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一种宽频带超短波对称振子天线
来源：广搜网
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发布日期： 20:49:52
&&&&发明人：张桂兴 胡树梁（摘要：本发明涉及一种宽频带超短波对称振子天线，包括上下镜象设置的两只相同的辐射单元和一只电缆插座，辐射单元包括一根以上独立的辐射单元振子，所述辐射单元振子包括单元振子、单元振子加载线圈和顶部加载振子，单元振子底部经馈电杆连接电缆插座，单元振子顶部经加载线圈连接顶部加载振子，顶部加载振子与单元振子不在同一直线上。通过单元振子经加载线圈连接顶部加载振子，实现了高性能宽频带超短波对称振子天线，在缩小天线尺寸的同时兼顾天线的带宽和增益，天线长度小于4m，直径小于50 ㎝，可工作频段为20-110MHz，增益大于等于0dBi，驻波比小于等于2.5，极化方式垂直极化，水平面内全方向辐射，具有重量轻，结构简单，成本低等优点。）
电缆插座，其特征在于：所述辐射单元包括一根以上独立的辐射单元振子，所述辐射单元振子包括单元振子、单元振子加载线圈和顶部加载振子，单元振子底部经馈电杆连接电缆插座，单元振子顶部经加载线圈连接顶部加载振子，顶部加载振子与单元振子不在同一直线上。2. 根据权利要求1 所述的一种宽频带超短波对称振子天线，其特征是：所述辐射单元包括四根辐射单元振子和上、下环氧树脂板，四根辐射单元振子呈正方形连接于上、下环氧树脂板之间，所述辐射单元振子包括单元振子、单元振子加载线圈、顶部加载振子、尼龙棒和单元振子过渡段，单元振子底部经单元振子过渡段支撑于下环氧树脂板上且经馈电杆连接电缆插座，单元振子顶部经尼龙棒支撑上环氧树脂板，尼龙棒上套接单元振子加载线圈，单元振子加载线圈连接于顶部加载振子和单元振子之间，顶部加载振子与单元振子不在同一直线上。3. 根据权利要求1 或2 所述的一种宽频带超短波对称振子天线，其特征是：所述顶部加载振子与单元振子垂直。4. 根据权利要求1 或2 所述的一种宽频带超短波对称振子天线，其特征是：所述顶部加载振子由一根以上的顶部单元振子组成，一根以上的顶部单元振子均支撑连接于单元振子或尼龙棒上。5. 根据权利要求2 所述的一种宽频带超短波对称振子天线，其特征是：所述单元振子过渡段底部呈锥形面支撑于下环氧树脂板上。一种宽频带超短波对称振子天线技术领域[0001] 本发明涉及天线领域，具体说是一种宽频带超短波对称振子天线。背景技术[0002] 目前超短波通信系统中，使用的宽频带通信天线一般是采用分段加载的单极子天线，采用在单极子上分段加载，其带宽可以带到要求，可作侦收天线使用，但不宜作发射天线使用，受到很大的限制，作发射天线使用必须在加载位置进行散热，金属散热器不但会影响天线的电性能，还会给天线的结构带来许多不利因素；而且采用分段加载的方法其增益一般皆为负值，又限制了天线信号的传输距离。另外一种在超短波通信系统中经常使用的天线是双锥天线，像双锥天线这种类型的天线虽然带宽和增益都可以达到要求，但其天线尺寸在超短波波段过大对安装站点提出了要求，进而容易造成资源的浪费。发明内容[0003] 针对现有技术中的不足，本发明提供了一种结构简单、紧凑，制作、使用方便，兼顾天线带宽和增益的宽频带超短波对称振子天线。[0004] 本发明采用的技术方案是：一种宽频带超短波对称振子天线，包括上下镜象设置的两只相同的辐射单元和一只电缆插座，其特征在于所述辐射单元包括一根以上独立的辐射单元振子，所述辐射单元振子包括单元振子、单元振子加载线圈和顶部加载振子，单元振子底部经馈电杆连接电缆插座，单元振子顶部经加载线圈连接顶部加载振子，顶部加载振子与单元振子不在同一直线上。[0005] 所述辐射单元包括四根辐射单元振子和上、下环氧树脂板，四根辐射单元振子呈正方形连接于上、下环氧树脂板之间，所述辐射单元振子包括单元振子、单元振子加载线圈、顶部加载振子、尼龙棒和单元振子过渡段，单元振子底部经单元振子过渡段支撑于下环氧树脂板上且经馈电杆连接电缆插座，单元振子顶部经尼龙棒支撑上环氧树脂板，尼龙棒上套接单元振子加载线圈，单元振子加载线圈连接于顶部加载振子和单元振子之间，顶部加载振子与单元振子不在同一直线上。[0006] 所述顶部加载振子与单元振子垂直。[0007] 所述顶部加载振子由一根以上的顶部单元振子组成，一根以上的顶部单元振子均支撑连接于单元振子或尼龙棒上。[0008] 所述单元振子过渡段底部呈锥形面支撑于下环氧树脂板上。[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：辐射单元的四只单元振子相互独立，相互之间偏移90 度呈正方形放置上下环氧树脂板间，抗干扰力强，频带宽效率高；两只辐射单元上下镜象设置，相当于加粗了天线振子，展宽了天线带宽，满足高性能宽频带超短波使用；单元振子上经单元振子加载线圈连接顶端加载振子，顶端加载振子垂直于单元振子，缩小了天线整体尺寸，确保天线增益；每个单元振子的单元振子过渡段的末端采用了锥形面，且馈电杆连接在单元过渡段的末端和电缆插座上，进而使得天线的阻抗更加容易匹配。[0010] 本发明通过单元振子经加载线圈连接顶部加载振子，实现了高性能宽频带超短波对称振子天线，在缩小天线尺寸的同时兼顾天线的带宽和增益，天线长度小于4m，直径小于50 ㎝，可工作频段为20-110MHz，增益大于等于0dBi，驻波比小于等于2.5，极化方式垂直极化，水平面内全方向辐射，具有重量轻，结构简单，成本低等优点。附图说明[0011] 图1 为本发明结构示意图；图2 为图1 的俯视图。[0012] 图中：辐射单元1，电缆插座2，单元振子3，单元振子过渡段4，下环氧树脂板5，馈电杆6，尼龙棒7，单元振子加载线圈8，上环氧树脂板9，顶部加载振子10。具体实施方式[0013] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。[0014] 图1、2 所示，一种宽频带超短波对称振子天线包括上下镜象设置的两只相同的辐射单元1 和电缆插座2，每个辐射单元1 包括单元振子3、单元振子过渡段4、下环氧树脂板5、馈电杆6、尼龙棒7、单元振子加载线圈8、上环氧树脂板9 和顶部加载振子10，四根单元振子3 呈正方形连接于上、下环氧树脂板9、5 之间，单元振子3 底部连接单元振子过渡段4，单元振子过渡段4 的底端呈锥形面支撑于下环氧树脂板5 上且经馈电杆6 连接电缆插座2，单元振子3 顶部经尼龙棒7 支撑上环氧树脂板9，尼龙棒7 上套接单元振子加载线圈8，单元振子加载线圈8 连接于顶部加载振子10 和单元振子3 之间，顶端加载振子10 包括两根顶端单元振子，两根顶端单元振子相互垂直且均支承于上环氧树脂板9 上与单元振子3 垂直。[0015] 本发明并不局限于上述实施方式，本领域技术人员都可做多种修改和变化，在不脱离本发明的精神下，都在本发明所要求保护范围。
发明人：张桂兴 胡树梁
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宽频带片状对称振子天线
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宽频带片状对称振子天线
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天线（英语：antenna）是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。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。当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场 与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区，中间区， 远区。设R为空间一点距导体的距离，在时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流,电压有紧密的联系。在的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 λ 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。发射天线正是利用辐射场的这种性质，使传送的信号经过发射天线后能够充分地向空间辐射。如何使导体成为一个有效辐射体导系统呢？这里我们先分析一下传输线上的情况，在平行双线的传输线上为了使只有能量的传输而没有辐射，必须保证两线结构对称，线上对应点电流大小和方向相反，且两线间的距离《π。要使电磁场能有效地辐射出去，就必须破坏传输线的这种对称性，如采用把二导体成一定的角度分开，或是将其中一边去掉等方法，都能使导体对称性破坏而产生辐射。分类1、按工作性质可分为发射天线和接收天线。2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。6、按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线一维天线：由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双极天线是两种最基本的一维天线。二维天线：变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片）、喇叭状、碟状。7、天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类。手持台天线：就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。车载天线：是指原设计安装在车辆上通讯天线，最常见应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。基地台天线：在整个通讯系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线）、定向天线。对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子。天线的背射是基于谐振腔波相干造加的原理。谐振腔是由主反射器、副反射器及馈源构成。由慢波结构的馈源辐射线射向主反射器，再由主反射器反射回来，到副反射器叉再次被反射，于是在谐振腔内沿其轴向形成。驻波场”。形成“驻渡场的条件是主、副反射器的间距为^/2的整数倍。因背射天线形成的谐振腔是开口的，适当选择天线各部分尺寸，即可使开口谐振腔的能量辐射到自由空间，形成锐波束，其最大辐射方向沿其轴向。因这种天线的辐射方向与馈源的辐射方向相反，因此这种天线被看成“天线背射”。发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的 “面包圈” 形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图用来描述天线在某指定平面上的方向性。若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈” ，把信号进一步集中到在水平面方向上。也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向，平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见图1.3.4 a ,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称 波束宽度 或主瓣宽度或 半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB （功率密度降至十分之一） 的两个点间的夹角。方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为 F / B 。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。前后比F / B 的计算十分简单：F / B = 10 Lg {（前向功率密度）/（后向功率密度）}对天线的前后比F / B有要求时，其典型值为 （18 ~30）dB，特殊情况下则要求达（35 ~ 40）dB。1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：G（dBi）= 10 Lg { 32000 / （ 2θ3dB,E ×2θ3dB,H ）}式中， 2θ3dB,E 与 2θ3dB,H 分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度；32000 是统计出来的经验数据。2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：G（dB i）=10 Lg { 4.5 ×（ D / λ0 ）2}式中，D 为抛物面直径；λ0 为中心工作波长；5 是统计出来的经验数据。3）对于直立全向天线，有近似计算式G（ dBi ）= 10 Lg { 2 L / λ0 }式中，L 为天线长度；λ0 为中心工作波长；对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制 。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。为使主波瓣指向地面，安置时需要将天线适度下倾。影响天线性能的临界参数有很多，通常在天线设计过程中可以进行调整，如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度相关。电长度通常是电线物理长度除以自由空间中波传输速度与电线中速度之比。天线的电长度通常由波长来表示。天线一般在某一频率调谐，并在此谐振频率为中心的一段频带上有效。但其它天线参数（尤其是辐射方向图和阻抗）随频率而变，所以天线的谐振频率可能仅与这些更重要参数的中心频率相近。天线可以在与目标波长成分数关系的长度所对应的频率下谐振。一些天线设计有多个谐振频率，另一些则在很宽的频带上相对有效。最常见的宽带天线是对数周期天线，但它的增益相对于窄带天线则要小很多。“增益”指天线最强辐射方向的天线辐射方向图强度与参考天线的强度之比取对数。如果参考天线是全向天线，增益的单位为dBi。比如，偶极子天线的增益为2.14dBi 。偶极子天线也常用作参考天线（这是由于完美全向参考天线无法制造），这种情况下天线的增益以dBd为单位。天线增益是无源现象，天线并不增加激励，而是仅仅重新分配而使在某方向上比全向天线辐射更多的能量。如果天线在一些方向上增益为正，由于天线的能量守恒，它在其他方向上的增益则为负。因此，天线所能达到的增益要在天线的覆盖范围和它的增益之间达到平衡。比如，航天器上碟形天线的增益很大，但覆盖范围却很窄，所以它必须精确地指向地球；而广播发射天线由于需要向各个方向辐射，它的增益就很小。碟形天线的增益与孔径（反射区）、天线反射面表面精度，以及发射/接收的频率成正比。通常来讲，孔径越大增益越大，频率越高增益也越大，但在较高频率下表面精度的误差会导致增益的极大降低。“孔径”和“辐射方向图”与增益紧密相关。孔径是指在最高增益方向上的“波束”截面形状，是二维的（有时孔径表示为近似于该截面的圆的半径或该波束圆锥所呈的角）。辐射方向图则是表示增益的三维图，但通常只考虑辐射方向图的水平和垂直二维截面。高增益天线辐射方向图常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷达等系统需要判定信号方向的时候，会影响天线质量，由于功率分配副瓣还会使主瓣增益降低。增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为G=2.15dBi。4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G=8.15dBi ( dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。半波对称振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。）垂直四元阵，其增益约为G=8.15–2.15=6dBd。增益特性：⑴天线是无源器件，不能产生能量，天线增益只是将能量有效集中向某特定的方向辐射或接收电磁波能力。⑵天线增益由振子叠加而产生，增益越高，天线长度越长。⑶天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。天线的带宽是指它有效工作的频率范围，通常以其谐振频率为中心。天线带宽可以通过以下多种技术增大，如使用较粗的金属线，使用金属“网笼”来近似更粗的金属线，尖端变细的天线元件（如馈电喇叭中），以及多天线集成的单一部件，使用特性阻抗来选择正确的天线。小型天线通常使用方便，但在带宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。“阻抗”类似于光学中的折射率。电波穿行于天线系统不同部分（电台、馈线、天线、自由空间）是会遇到阻抗差异。在每个接口处，取决于阻抗匹配，电波的部分能量会反射回源，在馈线上形成一定的驻波。此时电波最大能量与最小能量比值可以测出，称之为驻波比（SWR）。驻波比为1:1是理想情况。1.5:1的驻波比在能耗较为关键的低能应用上被视为临界值。而高达6:1的驻波比也可出现在相应的设备中。极小化各处接口的阻抗差（阻抗匹配）将减小驻波比并极大化天线系统各部分之间的能量传输。天线的复阻抗涉及该天线工作时的电长度。通过调节馈线的阻抗，即将馈线当作阻抗变换器，天线的阻抗可以和馈线和电台相匹配。更为常见的是使用天线调谐器、巴伦、阻抗变换器、包含电容和电感的匹配网络，或者如伽马匹配的匹配段。半波双极子天线（同上）增益（dBi）辐射方向图是天线发射或接受相对场强度的图形描述。由于天线向三维空间辐射，需要数个图形来描述。如果天线辐射相对某轴对称（如双极子天线、螺旋天线和某些抛物面天线），则只需一张方向图。不同的天线供应商/使用者对于方向图有着不同的标准和制图格式。无限长传输线上各处的电压与电流的比值定义为传输线的特性阻抗，用Z0 表示。同轴电缆的特性阻抗的计算公式为Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 欧]。式中，D 为同轴电缆外导体铜网内径； d 为同轴电缆芯线外径；εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。通常Z0 = 50 欧 ，也有Z0 = 75 欧的。由上式不难看出，馈线特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关，而与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗无关。信号在馈线里传输，除有导体的电阻性损耗外，还有绝缘材料的介质损耗。这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此，应合理布局尽量缩短馈线长度。单位长度产生的损耗的大小用衰减系数 β 表示，其单位为 dB / m （分贝/米），电缆技术说明书上的单位大都用 dB / 100 m（分贝/百米） .设输入到馈线的功率为P1 ，从长度为 L（m ）的馈线输出的功率为P2 ，传输损耗TL可表示为：TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )衰减系数为β = TL / L ( dB / m )例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗电缆， 900MHz 时衰减系数为 β= 4.1 dB / 100 m ，也可写成 β=3 dB / 73 m ， 也就是说， 频率为 900MHz 的信号功率，每经过 73 m 长的这种电缆时，功率要少一半。而普通的非低耗电缆，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 时衰减系数为 β = 20.1 dB / 100 m ，也可写成β=3dB / 15 m ，也就是说， 频率为 900MHz 的信号功率，每经过15 m 长的这种电缆时，功率就要少一半。定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线 ，其输入阻抗为 Zin = 73.1+j42.5 (欧) 。当把其长度缩短（3～5）%时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为 Zin = 73.1 (欧) ,（标称 75 欧） 。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即 Zin = 280 (欧) ,（标称300欧）。有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近 50 欧，从而使得天线的输入阻抗为Zin = Rin = 50 欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义：一种是指：在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR 不超过 1.5 时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。
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基于MATLAB研究对称振子天线的报告
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