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  • 半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线,也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。偶极子天线是研究天线的基础,最常用的就是半波偶极子天线,其具有很多特性,比如辐射特性阻抗特性,波长缩短效应,谐振...
  • 半波偶极子天线毕业论文.doc
  • 设计中心频率为3GHz的半波偶极子天线。天线馈线采用集总端口激励方式,辐射边界与天线的距离为波长/4.
  • 半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线,也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成,每根导线的长度为1/4个工作波长。导线的直径远小于工作波长,在...

    概述

    半波偶极子天线是一种结构简单的基本线天线,也是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线之一。半波偶极子天线由两根直径和长度都相等的直导线组成,每根导线的长度为1/4个工作波长。导线的直径远小于工作波长,在中间的两个端点上由等幅反相的电压激励,中间端点之间的距离远小于工作波长,可以忽略不计。

    1、电流分布

    对于从中心馈电的偶极子天线,其两端为开路,故电流为零。工程上通常将其电流分布近似为正弦分布。假设将偶极子天线沿z轴方向放置,其中心位于坐标原点,如图所示
    半波偶极子天线

    长度为 l l l的偶极子天线的电流分布可以表示为 I ( z ) = I 0 sin ⁡ k ( l − ∣ z ∣ ) − l ⩽ z ⩽ l I(z)=I_{0} \sin k(l-|z|) \quad-l \leqslant z \leqslant l I(z)=I0sink(lz)lzl式中, I 0 I_{0} I0是波腹电流; k k k是波数,且 k = 2 π / λ k=2π/λ k=2π/λ; l l l是偶极子天线的长度。对于半波偶极子天线而言,其长度 l = λ / 4 l=λ/4 l=λ/4。把上述参数代入到上式中,则半波偶极子天线的电流分布可以改写为: I ( z ) = I 0 sin ⁡ ( π 2 − k z ) = I 0 cos ⁡ ( k z ) I(z)=I_{0} \sin \left(\frac{\pi}{2}-k z\right)=I_{0} \cos (k z) I(z)=I0sin(2πkz)=I0cos(kz)

    2、辐射场和方向图

    已知半波偶极子天线上的电流分布,可利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。半波偶极子天线可以看成是由长度为dz的电基本振子天线连接而成的,dz 这一小段天线上的电流等幅同相,但沿着Z轴的电流幅度是按 I ( z ) = I 0 cos ⁡ ( k z ) I(z)=I_{0} \cos (k z) I(z)=I0cos(kz)分布的。电基本振子的远区辐射场为 E θ = j I d l 2 λ r μ 0 ε 0 sin ⁡ θ e − j k r E_{\theta}=\mathrm{j} \frac{I d l}{2 \lambda r} \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\varepsilon_{0}}} \sin \theta \mathrm{e}^{-\mathrm{j} k r} Eθ=j2λrIdlε0μ0 sinθejkr对此进行积分得半波偶极子天线的辐射场为 E θ = j d l 2 λ r μ 0 ε 0 sin ⁡ θ e − j k r [ ∫ − λ / 4 λ / 4 I 0 cos ⁡ ( k z ) d z ] E_{\theta}=\mathrm{j} \frac{d l}{2 \lambda r} \sqrt{\frac{\mu_{0}}{\varepsilon_{0}}} \sin \theta \mathrm{e}^{-\mathrm{jkr}}\left[\int_{-\lambda / 4}^{\lambda / 4} I_{0} \cos (k z) \mathrm{d} z\right] Eθ=j2λrdlε0μ0 sinθejkr[λ/4λ/4I0cos(kz)dz]整理可得 E θ = j 60 I 0 r cos ⁡ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ θ e − j k r = j 60 I 0 r f ( θ , φ ) E_{\theta}=\mathrm{j} \frac{60 I_{0}}{r} \frac{\cos \left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin \theta} \mathrm{e}^{-\mathrm{j} k r}=\mathrm{j} \frac{60 I_{0}}{r} f(\theta, \varphi) Eθ=jr60I0sinθcos(2πcosθ)ejkr=jr60I0f(θ,φ)其中 f ( θ , φ ) = f ( θ ) = cos ⁡ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ θ f(\theta, \varphi)=f(\theta)=\frac{\cos \left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin \theta} f(θ,φ)=f(θ)=sinθcos(2πcosθ)称为半波偶极子天线的方向性函数。
    在电基本振子得辐射场中,电场分量 E θ E_{\theta} Eθ和磁场分量 H φ H_{\varphi} Hφ的比值为常数,将其称为波阻抗。对于自由空间而言,媒质的波阻抗为 η 0 = E θ H φ = μ 0 ε 0 = 120 π Ω \eta_{0}=\frac{E_{\theta}}{H_{\varphi}}=\sqrt{\frac{\mu_{0}}{\varepsilon_{0}}}=120 \pi \Omega η0=HφEθ=ε0μ0 =120πΩ故可求得半波偶极子天线的磁场为 H = 1 η 0 e ^ r × E = j I 0 2 π r cos ⁡ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ θ e − j k r e ^ φ \boldsymbol{H}=\frac{1}{\eta_{0}} \widehat{\boldsymbol{e}}_{r} \times \boldsymbol{E}=\mathrm{j} \frac{I_{0}}{2 \pi r} \frac{\cos \left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin \theta} \mathrm{e}^{-\mathrm{j} k r} \widehat{\boldsymbol{e}}_{\varphi} H=η01e r×E=j2πrI0sinθcos(2πcosθ)ejkre φ
    根据方向性函数可绘出半波偶极子天线的归一化场强方向图,在 H H H平面( θ = 90 ° \theta=90° θ=90°)极坐标方向图是一个圆。在 E E E平面( φ \varphi φ为常数)中,辐射场强会随着角度 θ \theta θ的变化而变化, θ = ± 9 0 ∘ \theta=\pm 90^{\circ} θ=±90方向上场强最大, θ = 0 ∘ \theta=0^{\circ} θ=0 θ = 18 0 ∘ \theta=180^{\circ} θ=180方向上场强为零。

    3、方向性系数

    天线的方向性系数 D D D是指在远区场的某一球面上天线的辐射强度与平均辐射强度之比 D ( θ , φ ) = U ( θ , φ ) U 0 D(\theta, \varphi)=\frac{U(\theta, \varphi)}{U_{0}} D(θ,φ)=U0U(θ,φ)式中,平均辐射强度 U U U。实际上是辐射功率除以球面积,即: U 0 = 1 4 π ∫ 0 2 π ∫ 0 π U ( θ , φ ) sin ⁡ θ d θ d φ U_{0}=\frac{1}{4 \pi} \int_{0}^{2 \pi} \int_{0}^{\pi} U(\theta, \varphi) \sin \theta \mathrm{d} \theta \mathrm{d} \varphi U0=4π102π0πU(θ,φ)sinθdθdφ通常所说的方向性系数指的都是在最大辐射方向上的方向性系数,即: D = U max ⁡ U 0 D=\frac{U_{\max }}{U_{0}} D=U0Umax代入方向性函数可计算出半波偶极子天线的功率方向性系数为 D = 1 1 4 π ∫ 0 2 π ∫ 0 π cos ⁡ 2 θ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ 2 θ sin ⁡ θ d θ d φ = 1.64 D=\frac{1}{\frac{1}{4 \pi} \int_{0}^{2 \pi} \int_{0}^{\pi} \frac{\cos ^{2} \theta\left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin ^{2} \theta} \sin \theta \mathrm{d} \theta \mathrm{d} \varphi}=1.64 D=4π102π0πsin2θcos2θ(2πcosθ)sinθdθdφ1=1.64 D d B = 10 lg ⁡ ( 1.64 ) = 2.15   d B D_{\mathrm{dB}}=10 \lg (1.64)=2.15 \mathrm{~dB} DdB=10lg(1.64)=2.15 dB

    4、辐射电阻

    天线的平均功率密度可以用平均坡印廷矢量来表示,即: S a v = 1 2 ( E × H ∗ ) \boldsymbol{S}_{a v}=\frac{1}{2}\left(\boldsymbol{E} \times \boldsymbol{H}^{*}\right) Sav=21(E×H)把半波偶极子天线的辐射电场和辐射磁场代入式,可得 S a v = 15 I 0 2 π r 2 cos ⁡ 2 ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ 2 θ \boldsymbol{S}_{a v}=\frac{15 I_{0}^{2}}{\pi r^{2}} \frac{\cos ^{2}\left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin ^{2} \theta} Sav=πr215I02sin2θcos2(2πcosθ)半波偶极子天线的辐射功率则为: S r = ∫ s S a v   d S = ∫ 0 2 π ∫ 0 π 15 I 0 2 π r 2 cos ⁡ 2 θ ( π 2 cos ⁡ θ ) sin ⁡ 2 θ r 2 sin ⁡ θ d θ d φ = 36.6 I 0 2 S_{r}=\int_{s} \boldsymbol{S}_{a v} \mathrm{~d} S=\int_{0}^{2 \pi} \int_{0}^{\pi} \frac{15 I_{0}^{2}}{\pi r^{2}} \frac{\cos ^{2} \theta\left(\frac{\pi}{2} \cos \theta\right)}{\sin ^{2} \theta} r^{2} \sin \theta \mathrm{d} \theta \mathrm{d} \varphi=36.6 I_{0}^{2} Sr=sSav dS=02π0ππr215I02sin2θcos2θ(2πcosθ)r2sinθdθdφ=36.6I02这里使用R,来表示辐射电阻,有: P r = 36.6 I 0 2 = 1 2 I 0 2 R r P_{r}=36.6 I_{0}^{2}=\frac{1}{2} I_{0}^{2} R_{r} Pr=36.6I02=21I02Rr 可以计算出半波偶极子天线的辐射电阻为: R r = 73.2 Ω R_{r}=73.2 \Omega Rr=73.2Ω

    5、输入阻抗

    根据基本的传输线理论,输入阻抗一般同时包含实部和虚部两部分,即为: Z i n = R i n + j X i n Z_{\mathrm{in}}=R_{\mathrm{in}}+\mathrm{j} X_{\mathrm{in}} Zin=Rin+jXin其中,实部电阻 R in R_{\text{in}} Rin包含辐射电阻 R r R_{\text{r}} Rr,和导体损耗所产生的导体电阻 R σ R_{\sigma} Rσ。对于良导体而言,导体电阻可以忽略,此时实部电阻仅包含辐射电阻,即为: R in  ≈ R r R_{\text {in }} \approx R_{r} Rin Rr由理论分析可知,偶极子天线在天线长度 2 l 2l 2l约为 λ / 2 λ/2 λ/2时,虚部电抗 X i n = 0 X_{\mathrm{in}}=0 Xin=0。若采用更精确的场论分析,当 2 l = 0.48 λ 2l=0.48λ 2l=0.48λ时, X i n = 0 X_{\mathrm{in}}=0 Xin=0。综合以上的分析,对于半波偶极子天线而言,输入阻抗可以近似为: Z i n ≈ R r = 73.2 Ω Z_{\mathrm{in}} \approx R_{r}=73.2 \Omega ZinRr=73.2Ω可见,半波偶极子天线的输入阻抗是纯电阻,易于和馈线匹配,这也是它被较多采用的原因之一。

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  • 一、理论计算 原理及理论计算部分可以看我上一篇文章理论 - 半波偶极子天线原理与计算 二、模型创建 1、模型概图如下 2、变量参数 变量意义 变量名 变量值(单位: mm) 工作波长 wavelength 100 天线总长度 length ...

    一、理论计算

    原理及理论计算部分可以看我上一篇文章理论 - 半波偶极子天线原理与计算

    二、模型创建

    1、模型概图如下半波偶极子天线
    2、变量参数
    变量意义变量名变量值(单位: mm)
    工作波长wavelength100
    天线总长度length0.48 x wavelength
    端口距离gap0.24
    单个极子长度dip_ lengthlength/2 - gap/2
    天线半径dip_ radiuswavelength/200
    辐射边界圆柱体半径rad_ radiusdip_ radius +wavelength/4
    辐射边界圆柱体高度/2rad_ heightdip_ length + gap/2 + lambda/10
    3、端口激励

    半波偶极子天线由中心位置馈电。在偶极子天线中心位置创建一个平行于yz面的矩形面作为激励端口平面,并设置端口平面的激励方式为集总端口激励。该矩形面需要把偶极子天线的两个臂连接起来,因此其顶点坐标为(0,-dip_ radius,- gap/2),长度和宽度分别为2 x dip_ radius 和gap。端口
    首先在操作历史树中的Sheets节点下选中该矩形面,然后在其上单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择[ Assign Excitation] →[ Lumped Port] 命令,打开如下图所示的集总端口设置对话框。由前面的理论分析可知,半波偶极子天线的输入阻抗约为73. 20。为了达到良好的阻抗匹配,在General对话框中将Resistance 选项设置为73. 2ohm,将Reactance 选项设置为0ohm。激励端口设置
    积分线设置

    三、仿真结果

    1、回波损耗S(1,1)

    回波损耗
    从分析结果可以看出,设计的偶极子天线中心频率约为3GHz, S 11 < − 10 d B S_{11}< - 10dB S11<10dB 的相对带宽 B W = ( 3.245 − 2.785 ) / 3 = 15.3 % \mathrm{BW}=(3.245-2.785) / 3=15.3 \% BW=(3.2452.785)/3=15.3%

    2、电压驻波比VSWR

    VSWR

    3、史密斯圆图

    Smith Chart
    从Smith圆图结果中可以看出,在中心频率为3CHz时的归一化阻抗约为1,说明天线的端口阻抗匹配良好。

    4、输入阻抗

    输入阻抗
    从结果报告中可以看出,设计的半波偶极子天线在中心频率3GHz.上,输入阻抗约为 ( 73.4 − j 0.4 ) Ω (73.4-\mathrm{j} 0.4) \Omega (73.4j0.4)Ω,和上一文章的理论分析结果十分接近。

    5、方向图

    天线方向图是方向性函数的图形表示,它可以形象地描绘天线辐射特性随着空间方向坐标变化的关系,是衡量天线性能的重要图形。在天线方向图中可以观察到天线的多项性能参数。在HFSS后处理部分可以方便地绘制出天线的平面方向图和三维立体方面图。天线方向图是在远场区确定的,要查看天线的远区场的计算结果,首先需要定义辐射表面。下面我们就来讲解查看半波偶极子天线在xz平面和xy平面的增益方向图,以及查看半波偶极子天线三维立体增益方向图的具体操作。
    E面增益方向图
    H面增益方向图
    3D增益方向图

    四、踩坑总结

    在出H面增益方向图是第一次结果如下H
    可以看到结果不正常,在查找原因后发现是刻度设置不对,双击方向图外圈的刻度进入设置界面,错误刻度如下请添加图片描述
    修改后:请添加图片描述
    修改后结果恢复正常。

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  • 有关半波偶极子天线的介绍及他的HFSS分析与仿真
  • 本文对半波偶极子天线的回波损耗s11、阻抗及方向性进行简单的研究,进而在半波偶极子天线的基础上,设计出弯折个数n为3的弯折偶极子天线,并且要求设计的弯折偶极子天线的阻抗与标签芯片Andy100阻抗10-53j达到了共轭...
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  • 例如,正确制作的半波偶极子天线的阻抗是75欧姆纯电阻性,如果将其长度减半,其阻抗则变为15-400j欧姆,即15欧姆电阻、400欧姆电容性感抗。天线阻抗的电阻性部分是对发射有效的部分,而感抗部分只造成反射波,将能量...
  • 偶极子天线

    2021-04-09 15:22:02
    偶极子天线:与短偶极子天线相似,但在L的尺寸上没有小的限制。 类似,长度为L的且在Z轴上,在Z=0处馈入的偶极子天线有电流分布如下: 当L<λ/2时,电流幅度无法达到最大值I0。 偶极子天线的输入阻抗: 下图...

    偶极子天线:与短偶极子天线相似,但在L的尺寸上没有小的限制。

    类似,长度为L的且在Z轴上,在Z=0处馈入的偶极子天线有电流分布如下:current along halfwave dipole versus length

    当L<λ/2时,电流幅度无法达到最大值I0。

    偶极子天线的输入阻抗:

    下图为输入阻抗随L变化的关系曲线:

    有以下结论:

    (1)当L很小时(短偶极子天线),实部电阻趋近于0,虚部电抗的绝对值非常大,偶极子天线呈容性。

    (2)随着L增大,实部和虚部值都会增大。

    (3)在L为0.5λ附近,虚部电抗接近于0,此时天线处于谐振状态。

      (4)   当L接近1λ时,阻抗趋于无穷大,此时电流趋于0,因此在L=nλ处,阻抗都趋近于无穷。

    偶极子天线的辐射方向图:

    长度为L的偶极子天线有远场如下:radiated fields from dipole antenna

    下图为L=0.25/1/1.5λ时偶极子天线的归一化辐射方向图:

    通常,天线尺寸越大,方向性越大,但也有不同的情况,如L=1.5λ方向性小于L=1λ。

    偶极子天线L=1λ的3d方向图如图所示:

    因为偶极子天线的方向图只与θ大小有关,因此偶极子天线为全方向性的,且其电场和磁场都只存在一个向量,因此为线性极化。

    偶极子天线的方向性在L<1.25λ时,随L的增大而增大,当L>1.25时,虽然方向性也存在增大趋势,但同时会出现旁瓣。

    directivity of dipole versus length

     

    半波偶极子天线:

    半波偶极子天线是偶极子天线中的一个case, 在应用中具有重要的意义。

    electric current distribution along a half-wave dipole antenna

    输入阻抗:73+j42.5 Ohms

    远场:fields from a half-wave dipole antenna

    方向性:1.64(2.15dB),半功率带宽:78°

    根据输入阻抗随L变化的曲线显示,当L减小到0.48λ时,天线输入阻抗为70 Ohms,此时只有实部,说明处于谐振状态(理想)。

    在实际应用中,偶极子天线往往应用较厚的材料,使得天线的带宽变大,从而谐振状态所对应的L值会减小,较厚的材料能将谐振降低到0.45λ及以下。

     

    宽带偶极子天线:

    在实际应用中,天线的一个需求是更大的带宽,因此偶极子天线可以通过增大其半径A来获得更大的带宽,即宽带偶极子天线。

    仿真100MH半波偶极子天线:(A=0.001m/0.015m/0.05m)

    有以下结论:

    (1)随着A的增大,天线的带宽变大。

    (2)随着A的增大,谐振频率变小。

     

    折叠偶极子天线:

    折叠偶极子天线是将偶极子天线的两端折叠并连接形成环状:geometry of folded dipole antenna of length L通常d远远小于L。

    输入阻抗:impedance of folded dipole antenna,其中Zt表示长度为L/2的传输线的阻抗,Zd表示长度为L的偶极子天线的阻抗。

    折叠偶极子天线在奇数倍波长处达到谐振状态获得更好的辐射,若改变馈入点位置(靠近上端或下端)可使得折叠偶极子天线在偶数倍波长处达到谐振状态。

    半波折叠偶极子天线的输入阻抗由上式子可得,Zf=4Zd,半波偶极子天线的输入阻抗约为70 Ohms,则半波折叠偶极子天线的输入阻抗约为280 Ohms, 常应用在需要更大天线阻抗的场景中。

    辐射场与偶极子天线相同。

     

    单极天线:

    单极天线是偶极子天线的一般,通常置于ground上

    如图为置于无限地上的单极天线:monopole antenna

    通过镜像方法,可以得到,置于无限地上长为L的单极天线和自由空间中长为2L的偶极子天线等效。

    辐射场:在gnd上与偶极子天线相同。

    输入阻抗为偶极子天线的一半。

    方向性为偶极子天线的两倍,可以理解为gnd以下没有辐射场,因此gnd上的方向性为两倍。

    在实际情况中,gnd是有限的,有限gnd对单极天线的输入阻抗影响不大,但对辐射方向图影响较大,通常在有限地上的单极天线最大辐射方向不在x-y平面上。

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  • 3-D集成宽带滤波磁电偶极子天线的设计
  • 偶极子天线

    2021-04-08 13:00:05
    短偶极子(short dipole):短偶极子天线是最简单的天线,由一段开路线组成,并在其中心馈入。在天线设计中,“短”和“小”是相对于工作波长而言,与天线绝对尺寸大小无关,通常来说,当L<λ/10,可视作短偶极 子...

    短偶极子(short dipole): 短偶极子天线是最简单的天线, 由一段开路线组成,并在其中心馈入。在天线设计中,“短”和“小”是相对于工作波长而言,与天线绝对尺寸大小无关,通常来说,当L< λ/10, 可视作短偶                                            极子天线。

    偶极子天线:   short dipole antenna                

    将偶极子天线置于笛卡尔坐标系z轴,并且在偶极子天线中心Z=0处馈入,则有电流分布:current distribution on short dipole antenna ,电流分布如图所示:

    短偶极子天线的远场辐射场:

    electric fields radiated from a short dipole antenna

    需要注意:(1)在远场,电场只存在Eθ,磁场只存在HΦ,且两者都垂直于电磁波传播方向direction of propagation。短偶极子天线远场近似平面波。

                        (2)远场条件只考虑1/r order, 在计算中忽略higer order的影响

                         (3) 电场与磁场与L和I0有关

                         (4)phase variation is described by the complex exponentialdirection of propagation代表电磁波传播随距离而产生的相位变化。K是波数。

                          (5)radiation pattern for short dipole代表场的空间变化量,置于Z轴上的短偶极子天线,其辐射最大在x-y平面。

    短偶极子天线的方向性仅与radiation pattern for short dipole有关,与方位角无关,因此定义其为全向天线,方向性大小约为1.5(1.76 dB), 半功率波束宽度为90°。

    输入阻抗:impedance of antenna consists of loss resistance, radiation resistance, and a reactive componentradiation pattern for short dipole

    radiation resistance of an antenna  and  loss resistance for antennas(趋肤深度) and reactance or imaginary part of antenna impedanceradiation resistance of an antenna

    注意电抗为负,表示阻抗为容性。由于短偶极子天线的阻抗最非常小,因此很难匹配到50Ohm。

    短偶极子的带宽定义复杂,由于输入阻抗中电抗部分的影响,输入阻抗随频率变化较大,因此常应用在窄带中。

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  • 为了拓宽偶极子天线的工作带宽,实现天 线 的 小 型 化,设 计 了 一 种 VHF/UHF波段的偶极子天线结构,融 合 分 布.式加载匹配技术,并借助...波小于2.5,带宽达17个倍频,尺寸比半波偶极子缩小了86%。
  • 本资源给出了完整的FDTD偶极子仿真的c语言程序,并附带数据处理的matlab程序
  • FEKO偶极子天线示例,初学者可以看一下 本例演示了一个简单半波偶极子的辐射方向图和输入阻抗的计算过程,如图 1.1 所示。波 长λ为 4m(对应频率约 75MHz),天线长度为 2 米,导线半径为 2 毫米。
  • 偶极子天线方向图

    2017-12-22 09:52:17
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    千次阅读 2019-01-22 18:09:11
    %文件描述:三维偶极子源激励,PML吸收边界,采用矩阵赋值 %激励描述:高斯脉冲 %激励位置:空间中心位置 %介质描述:自由空间 clear all;close all;clc; %设置初始条件 NSTEPS=80;%时间步 IE=40;JE=40;KE=40;%...
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  • 偶极子天线参数优化记录

    千次阅读 2013-01-15 11:29:42
    1.最原始的那种造型。两个脚,没有弯曲,微带线臂长L1=64MM,L2=63.4MM,L3=10MM(巴伦底长),L4=12MM,W1=3MM,W2...下一步考虑使用弯折造型,在上面加一条横条寄生单元,来改变天线的阻抗参数,参考的是东南大学硕士论文
  • 宽带偶极子阵列加载基片集成毫米的H平面喇叭天线

空空如也

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半波偶极子天线