配器的縫隙內(nèi)，則可增加?g/2的某個倍數(shù)，使d落入縫隙內(nèi)。D定了之后，再調(diào)螺釘?shù)牟迦肷疃戎钡狡ヅ錇橹?。總的?dǎo)納知道了，則喇叭本身的導(dǎo)納也就可求了。順便指出，如同在實(shí)驗(yàn)二中求負(fù)載阻抗那樣，首先將測量線終端短路，取

某一電壓（場強(qiáng)幅值）最小點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）作為終端的參考點(diǎn)，然后取下短路板，接上被測負(fù)載（現(xiàn)為喇叭天線和單螺釘調(diào)配器）出現(xiàn)了新的節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)距離之差即為負(fù)載最近的電壓節(jié)點(diǎn)的距離l1。知道了l1，則被測負(fù)載即可求出。但有時會出現(xiàn)上述節(jié)點(diǎn)處處相重合，即l1?0的情況，這說明被測負(fù)載的阻抗是一純電阻性阻抗，其值為Zl?

ZCs。

第二篇：西電微波技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)報告_格式要求

實(shí)驗(yàn)報告格式要求

一、設(shè)計要求

即實(shí)驗(yàn)標(biāo)題下的內(nèi)容，包括設(shè)計何種電路、有何指標(biāo)要求、測量哪些參數(shù)等。

二、實(shí)驗(yàn)儀器

硬件：PC機(jī)

軟件：Microwave Office軟件

三、設(shè)計步驟

簡要的寫明主要設(shè)計步驟，計算的參數(shù)，創(chuàng)建的電路圖、測量圖。具體的軟件操作步驟不用寫。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

表

1、表2的計算結(jié)果，軟件仿真的所有結(jié)果，尤其是微帶線電路優(yōu)化后的尺寸。

五、結(jié)果分析

對仿真結(jié)果進(jìn)行說明，是否符合設(shè)計要求？優(yōu)化結(jié)果是否理想？哪些不理想？不理想的原因及解決的方法……

六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

兩個軟件的主要功能，對軟件使用的掌握情況。

做了哪些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對相關(guān)理論知識的掌握。

有哪些提高、不足……

對本課程的建議、意見……

（注：報告的前5項(xiàng)僅寫實(shí)驗(yàn)8的相關(guān)內(nèi)容，第6項(xiàng)為整個課程的總結(jié)。報告手寫、打印均可。）

第三篇：微波與天線總結(jié)

對稱陣子天線：

構(gòu)成：有兩根粗線和長度都相同的導(dǎo)線構(gòu)成，中間為倆個饋電端

原理: 若電線上的電流分布已知，則由電基本陣子的輻射場沿整個導(dǎo)線的積分，便得到對稱振子的輻射場。實(shí)際上，西振子天線可看成是開路傳輸線逐漸張開而成，而其電流分布與無耗開路傳輸線的完全一致，即按正弦駐波分布。用途: 對稱振子分為半波對稱振子和全波對稱振子，半波對稱振子廣泛的應(yīng)用于短波和超短波波段，它既可以作為獨(dú)立天線使用，也可以作為天線陣的陣元，在微波波段還可以作為拋物面天線的饋源。

特點(diǎn): 方向性比基本振子的方向性稍強(qiáng)一些，平均特性阻抗Z越低R和X隨頻率的變化越緩慢，其頻率特性越好。所以，欲展開對稱振子的工作頻帶，常利用加粗振子直徑的方法。當(dāng)h=λ/4n時，其輸入阻抗是一個不大的純電阻具有很好的頻率特性，也有利于同饋線匹配，而在并聯(lián)諧振點(diǎn)附近是一個高阻抗且輸入阻抗隨頻率變化劇烈，特性阻抗不好。

陣列天線：

構(gòu)成: 將若干輻射單元按某種方式排列所構(gòu)成的系統(tǒng)。構(gòu)成天線陣地輻射單元，成為天線原或陣元

原理：天線的輻射場是各天線元所產(chǎn)生的矢量疊加，只要各天線元上的電流，振幅和相位分布滿足適當(dāng)?shù)年P(guān)系，就可以得到所需要的輻射特性 特點(diǎn)：天線陣的主瓣寬度和旁瓣電平是即相互依賴又相互對立的一對矛盾，天線陣方向圖的主瓣寬度小，則旁瓣電平就高，反之，主瓣寬度大則旁瓣電平就低。均勻直線陣的主瓣很窄，但旁瓣數(shù)目多，電平高，二項(xiàng)式直線振的主瓣很寬旁瓣就消失了，旁瓣分散了天線的輻射能量，增加量接受的信噪比，但旁瓣又起到了壓縮主瓣寬度的作用。

直立陣子天線：

構(gòu)成: 垂直于地面或?qū)щ娖矫婕茉O(shè)的天線稱為直立陣子天性

原理: 單級天線可等效為一對對稱振子，對稱陣子可等效為一二元陣，但此時等效只是在地面或?qū)w的上半空間成立。理想導(dǎo)電平面上的單級天線的輻射場可直接應(yīng)用到自由空間對稱振子的公式進(jìn)行計算。

用途: 廣泛應(yīng)用于長，中，短波及超短波段。

特點(diǎn): 當(dāng)h《λ時輻射電阻很低。單級天線效率也很低改善方法是提高輻射電阻降低損耗電阻。

水平振子天線：

構(gòu)成: 水平振子天線又稱雙級天線，陣子的兩臂由單根或多股銅線構(gòu)成，為了避免在拉線上產(chǎn)生較大感應(yīng)電流，拉線的長度應(yīng)較小，臂和支架采用高頻絕緣子隔開，天線與周圍物體要保持適當(dāng)距離，饋線采用600Ω的平行雙導(dǎo)線。

原理: 與直立天線的情況類似，無限大導(dǎo)電地面的影響可用水平陣子天線的鏡像來代替，架設(shè)在理想導(dǎo)電地面上的水平振子天線的輻射場可以用該天線及其鏡像所構(gòu)成的二元陣來分析，但應(yīng)注意該二元陣的天線元是同幅反相的。用途: 經(jīng)常用于短波通信電視或其他無線電系統(tǒng)。

特點(diǎn): 架設(shè)和饋電方便，地面電導(dǎo)率的變化對水平振子天線的影響較直立天線小，工業(yè)干擾大多是垂直極化波，因此，用水平振子天線可以減少干擾對接收的影響。

引向天線: 構(gòu)成：又稱為八木天線，它由一個有源振子及若干個無源振子組成，在無源振子中較長的一個為反射器，其余為引向器

用途：廣泛用于米波，分米波的通信、雷達(dá)、電視及其它天線電流 原理：引向天線實(shí)際上也是一個天線陣，與前述天線相比不同的是它是對其中一個振子饋電，其余振子則是靠與饋電振子之間的近場耦合所產(chǎn)生的感應(yīng)電流來激勵的，而感應(yīng)電流大小取決于振子的長度及其間距

特點(diǎn)：使天線的方向性增強(qiáng)，但由于各振子之間的相互影響又使天線的工作頻帶變窄，輸入阻抗降低，不利于與饋線的匹配。

電視發(fā)射天線

特點(diǎn)：頻率范圍寬，覆蓋面積大，有零輻射方向，天線及其電場平行于地面，為了擴(kuò)大服務(wù)范圍，發(fā)射天線必須家架在高大建筑的頂端或?qū)Ｓ玫碾娨曀希@就要求天線必須承受一定的風(fēng)荷，防雷等。還要求天線在水平面內(nèi)無方向性。

移動通信基站天線

特點(diǎn)：有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，垂直極化，根據(jù)組網(wǎng)方式的不同，如果是頂點(diǎn)激勵，采用扇形天線，如果是中心激勵采用全向天線，為了節(jié)省發(fā)射機(jī)功率，天線增益應(yīng)盡可能的高，為了提高天線效率及帶寬，天線與饋線應(yīng)良好匹配

結(jié)構(gòu)：VHF和UHF移動通信基站天線一般是有饋源和角形反射器倆部分組成的，為了獲得較高的增益，饋源一般采用并饋共軸陣列和串饋共軸陣列兩種形式，為了承受一定的風(fēng)荷，反射器可以采用條形結(jié)構(gòu) 用途：米波，分米波

特點(diǎn)：體積小，增益高，垂直極化，水平面內(nèi)無方向性 螺旋天線;結(jié)構(gòu)：講導(dǎo)線繞制成螺旋形線圖而構(gòu)成的天線稱為螺旋天線，通常它帶有金屬接地板，有同軸線饋電，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體與螺旋線相接，外導(dǎo)體與接地板相連

原理;由于法向模螺旋天線的電尺寸較小，其輻射場可以等效為電基本振子與磁基本振子，輻射場的疊加且它的電流，振幅相等，相位相同。

用途：法向模螺旋天線的輻射效率和增益都較低，主要用于超短波手持式通信機(jī)

行波天線：

用途：廣泛應(yīng)用于短波和超短波波段。

特點(diǎn)：具有較好的單向的輻射特性，較高的增益及較寬的帶寬，但效率不高。原理：行波天線是由導(dǎo)線末端接匹配負(fù)載來消除反射波而構(gòu)成的。構(gòu)成：由導(dǎo)線和匹配構(gòu)成。

寬頻帶天線：

特點(diǎn)：阻抗方向圖等電特性在一倍頻程或幾倍頻程內(nèi)無明顯變化。

原理;當(dāng)工作頻率變化時天線的尺寸隨之改變即保持電尺寸不變則能在很寬頻帶范圍內(nèi)保持輻射特性。

結(jié)構(gòu)：形狀僅取決于角度與其他尺寸無關(guān)，具有終效應(yīng)弱現(xiàn)象。用途:等角螺旋天線、對數(shù)周期天線在超短波和短波波段廣泛應(yīng)用

縫隙天線：

結(jié)構(gòu)：在同軸線波導(dǎo)管或空腔諧振器的導(dǎo)體壁上開一條或數(shù)條窄縫是電磁波通過縫隙向外空間輻射而形成一種天線。

原理：對偶原理，理想縫隙天線的方向函數(shù)與同長度的對稱振子的方向函數(shù)E面和H面相互交換。波導(dǎo)的內(nèi)壁上有電流分布，管壁上的縫隙天線切割電流線，縫隙受到激勵而向外產(chǎn)生輻射，形成波導(dǎo)縫隙天線。為加強(qiáng)縫隙天線的方向性，可以在波導(dǎo)上按一定規(guī)律開一系列尺寸相同的縫隙，構(gòu)成波導(dǎo)縫隙陣。

特點(diǎn)：縫隙天線具有輪廓低、重量輕、加工簡單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。厚度很小，結(jié)構(gòu)牢固，饋電方便，但容量不高，頻帶較窄。

用途：縫隙天線自上世紀(jì)中葉以來有了很大的發(fā)展，廣泛用于地面、艦載、機(jī)載、導(dǎo)航等各個領(lǐng)域。由于縫隙陣列天線對天線口徑面內(nèi)的幅度分布容易控制，口徑面利用率高，體積小，易于實(shí)現(xiàn)低或極低副瓣等特點(diǎn)，因而使其獲得廣泛使用。

微帶天線：

結(jié)構(gòu): 由一塊厚度遠(yuǎn)小于波長的戒指（稱為介質(zhì)基片）和覆蓋在它上面的金屬片構(gòu)成的，其中完全覆蓋介質(zhì)板一片成為接地板，而尺寸可以和波長相比擬的另一篇稱為輻射元，輻射元的形狀可以是方形，矩形，圓形和橢圓形。

原理: 由于基片厚度h《λ場沿h方向均勻分布，在最簡單的情況下，場沿寬度ω方向也沒有變化而僅在長度方向上有變化，在兩開路端的電場均可以分解為相對于接地板的垂直分量和水平分量，兩垂直分量的方向相反水平分量方向相同，因而在垂直于地板的方向，兩水平分量電場所產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場同相疊加，兩垂直分量電場所產(chǎn)生的場反相相消，因此兩開路端的水平分量可以等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙即微帶天線可以等效為由兩個縫隙所構(gòu)成的二元陣列。

特點(diǎn): 體積小，重量輕，低剖面。波瓣較寬，方向系數(shù)較低，頻帶窄，損耗大交叉極化大，單個微帶天線的功率容量小等

用途 廣泛用于100MHz~50GHz的頻率范圍。

智能天線：

結(jié)構(gòu): 由天線陣和算法構(gòu)成。是數(shù)字信號處理技術(shù)與天線有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。原理: 它將每個用戶信號分為D路（D為天線單元數(shù)），并分別以W11 W12…….Wmd加權(quán)，得到M*D路信號（M為用戶數(shù)），然后將相應(yīng)的M路信號以不同的加權(quán)系數(shù)組合而成，因此信號的波形是不同的，從而構(gòu)成了M個信道方向圖。

特點(diǎn): 具有較高的接受靈敏度，使空分多址系統(tǒng)成為可能，消除在上下鏈路中的干擾，抑制多徑衰落效應(yīng)。

用途: 提高移動通信的性能。

旋轉(zhuǎn)拋物面天線

結(jié)構(gòu) :由兩部分組成，其一是拋物線繞其焦軸旋轉(zhuǎn)而成的拋物反射面，反射面一般采用導(dǎo)電性能良好的金屬或其他材料上敷以金屬層制成，其二是置于拋物面焦點(diǎn)處的饋源。原理:幾何光學(xué)反射定理,能量守恒定理.特點(diǎn) :1張角ψ一定時,饋源方向函數(shù)Df(ψ)變化越快,方向圖越窄,則口徑場分布越不均勻,口徑利用因數(shù)越低.2 饋源方向函數(shù)Df(ψ)一定時, 張角ψ越大, 則口徑場分布越不均勻,口徑利用因數(shù)越低..3張角ψ一定時,饋源方向函數(shù)Df(ψ)變化越快, 方向圖越窄,則口徑截獲因數(shù)越高.饋源方向函數(shù)Df(ψ)一定時, 張角ψ越大, 則口徑截獲因數(shù)越高.4由于拋物面幾乎不存在熱損耗,即η≈1，所以G≈D.5拋物面天線的方向性很大程度上依賴于饋源.用途 :在通信,雷達(dá)和射電天文等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用.卡塞格倫天線

結(jié)構(gòu);由主反射面,副反射面和饋源三部分組成.主反射面是有焦點(diǎn)在F焦距為f的拋物面繞其焦軸旋轉(zhuǎn)而成,副反射面是由一個焦點(diǎn)在F1另一個焦點(diǎn)在F2的雙曲線饒其焦軸旋轉(zhuǎn)而成,主副面的焦軸重合,饋源通常采用喇叭.位于實(shí)焦點(diǎn)F2上.原理 : 卡塞格倫天線可以用一個口徑尺寸與原拋物面想同,但焦距放大了A倍的旋轉(zhuǎn)拋物面天線來等效,且具有相同的場分布,這樣就可以利用前面介紹的旋轉(zhuǎn)拋物面天線的理論來分析卡塞格倫天線的輻射特性和各種電參數(shù).特點(diǎn) : A.由于天線有兩個反射面，幾何參數(shù)增多，便于按照各種需要靈活地進(jìn)行設(shè)計。B.可以采用短焦距拋物面天線做主反射面，減小了天線的縱向尺寸。C.由于采用了副反射面，饋源可以按裝在拋物面頂點(diǎn)的附近，使饋源和接收機(jī)之間的傳輸線縮短，減小了傳輸線損耗所造成的噪聲。

用途: 主要用于衛(wèi)星地面站,單脈沖雷達(dá)和射電天文等系統(tǒng)中

第四篇：HFSS微波仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報告六合一x

肇慶學(xué)院12 通信 2 2 班

楊桐爍

201224124202

實(shí)驗(yàn)一

T T 形波導(dǎo)的內(nèi)場分析和優(yōu)化設(shè)計

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="p8wdxr2" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握 T 型波導(dǎo)功分器的設(shè)計方法、優(yōu)化設(shè)計方法和工作原理。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 T T 形波導(dǎo)的內(nèi)場分析

實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)所要分析的器件是下圖所示的一個帶有隔片的 T 形波導(dǎo)。其中,波導(dǎo)的端口 1 是信號輸入端口,端口 2 和端口 3 是信號輸出端口。正對著端口 1 一側(cè)的波導(dǎo)壁凹進(jìn)去一塊,相當(dāng)于在此處放置一個金屬隔片。通過調(diào)節(jié)隔片的位置可以調(diào)節(jié)在端口 1 傳輸?shù)蕉丝?2,從端口 1 傳輸?shù)蕉丝?3的信號能量大小,以及反射回端口 1 的信號能量大小。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、新建工程設(shè)置：運(yùn)行 HFSS 并新建工程、選擇求解類型、設(shè)置長度單位 2、創(chuàng)建 T 形波導(dǎo)模型：創(chuàng)建長方形模型、設(shè)置波端口源勵、復(fù)制長方體、合并長方體、創(chuàng)建隔片 3、分析求解設(shè)置：添加求解設(shè)置、添加掃頻設(shè)置、設(shè)計檢查 4、運(yùn)行仿真分析 5、查看仿真分析計算結(jié)果 內(nèi)場分析 結(jié)果

1、圖形化顯示 S 參數(shù)計算結(jié)果

圖形化顯示 S 參數(shù)幅度隨頻率變化的曲線 2、查看表面電場分布 8.00 8.25 8.50 8.75 9.00 9.25 9.50 9.75 10.00Freq [GHz]0.130.250.380.500.630.75Y1TeeModalXY Plot 1ANSOFTCurve Infomag(S(Port1,Port1))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port2))Setup1 : Sweep1mag(S(Port1,Port3))Setup1 : Sweep1

表面場分布圖 3、動態(tài)演示場分布圖

T T 形波導(dǎo)的優(yōu)化設(shè)計

實(shí)驗(yàn)原理

利用參數(shù)掃描分析效用。分析在工作頻率為 10GHz 時,T 形波導(dǎo) 3 個端口的信號能量大小隨著隔片位置變量 Offset 的變化關(guān)系。利用 HFSS 的優(yōu)化設(shè)計效用,找出隔片的準(zhǔn)確位置,使得在 10GHz 工作頻點(diǎn),T 形波導(dǎo)商品 3 的輸出功率是端口 2 輸出功率的兩倍。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、新建一個優(yōu)化設(shè)計工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、創(chuàng)建功率分配隨變量 Offset 變化的關(guān)系圖

輸出變量隨變量 Offset 變化的關(guān)系圖 分析：從上圖所示的圖可以看出,當(dāng)變量 Offset 值逐漸變大時,即隔片位置向端口 2 移動時,端口 2 的輸出功率逐漸減小,端口 3 的輸出功率逐漸變大；當(dāng)隔片位置變量 Offset 超過 0.3 英寸時,端口 1 的反射明顯增大,端口 3 的輸出功率開始減小。因此,在后面的優(yōu)化設(shè)計中,可以設(shè)置變量Offset 優(yōu)化范圍的最大值為 0.3 英寸。同時,在 Offset=0.1 英寸時,端口 3 的輸出功率約為 0.65,端口 2 的輸出功率略大于 0.3,此處端口 3 的輸出功率約為端口 2 輸出功率的兩倍。因此,在優(yōu)化設(shè)計時,可以設(shè)置變量 Offset 的優(yōu)化初始值為 0.1 英寸。另外,變量 Offset 優(yōu)化范圍的最小值可以取 0 英寸。

優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00Offset [in]0.000.200.400.600.801.00powerpower range with offset HFSSDesign1 XY Plot 4Curve Infopower11Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power21Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”power31Setup1 : LastAdaptiveFreq=“10GHz”

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次 HFSS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計的各個環(huán)節(jié)有了一個較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)二

S HFSS 仿真對稱振子天線

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="oq1auv8" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握對稱振子天線的設(shè)計方法、優(yōu)化設(shè)計方法和工作原理。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)步驟

1、新建一個優(yōu)化設(shè)計工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表 1 對稱振子天線三維體模型 名稱 形狀 頂點(diǎn)(x,y,z)(mm)尺寸(mm)材料 arm1 圓柱體(0,0,0.5)radius=$r,height=$l Pec arm2 圓柱體(0,0,-0.5)radius =$r,height=-$l Pec airbox 長方體(-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$r,-$lbd/3-$l)xsize=2*$lbd/3+2*$r ysize=2*$lbd/3+2*$r zsize=2*$lbd/3+2*$l vacuum

表 2 對稱振子天線二維面模型 名稱 所在面 形狀 頂點(diǎn)(mm)尺寸(mm)邊界/源 feed xz 矩形(-$r,0,-0.5)dx=2*$r, dz=1 Lumped port

表 3 變量表 變量名 變量初始值（mm）

變量值（mm）

$lbd

$l 25 25(50, 75, 100)$r 1 1(2, 3, 4)實(shí)驗(yàn)步驟

0 2 4 6 8 10 12 14Evaluation0.000.130.250.370.500.63Cost

1、新建一個優(yōu)化設(shè)計工程 2、參數(shù)掃描分析設(shè)置和仿真分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、定義輸出變量、運(yùn)行參數(shù)掃描分析 3、優(yōu)化設(shè)計：添加優(yōu)化變量、添加目標(biāo)函數(shù)、設(shè)置優(yōu)化變量的取值范圍、運(yùn)行優(yōu)化分析。

實(shí)驗(yàn)步驟 1.打開 HFSS,新建工程,將工程保存為 dipole。設(shè)置求解類型。設(shè)置單位。畫對稱振子的一支臂,形狀為圓柱體,命名為 arm1,材料設(shè)置為理想導(dǎo)體,半徑設(shè)置為變量$r,臂長設(shè)置為變量$l。畫饋電模型,形狀為 zx 面上的矩形,命名為 feed,設(shè)置為 lumped port 激勵方式。畫輻射箱,命名為 airbox,形狀為長方體,材料為真空,邊界條件為 radiation。設(shè)置求解頻率 3GHz,掃頻 1-5GHz。檢查及運(yùn)行計算 9 畫電流分布 10 畫 S 參數(shù)曲線 11 畫阻抗曲線 12 畫方向圖 13 掃描變量$l 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖 airbox 及天線

圖 振子上電流幅度分布

圖 |S 11 |曲線

圖 24 阻抗曲線。

圖 29 二分之一波長對稱振子三維增益圖

圖 二分之一波長對稱振子 E 面方向圖

圖 S 參數(shù)隨$r 變化曲線

圖 36 $r=2mm,S 參數(shù)隨$l 變化曲線

圖 39 掃描變量$l 得到的方向圖

實(shí)驗(yàn)三

HFSS 微帶天線仿真設(shè)計

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="zrl1xtv" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握微帶天線仿真設(shè)計原理和方法。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)原理 微帶天線的輻射機(jī)理實(shí)際上是高頻的電磁泄漏。一個微波電路如果不是被導(dǎo)體完全封閉,電路中的不連續(xù)處就會產(chǎn)生電磁輻射。例如微帶電路的開路端,結(jié)構(gòu)尺寸的突變、折彎等不連續(xù)處也會產(chǎn)生電磁輻射（泄漏）。當(dāng)頻率較低時,這些部分的電尺寸很小,因此電磁泄漏??；但隨著頻率的增高,電尺寸增大,泄漏就大。再經(jīng)過特殊設(shè)計,即放大尺寸做成貼片狀,并使其工作在諧振狀態(tài)。輻射就明顯增強(qiáng),輻射效率就大大提高,而成為有效的天線。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、創(chuàng)建微帶天線模型：設(shè)置默認(rèn)的長度單位、建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置、添加和定義設(shè)計變量、創(chuàng)建介質(zhì)基片、創(chuàng)建輻射貼片、創(chuàng)建參考地、創(chuàng)建同軸饋線的內(nèi)芯、創(chuàng)建信號傳輸端口面 2、設(shè)置邊界條件和激勵：設(shè)置邊界條件、設(shè)置輻射邊界條件、設(shè)置端口激勵 3、求解設(shè)置：求解頻率和網(wǎng)格剖分設(shè)置、掃頻設(shè)置 4、設(shè)計檢查和運(yùn)行仿真分析：設(shè)計檢查、運(yùn)行仿真分析 5、參數(shù)掃描分析：添加參數(shù)掃描分析項(xiàng)、運(yùn)行參數(shù)掃描分析、查看分析結(jié)果 6、查看仿真分析結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、查看天線回波損耗

分析：從圖中可以看出設(shè)計的微帶天線諧振頻率在 2.45GHz 附近,且在 2.45GHz 頻點(diǎn)上的回波損耗值為 20.7dB 左右。

2、分析諧振頻率隨輻射貼片長度 L0 的變化關(guān)系

分析：從圖中可以看出,隨著長度L0值的增加,天線的諧振頻率逐漸降低。當(dāng)L0=27.5mm時,諧振頻率為2.44GHz；當(dāng)L0=28mm時,諧振頻率為2.48GHz；所以 2.45GHz 諧振頻率對應(yīng)的 L0 長度介于 27.5mm~28.mm。

3、分析諧振頻率隨輻射貼片長度 W0 的變化關(guān)系

分析：從上圖所示分析結(jié)果可以看出,輻射貼片寬度 W0 由 30 mm 變化到 40 mm 時,天線的諧振頻率變化很小,即天線的諧振頻率不隨輻射貼片寬度變化而變化。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次 HFSS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計的各個環(huán)節(jié)有了一個較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 1ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : Sweep1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 2ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“26.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“27.5mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28.5mm”1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50Freq [GHz]-40.00-35.00-30.00-25.00-20.00-15.00-10.00-5.000.00dB(S(1,1))HFSSDesign1XY Plot 3ANSOFTCurve InfodB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“30mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“32mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“34mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“36mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“37.26mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“38mm”dB(S(1,1))Setup1 : SweepL0=“28mm” W0=“40mm”

實(shí)驗(yàn)四

半波偶極子天線仿真實(shí)驗(yàn)報告

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="5oakr61" class="content_title3">1、學(xué)會簡單搭建天線仿真環(huán)境的方法,主要是熟悉日 HFSS 軟件的使用方法 2、了解利用 HFSS 仿真軟件設(shè)計和仿真天線的原理、過程和方法 3、通過天線的仿真,了解天線的主要性能參數(shù),如駐波比特性、smith 圓圖特性、方向圖特性等 4、通過對半波偶極子天線的仿真,學(xué)會對其他類型天線仿真的方法 實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺 2、HFSS 15.0 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)原理

首先明白一點(diǎn):半波偶極子天線就是對稱陣子天線。

2, 對稱振子是中間饋電,其兩臂由兩段等長導(dǎo)線構(gòu)成的振子天線。一臂的導(dǎo)線半徑為。, 長度為 I。兩臂之間的間隙很小,理論上可以忽略不計,所以振子的總長度 L=21。對稱振

子的長度與波長相比擬,本身己可以構(gòu)成實(shí)用天線。

3, 在計算天線的輻射場時,經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)天線上的電流可以近似認(rèn)為是按正弦 律分布。取圖 1 的坐標(biāo),并忽略振子損耗,則其電流分布可以表示為:

式中,Im 為天線上波腹點(diǎn)的電流;IC=W}C 為相移常數(shù)、根據(jù)正弦分布的特點(diǎn), 對稱振子的末端為電流的波節(jié)點(diǎn);電流分布關(guān)于振子的中心店對稱;超過半波長 就會出現(xiàn)反相電流。

4, 在分析計算對稱振子的輻射場時,可以把對稱振子看成是由無數(shù)個電流 I(z), 長度為 dz 的電流元件串聯(lián)而成。利用線性媒介中電磁場的疊加原理,對稱振子 的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和。

圖 2 對稱振子輻射場的計算 如圖 2 所示,電流元 I(z)所產(chǎn)生的輻射場為

5、方向函數(shù)

實(shí)驗(yàn)步驟

1、設(shè)計變量(以表格的形式列出來)

設(shè)置求解類型為 Driven Model 類型,并設(shè)置長度單位為毫米。提前定義對稱陣子天線的基本參數(shù)并初始化、創(chuàng)建偶極子天線模型,即圓柱形的天線模型。(模型截圖貼在下面)

其中偶極子天線的另外一個臂是通過坐標(biāo)軸復(fù)制來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置端口激勵(附以截圖)

半波偶極子天線由中心位置饋電,在偶極子天線中心位置創(chuàng)建一個平行于 YZ 面的矩形面作為激勵端口平面。

4、設(shè)置輻射邊界條件(截圖)

要在 HfSS 中計算分析天線的輻射場,則必須設(shè)置輻射邊界條件。這里創(chuàng)建一個沿 Z 軸

放置的圓柱模型,材質(zhì)為空氣。把圓柱體的表面設(shè)置為輻射邊界條件。

外加激勵求解設(shè)置分析的半波偶極子天線的中心頻率在 3G 日 z,同時添加 2.5 G 日:^3.5 G 日:頻段內(nèi)的掃頻設(shè)置,掃頻類型為快速掃頻。

6、設(shè)計檢查和運(yùn)行仿真計算 7、HFSS 天線問題的數(shù)據(jù)后處理(截圖,并做相應(yīng)的說明)具體在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中闡釋。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、回波損耗 S11

回波損耗回波損耗是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射,是一對線自身的反射,是天線設(shè)計需要關(guān)注的參數(shù)之一。

圖中所示是在 2.5 G 日 z ^3.5 G 日 z 頻段內(nèi)的回波損耗,設(shè)計的偶極子天線中心頻率約為 3GHz, S11<-10dBd 的相對帶寬 BW=(3.25-2.775)/3*1000/=15.83% 2、電壓駐波比

駐波比,一般指的就是電壓駐波比,是指駐波的電壓峰值與電壓谷值之比。

由圖可以看到在 3G 赫茲附近時,電壓駐波比等于 1,說明此處接近行波,傳輸特性比較理想。

3,smith 圓圖史密斯圓圖是一種計算阻抗、反射系數(shù)等參量的簡便圖解方法。采用雙線性變換, 將 z 復(fù)平面上。實(shí)部 r=常數(shù)和虛部 x=常數(shù)兩族正交直線變化為正交圓并與:反射系數(shù)|G|=常數(shù)和虛部 X=常數(shù)套印而成。

從 smith 圓圖可以看到,在中心頻率 3G 赫茲時的歸一化阻抗約為 1,說明端口的阻抗特性匹配良好。

4,輸入阻抗傳輸線、電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個等效阻抗。只有確定了輸入阻抗,才能進(jìn)行阻抗匹配。

圖中所示的輸入阻抗分別為實(shí)部和虛部,在中心頻率 3G 赫茲時,輸入阻抗比較的理想,容易實(shí)現(xiàn)匹配。

5、方向圖

方向圖是方向性函數(shù)的圖形表示,他可以形象描繪天線輻射特性隨著空間方向坐標(biāo)的變化關(guān)系。輻射特性有輻射強(qiáng)度、場強(qiáng)、相位和極化。通常討論在遠(yuǎn)場半徑為常數(shù)的大球面上,天線輻射(或接收)的功率或者場強(qiáng)隨位置方向坐標(biāo)的變化規(guī)律,并分別稱為功率方向圖和場方向圖。天線方向圖是在遠(yuǎn)場區(qū)確定的,所以又叫遠(yuǎn)場方向圖。

電場方向圖:

由圖可以看到,電場方向以 Z 軸為對稱軸,在 XOY平面上電場最強(qiáng),且沿四周均勻輻射。但沿著 Z 軸方向電場強(qiáng)度很弱。

磁場方向圖:

磁場方向圖在 XOY平面上接近一個圓,雖然看上去有些誤差。說明磁場在 XOY平面上輻射較為均勻。

三維增益方向圖: 這張圖可以很具體的看出半波偶極子天線沿著 Z 軸對稱輻射的情況。

6、其他參數(shù) 利用 HFSS 軟件仿真還可以得到天線在該輻射表面上得最大輻射強(qiáng)度、方向性系數(shù)、最 大強(qiáng)度及其所在方向等參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計一個天線,無論是作為發(fā)射天線還是接收天線,我們都很關(guān)心其方向參數(shù)、輸入阻抗參 數(shù)、增益參數(shù)、頻帶寬度等參數(shù)。這里也主要就上訴幾個參數(shù)來討論半波偶極子天線的優(yōu)缺 點(diǎn)。

1、半波偶極子天線在軸向無輻射 2、半波偶極子天線的輻射與其電長度密切相關(guān)。當(dāng)電長度小于 0.5 時,波瓣寬度最窄,在 垂直與軸向的平面內(nèi)輻射最強(qiáng),隨著電長度的增加,開始出現(xiàn)副瓣,主瓣寬度變寬,最

大輻射方向發(fā)生偏移。

3、半波偶極子天線的輸入阻抗受頻率影響很劇烈,說明寬頻帶時其較難實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配,所以相對應(yīng)的頻帶寬度也較窄。

4、在諧振頻率附近時,我們從圖中可以看到,天線的輸入阻抗接近傳輸線的特性阻抗,實(shí)現(xiàn)匹配較易,而且在中心頻率附近,電波的傳輸特性也最好,從而可以實(shí)現(xiàn)較大效率的功率傳輸。

5、通過對實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果的分析,不難發(fā)現(xiàn),半波偶極子天線的諸多特性與電長度關(guān)系很大,所以可以通過調(diào)整天線的電長度來實(shí)現(xiàn)不同效用和要求的半波偶極子天線應(yīng)用。

6、最后還要補(bǔ)充一點(diǎn):半波偶極子的輸入阻抗還與天線的粗細(xì)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次日「SS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計的各個環(huán)節(jié)有了一個較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

另外,這次實(shí)驗(yàn)中我感覺較難的部分在與如何通過確定一種具體天線的參量模型來模擬設(shè)計天線模型,來仿真驗(yàn)證天線特性。

實(shí)驗(yàn)五

微帶犬線

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="ew611sx" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握微帶犬線仿真設(shè)計原理和方法。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件

實(shí)驗(yàn)原理

微帶犬線的概念首先是由Deschamps于1953年提出來的,它是在一塊厚度遠(yuǎn)小于工作波長的介質(zhì)基片的一面敷以金屬輻射片,一面全部敷以金屬薄層作接地板而成。輻射片可以根據(jù)不同的要求設(shè)計成各種形狀·。微帶天線由于具有質(zhì)量輕、休積小、易于制造等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于個人無線通信中。1 微帶天線結(jié)構(gòu)

是一個簡單的微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)示意圖,由輻射元、介質(zhì)層和參考地三部分組成。與天線性能相關(guān)的參數(shù)包括輻射元的長度 L,輻射元的寬度W,、介質(zhì)層的厚度 h、介質(zhì)的相對介電常數(shù)拭和損耗正切階次介質(zhì)層的長度 LG 和寬度 WG

如果介質(zhì)基片中的場同時沿寬度和長度方向變化,這時微帶天線應(yīng)該用輻射貼片周用的 4 個縫隙的輻射來等效。2 微帶天線的饋電

微帶天線有多種饋電方式,如微帶線饋電、同軸線饋電、藕合饋電 C Coupled Feed)和縫 G}!饋電(Slot Feed)等,其中最常用的是微帶線饋電和同軸線饋電兩種饋電方式。本章將要設(shè)計的矩形微帶貼片天線采用的是同軸線饋電。

同軸線鎖電又稱為背饋,『已是將同軸插座安裝在接地板上,同軸線內(nèi)導(dǎo)體穿過介質(zhì)基片接在輻射貼 l}.f:.,如圖 10.3 所示,尋取正確的饋電點(diǎn)的位置就可以獲得良好的匹配。

3 矩形微帶天線的特性參數(shù) 1.微帶輻射貼片尺寸估算

設(shè)計微帶大線的第·步是選擇合適的介質(zhì)基片,然后再估算出輻射貼片的尺寸。假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為Er,對一于工作頻率f的矩形微帶大線,’可以用 F 式?jīng)]計出高效率輻射貼片的寬度*,即:

式中,c 是光速。

輻射貼片的長度一般取為兒 12,這里,凡是介質(zhì)內(nèi)的濘波波長,即:

考慮到邊緣縮短效應(yīng)后,實(shí)際_卜的輻射單元長度 L 應(yīng)為:

式中,se 是有效介電常數(shù),魷?zhǔn)堑刃л椛淇p隙長度,可以分別用下式計算: 2.同軸饋點(diǎn)位置的估算

對于同軸線饋電的微帶貼片天線,在確定了貼片長度 L 和寬度 w 之后,還需要確定同軸線饋點(diǎn)的位置,饋點(diǎn)的位置會影響天線的輸入阻抗。在主模 TM 10 工作模式下,在寬度 w 方向上電場強(qiáng)度不變,因此饋電點(diǎn)在寬度、方向的位移對輸入阻抗的影響很小,但在寬度方向卜偏離中心位置時,會激發(fā)TM 10-模式,增加天線的交叉極化輻射,因此寬度方向r.饋電點(diǎn)的位置一般取在中心點(diǎn)(y=07}饋電點(diǎn)在矩形輻射貼片長度L方向邊緣處((x= }L12)的輸入阻抗最高,約為 t Oa 到 400 歐姆之間,而在輻射貼片的幾何中心點(diǎn)(x!0} y=0)處的輸入阻抗則為零,因此在長度 L 方向上,從輻射貼片的幾何中心到兩側(cè)輸入阻抗由零逐漸增大:對于如圖 10.3 所示的同軸線饋電的微帶貼片天線,由下式可以近似 v}一算出輸入阻抗為 50 歐姆時的饋電點(diǎn)的位置:

3.輻射場 如前所述,矩形微帶天線可以視作一段長 L 為 iJ2 的低阻抗微帶傳輸線,它的輻射場被認(rèn)為是由傳輸線兩端開路處的縫隙所形成的。因此,矩形微帶天線可以等效為長 w.寬方、間距為 L 的二元縫隙天線陣。

單個縫隙天線的方向性函數(shù)為:

因此,矩形微帶天線的輻射場只需在單縫隙大線的表達(dá)式中乘以二元陣的陣因子就可以了。這樣,矩形微帶天線的方向性函數(shù)可以表示為:

工程設(shè)計中關(guān)心的多是 F 面（=90)和 H 面（φ=90）方向圖,于是由式(10.1.10)可得 E 面的力向性函數(shù)為:

考慮到 kh<<1 ,則式(4-1-9)可以近似寫為:

H 面的方向性函數(shù)為:

4.方向性系數(shù) 根據(jù)方向性系數(shù)的定義,可以給出微帶大線的方向性系數(shù)為:

本章設(shè)計的矩形微帶人線工作于 ISM 頌段,其中心頻率為 2.45GHz;無線局域網(wǎng)(WLAN),藍(lán)牙、ZigBee 等無線網(wǎng)絡(luò)均 1.作在該頻段上。介質(zhì)摧片采用厚度為 1.6mm 的 FIt4 環(huán)氧樹脂(FR4 Epoxy)板,其相對介質(zhì)常數(shù)ε=4.4,天線使用 50 歐姆同軸線饋電。

下面根據(jù) 10.1 節(jié)給出的推導(dǎo)公式來計算微帶天線的幾何尺寸,包括貼片的長度 L,寬度 W 和同軸線憤點(diǎn)的位置 1.矩形貼片的寬度 W 把 c=3.Ox10^8m/s,f0=2.45CrHz, ε=4.4 代入式(10-1-1)可以計算出微帶天線矩形貼片的寬度,2.有效介電常數(shù)& 把 h=1.6mm, W= 37.26mm, ε=4.4 代入式(10-1-4),可以計算出有效介電常數(shù),即 3.輻射縫隙的長度△L 把 h=1.6mm,W=37.26mm, ε=4.08 代入式(10-1-5),可以計算出微帶天線輻射縫隙的一長度, 4.矩形貼片的長度△L

把 c=3.0x10^8m/s.f0=2.45GHz,=4.}8, △L=1.12mm 代入式〔10-1-3),可以計算出微帶天線 矩形貼片的長度,即

5.同軸線饋點(diǎn)的位置

把ε=4.4 ,W=37.26mm, L=28.C37mm 代入式(10-1-7)和式{10-1-6)計算出 50 歐姆匹配點(diǎn)的近似位置,即 實(shí)驗(yàn)步驟

1.新建工程 2.添加自定義變量 3.設(shè)計建模 4.設(shè)置邊界條件 5.設(shè)置端口激勵 6.求解設(shè)置 7.設(shè)計檢查和運(yùn)行仿真計算 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其截圖: :

1.原實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)建模完成：

（2）.確認(rèn)設(shè)計,通過 Validation Check：

（3）．查看天線的諧振頻率:

(4)參數(shù)掃描分析尋找諧振頻率

(5)調(diào)節(jié)阻抗獲得最佳匹配性能

實(shí)驗(yàn)感想：

通過本次實(shí)驗(yàn)我更熟練的掌握 HFSS 軟件的操作及對天線設(shè)計的要求

實(shí)驗(yàn)六

HFSS 諧振腔仿真分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span id="yvlwlpc" class="content_title3">1、熟悉并掌握 HFSS 的工作界面、操作步驟及工作流程。

2、掌握諧振腔仿真分析。

實(shí)驗(yàn)儀器

1、裝有 windows 系統(tǒng)的 PC 一臺 2、HFSS13.0 或更高版本軟件 3、截圖軟件 實(shí)驗(yàn)原理

一般的微波腔體諧振器是由導(dǎo)體制成的封閉的空腔,電磁波在其中連續(xù)反射,如果模式和頻率合適,就會產(chǎn)生駐波,即發(fā)生諧振現(xiàn)象。由于導(dǎo)體空腔諧振器是封閉系統(tǒng),全部電磁場能量被限制在腔體內(nèi)部,腔體本身無輻射損耗,且諧振腔屬于分布參數(shù)電路,電路的表面積增加使其導(dǎo)體損耗減小,因此諧振腔的品質(zhì)因數(shù)較集總參數(shù)諧振電路高得多。

實(shí)驗(yàn)步驟

1、創(chuàng)建圓形諧振腔模型：設(shè)置默認(rèn)的長度單位、建模相關(guān)選項(xiàng)設(shè)置、創(chuàng)建圓形諧振腔體模型、2、邊界條件和激勵：

3、求解設(shè)置 4、設(shè)計檢查和運(yùn)行仿真分析 5、參數(shù)掃描分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、諧振頻率和品質(zhì)因數(shù) Q

2、腔體內(nèi)部電磁場的分布 繪制模式 1 在腔體橫截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布 繪制模式 1 在腔體垂直截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布 繪制模式 2 在腔體橫截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布

繪制模式 2 在腔體垂直截面上的電場和磁場分布

電場分布

磁場分布

參數(shù)掃描分析

模式 1 和模式 2 的頻率隨變量 Height 的變化曲線 分析：從上圖分析結(jié)果可以看出,隨著介質(zhì)圓柱的逐漸升高,模式 1 和模式 2 的諧振頻率逐漸降低,通過改變介質(zhì)圓柱的高度即可以改變圓形腔體內(nèi)部的諧振頻率。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次 HFSS 天線仿真實(shí)驗(yàn),使我更加真實(shí)、貼切的了解天線的原理和用途。生活中我們可以見到各種奇形怪狀的天線,卻不知其意義何在。在這次實(shí)驗(yàn)過程中,我不停的操作、翻閱資料、上網(wǎng)查閱文獻(xiàn),對天線仿真設(shè)計的各個環(huán)節(jié)有了一個較為清楚的認(rèn)識,對天線的各種參數(shù)也有了具體的理解,這些東西對以后的相關(guān)學(xué)習(xí)和研究打下了基礎(chǔ)。

科教興國

0.00 2.50 5.00 7.50 10.00 12.50 15.00Height [mm]3.00E+0094.00E+0095.00E+0096.00E+0097.00E+0098.00E+0099.00E+0091.00E+0101.10E+0101.20E+010Y1CavityXY Plot 1ANSOFTCurve Infore(Mode(1))Setup1 : LastAdaptivere(Mode(2))Setup1 : LastAdaptive

第五篇：微波簡介

微波

微波是指頻率為0.3GHz~300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在0.1毫米~1米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為秔透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是秔越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。目錄

1詞語概念 ? 基本信息

? 基本解釋

? 引證解釋

2微波波長 3微波性質(zhì) ? 秔透性

? 選擇性加熱

? 熱慣性小

? 似光性和似聲性

? 非電離性

? 信息性

4微波產(chǎn)生

5微波萃取原理 6熱效應(yīng) 7非熱效應(yīng) 8加熱原理 9殺菌機(jī)理 10其它應(yīng)用

1詞語概念編輯 基本信息 詞目：微波 拼音：wēibō

注音：ㄨㄟ ㄅㄛ 反義詞： 巨浪 基本解釋

1、[ripple]∶微小的波紋；

2、[microwave]∶指波長在0.1mm~1m之間無線電波。引證解釋

1.微小的波浪。漢劉向《新序·雜事二》：“引纖繳，揚(yáng)微波，折清風(fēng)而殞?！?唐許渾《泛五云溪》詩：“急瀨鳴車軸，微波漾釣筒?！?宋朱熹《喜晴》詩：“沖颷動高柳，淥水澹微波?！本唷抖o色賦·海娘娘》：“每當(dāng)晴朗的早晨或是靜謐的月夜，海上風(fēng)平浪靜，微波不興?！?2.猶余波。漢司馬相如《封禪文》：“俾萬世得激清流，揚(yáng)微波，蜚英聲，騰茂實(shí)。” 南朝 梁 鍾嶸 《詩品》卷上：“ 永嘉時，貴 黃 老，稍尚虛談。于時篇什，理過其辭，淡乎寡味，爰及 江 表，微波尚傳?！?卷盦 《<蔽廬叢志>序》：“景叢志而仰止，羗寄意於微波?！?3.指女子的眼波。三國 魏曹植《洛神賦》：“無良媒以接懽兮，托微波而通辭?！?清黃遵憲《都踴歌》：“中有人兮通微波，荷荷！貽我釵鸞兮餽我翠螺，荷荷！”高旭《贈沉孝則》詩：“惆悵佳人留片影，愿將心事托微波?！?/p>

4.物理學(xué)名詞。指波長較短的電磁波。如：無線電通信中指波長在1毫米至十米之間的電磁波。[1] 2微波波長編輯

微波的頻率在300MHz-300GHz之間，波長在1米（不含1米）到0.1毫米之間，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻無線電波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波量子的能量為1 99×l0-25～ 1〃99×10-22焦耳。3微波性質(zhì)編輯

微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為秔透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是秔越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。從電子學(xué)和物理學(xué)觀點(diǎn)來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)： 秔透性

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的秔透性。微波透入介質(zhì)時，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450兆赫茲，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬次的震動，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。選擇性加熱

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。熱慣性小

微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。似光性和似聲性

微波波長很短，比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對要小得多，或在同一量級上。使得微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波工作，能使電路元件尺寸減小；使系統(tǒng)更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受來自地面或空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體方位和距離，分析目標(biāo)特征。

由于微波波長與物體（實(shí)驗(yàn)室中無線設(shè)備）的尺寸有相同的量級，使得微波的特點(diǎn)又與聲波相似，即所謂的似聲性。例如微波波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒；喇叭天線和縫隙天線類似與聲學(xué)喇叭，蕭與笛；微波諧振腔類似于聲學(xué)共鳴腔 非電離性

微波的量子能量還不夠大，不足與改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的鍵（部分物質(zhì)除外：如微波可對廢棄橡膠進(jìn)行再生，就是通過微波改變廢棄橡膠的分子鍵）。再有物理學(xué)之道，分子原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性，還可以制作許多微波器件 信息性

由于微波頻率很高，所以在不大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的信息容量大，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外都是工作在微波波段。另外，微波信號還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目標(biāo)檢測，遙感目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中十分重要 4微波產(chǎn)生編輯

微波能通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得?？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。5微波萃取原理編輯

模擬的有限孫宙微波背景輻射圖象

利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中；微波萃取具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時間、節(jié)省試劑、污染小等特點(diǎn)。除主要用于環(huán)境樣品預(yù)處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。在國內(nèi)，微波萃取技術(shù)用于中草藥提取這方面的研究報道還比較少。

微波萃取的機(jī)理可從以下3個方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波秔透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率。例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時水分子或者汽化以加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運(yùn)動，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴(kuò)散至固液界面的時間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動而引起分子運(yùn)動的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動運(yùn)動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以24〃5億次/s的速度作極性變換運(yùn)動，從而產(chǎn)生鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中?！紙D片說明：模擬的有限孫宙微波背景輻射圖象，匹配的圓圈上具有相同的冷熱分布。〗 6熱效應(yīng)編輯

微波對生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對生物體產(chǎn)生的生理影響。熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動也會將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會吸收微波能量后使熱運(yùn)動能量增加。如果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過血循環(huán)將吸收的微波能量(熱量)散發(fā)至全身或體外。如果微波功率很強(qiáng)，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升高。局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)，如使局部血管擴(kuò)張，并通過熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速，組織代謝增強(qiáng)，白細(xì)胞吞噬作用增強(qiáng)，促進(jìn)病理產(chǎn)物的吸收和消散等。7非熱效應(yīng)編輯

微波的非熱效應(yīng)是指除熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)，如電效應(yīng)、磁效應(yīng)及化學(xué)效應(yīng)等。在微波電磁場的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會產(chǎn)生變形和振動，使細(xì)胞膜功能受到影響，使細(xì)胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生變化，引起生物作用的改變，進(jìn)而可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。微波干擾生物電(如心電、腦電、肌電、神經(jīng)傳導(dǎo)電位、細(xì)胞活動膜電位等)的節(jié)律，會導(dǎo)致心臟活動、腦神經(jīng)活動及內(nèi)分泌活動等一系列障礙。對微波的非熱效應(yīng)，人們還了解的不很多。當(dāng)生物體受強(qiáng)功率微波照射時，熱效應(yīng)是主要的(一般認(rèn)為，功率密度在在10mW/cm2者多產(chǎn)生微熱效應(yīng)。且頻率越高產(chǎn)生熱效應(yīng)的閾強(qiáng)度越低)；長期的低功率密度(1 m W/cm2 以下)微波輻射主要引起非熱效應(yīng)〃 8加熱原理編輯

微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電波，被加熱介質(zhì)物料中的水分子是極性分子。它在快速變化的高頻電磁場（微波）作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化。造成水分子的自旋運(yùn)動的效應(yīng)，此時微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化等一系列物化過程而達(dá)到微波加熱干燥的目的。[2] 9殺菌機(jī)理編輯

微波殺菌是利用了電磁場的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)的共同作用的結(jié)果。微波對細(xì)菌的熱效應(yīng)是使蛋白質(zhì)變化，使細(xì)菌失去營養(yǎng)，繁殖和生存的條件而死亡。微波對細(xì)菌的生物效應(yīng)是微波電場改變細(xì)胞膜斷面的電位分布，影響細(xì)胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細(xì)胞膜的通透性能，細(xì)菌因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使細(xì)菌正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核糖核酸[RNA]和脫氧核糖核酸[DNA]，是由若干氫鍵松弛，斷裂和重組，從而誘發(fā)遺傳基因秕變，或染色體畸變甚至斷裂。10其它應(yīng)用編輯

微波波長約在1m~0.1mm（相應(yīng)頻率約為300MHz到300GHz）之間的電磁波。這段電磁頻譜包括分米波、厘米

24GHZ雷達(dá)傳感器

波和毫米波等波段。在雷達(dá)和常規(guī)微波技術(shù)中，常用拉丁字母代號表示更細(xì)的波段劃分。

以上關(guān)于微波的波長或頻率范圍，是一種傳統(tǒng)上的約定。從現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展來看,一般認(rèn)為短于1毫米的電磁波（即亞毫米波）屬于微波范圍，而且是現(xiàn)代微波研究的一個重要領(lǐng)域。

從電子學(xué)和物理學(xué)的觀點(diǎn)看，微波這段電磁譜具有一些不同于其他波段的特點(diǎn)。微波在電子學(xué)方面的特點(diǎn)表現(xiàn)在它的波長比地球上很多物體和實(shí)驗(yàn)室中常用器件的尺寸相對要小很多，或在同一量級。這和人們早已熟悉的普通無線電波不同，因?yàn)槠胀o線電波的波長遠(yuǎn)大于地球上一般物體的尺寸。當(dāng)波長遠(yuǎn)小于物體（如飛機(jī)、船只、火箭、建筑物等）的尺寸時，微波的特點(diǎn)和幾何光學(xué)的相似。利用這個特點(diǎn)，在微波波段能制成高方向性的系統(tǒng)（如拋物面反射器）。當(dāng)波長和物體（如實(shí)驗(yàn)室中的無線電設(shè)備）的尺寸有相同量級時，微波的特點(diǎn)又與聲波相近,例如微波波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒;喇叭天線和縫隙天線類似于喇叭、簫和笛；諧振腔類似于共鳴箱等。波長和物體尺寸在同一量級的特點(diǎn)，提供了一系列典型的電磁場邊值問題。

在物理學(xué)方面，分子、原子與核系統(tǒng)所表現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波的范圍，因而微波為探索物質(zhì)的基本特性提供了有效的研究手段。

由于這些特點(diǎn)，微波的產(chǎn)生、放大、發(fā)射、接收、傳輸、控制和測量等一系列技術(shù)都不同于其他波段（見微波電子管、微波測量等）。

微波成為一門技術(shù)科學(xué)，開始于20世紀(jì)30年代。微波技術(shù)的形成以波導(dǎo)管的實(shí)際應(yīng)用為其標(biāo)志。若干形式的微波電子管(速調(diào)管、磁控管、行波管等)的發(fā)明，是另一標(biāo)志。

在第二次世界大戰(zhàn)中，微波技術(shù)得到飛躍發(fā)展。因戰(zhàn)爭需要，微波研究的焦點(diǎn)集中在雷達(dá)方面，由此而帶動了微

微波傳感器

波元件和器件、高功率微波管、微波電路和微波測量等技術(shù)的研究和發(fā)展。至今，微波技術(shù)已成為一門無論在理論和技術(shù)上都相當(dāng)成熟的學(xué)科，又是不斷向縱深發(fā)展的學(xué)科。

微波振蕩源的固體化以及微波系統(tǒng)的集成化是現(xiàn)代微波技術(shù)發(fā)展的兩個重要方向。固態(tài)微波器件在功率和頻率方面的進(jìn)展，使得很多微波系統(tǒng)中常規(guī)的微波電子管已為或?qū)楣腆w源所取代。固態(tài)微波源的發(fā)展也促進(jìn)了微波集成電路的研究。

頻率不斷向更高范圍推進(jìn)，仍然是微波研究和發(fā)展的一個主要趨勢。60年代激光的研究和發(fā)展，已越過亞毫米波和紅外之間的間隙而深入到可見光的電磁頻譜。利用常規(guī)微波技術(shù)和量子電子學(xué)方法，已能產(chǎn)生從微波到光的整個電磁頻譜的輻射功率。但在毫米波－紅外間隙中的某些頻率和頻段上，還不能獲得足夠用于實(shí)際系統(tǒng)的相干輻射功率。

微波的發(fā)展還表現(xiàn)在應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。微波的最重要應(yīng)用是雷達(dá)和通信。雷達(dá)不僅用于國防，同時也用于導(dǎo)航、氣象測量、大地測量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通信應(yīng)用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通信和常規(guī)的中繼通信。射電望遠(yuǎn)鏡、微波加速器等對于物理學(xué)、天文學(xué)等的研究具有重要意義。毫米波微波技術(shù)對控制熱核反應(yīng)的等離子體測量提供了有效的方法。微波遙感已成為研究天體、氣象和大地測量、資源勘探等的重要手段。微波在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等方面的研究，以及微波在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面的研究和發(fā)展已越來越受到重視（見微波應(yīng)用、微波能應(yīng)用、微波醫(yī)學(xué)應(yīng)用等）。

微波與其他學(xué)科互相滲透而形成若干重要的邊緣學(xué)科，其中如微波天文學(xué)、微波氣象學(xué)、微波波譜學(xué)、量子電動力學(xué)、微波半導(dǎo)體電子學(xué)、微波超導(dǎo)電子學(xué)等，已經(jīng)比較成熟。微波聲學(xué)的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為一個活躍的領(lǐng)域。微波光學(xué)的發(fā)展，特別是70年代以來光纖技術(shù)的發(fā)展，具有技術(shù)變革的意義(見微波和射頻波譜學(xué))。

常用的無線傳輸介質(zhì)是微波、激光和紅外線，通信介質(zhì)也稱為傳輸介質(zhì)，用于連接計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，傳輸介質(zhì)一般可分為有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)！

從理論上說，微波可以充當(dāng)一種武器，打擊任何電子系統(tǒng)，讓汽車、飛機(jī)和核電站陷入癱瘓。此外，微波武器還能在不導(dǎo)致傷亡情況下讓人產(chǎn)生灼痛感，可用于驅(qū)散人群。[3] 控導(dǎo)波管上安裝的發(fā)射器。電磁鐵施加器（空腔）內(nèi)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是來自于能量耦合。反射的電磁能量是依賴于的空腔的尺寸和介電加熱的加熱產(chǎn)品。通過使用調(diào)諧器的反射的電磁能量的量可以被最小化，以提高效率的最佳。