245ghz端射天线的设计与实现本科毕业设计(编辑修改稿)

245ghz端射天线的设计与实现本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

系统整体功能的发挥具有很重要的作用。 由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率、增益和前后比等指标差别不大，天线的辐射形式成为系统选择天线类型考虑的一个重要的因素。 根据天线辐射特性的不同，可以分为以下几种类型的天线，全向天线，即辐射方向向四周展开，定向天线，辐射方 向向一定的方向辐射。 根据辐射方向图的特点，本文研究的端射天线属于定向天线。 本文的主要内容就是对端射天线的研究，具体的各章安排如下： 一：绪论，先简要的介绍了对端射天线的研究意义和背景以及对天线的研究现状做了分析。 二：主要介绍了天线的各个性能参数和定义各个指标参数的原理公式，判断天线性能好坏的各种指标。 主要包括天线基本参量、波瓣图、波束范围、辐射功率、辐射强度、方向性、天线效率、天线增益、极化和输入阻抗。 三：主要介绍了一款工作频率为。 四：结 果 与展望。 华南理工大学 广州学院毕业 论文 6 第二章 天线基本理论 天线， 众 所周知，是通信电路中用来发送信号和接收信号的关键元器件和组成部分。 世界上第一个天线系统是由德国的卡尔斯鲁厄工学院的赫兹教授在 1886年建立的，今天来看其当时建立的天线系统是一套完整的米波波长的无线电系统，这套系统的发射天线是终端加载的偶极子天线，接收天线是谐振方环天线。 如今，随着通信行业的发展，各种各样的天线出现在各个领域，由于微带贴片天线尺寸小，制作简单的特点，在个人通信等领域得到了极其广泛的应用。 本文中所介绍的天线就是在芯片上集成设计的。 我们设计人工磁导体结构，就是为了优化天线的各个性能，而天线的性能是从它的各个参数反应表现出来的，这一章，我们主要介绍天线的各个性能参数以及其表达的含义。 当然，在我们设计天线的时候，就需要尽可能的使 天线的性能达到最优，这样在人工磁导体的辅助作用下，天线的增益可以极大的增加，天线的性能可以极大的优化。 我们经常说到的天线就是在电路系统中的一个元器件，它将自由空间存在的电磁波和导行波电磁波进行相互转化。 天线实现了电子和光子之间的相互转化。 天线的最基本原理就是电荷加或减速产生辐射。 辐射原理的公式如下： IL Qv () 上面的公式中， I 为时变电流， L 为电流源的长度，等号的右边电荷用 Q 来表示，它的单位是库伦，用 C 来表示，这里用 v 来表示每个电荷的速度随时间变化的快慢，即加速度。 根据上面的公式，我们可以知道，点电荷加速度产生的辐射和电流变化产生的辐射其实是一样的。 但是在不同的条件下，我们选取研究的侧重点不同，电路瞬时状态简谐振荡和稳定状态简谐振荡的条件下，分别研究电荷运动的方向和电流。 天线产生电磁波的方向和天线中电荷运动的方向成 90 度角，IL（或 Qv）的平方越大天线在空间中产生的电磁波的能量越大。 有的通信设备中，有发射天线和接收天线两个器件，但很多时候，一根天线同时拥有这两种功能。 当天线用于发射电磁波或者电磁能量的时候，它将电路中产 生的电能转化成在其表面传播的导行波再转化成在自由空间传播的电磁波；当天线用于接收电磁波或者电磁能量的时候，自由空间中传播的电磁波通过天线变化为在它上面传播的导行波，再将信号传回给电路系统。 这就说明，天线是两种第二章 天线基本 理论 7 媒介中电磁波传播的纽带，是无线通信电路中必不可少的元器件。 因为天线在一个通信电路系统中也是一个元器件，所以在天线也会出现一定的阻抗特性，这里有一个辐射电阻的概念 Rr，就是把天线和它的传输线看成一个电路部分其呈现出的电阻特性。 这个电阻的一个重要特点就是分离于天线结构的各个阻抗，仅仅和自由空间的耦合相关联。 天线在发射信号时，其所发射的能量被空间中的各种物体所吸收（如树木、建筑物、空气流动等等）。 由于天线自身有一定的阻抗特性，并且在空间中存在着各种电磁波，这些电磁波在天线上产生电磁辐射，就会使天线的温度升高发热。 波瓣图 所谓的天线辐射方向图，由于图形绘画出来非常像花的花瓣，所以我们也叫做天线辐射波瓣图，很多情况下，为了方便我们简单的叫做天线方向图，就是在一定的距离天线的位置上，天线辐射能量的场随球坐标系的角坐标 ( , )分布的图形。 通常情况下，波瓣图由三维球坐标表示，是球坐标  和  的函数的三维量，它的图形主要是描述天线的电磁场或者功率。 我们一般分析研究天线在远场区的波瓣图。 其中，波瓣图分为：场强波瓣图、功率波瓣图和相位波瓣图，它们分别用场强、辐射功率密度和相位表示。 通常，波瓣图都是在极坐标下表示做出的，极坐标的两个变量角度和半径分别代表着天线向哪个方位辐射能量，和所辐射能量的电磁场的场强大小或者功率密度的大小。 场的波瓣图既能在三维球坐标中表示，又能用包括主瓣轴的竖切面图来展现。 通常情况下，主平面波瓣图就是两个相互成 90 度角的竖切面波瓣图，绕轴波瓣图仅仅需要一个剖面图。 有些情况下，为了更加详细和方便表示出副瓣电平，我们将主平面波瓣图改成在直角坐标系下对数刻度表示。 我们所说的半功率波束宽度（ HPBW， halfpower beamwidth）（或 3 dB 波束宽度），就是一半功率电平所在的点所夹的波束范围的宽度。 第一零点波束宽度（ FNBW， beamwidth between first nulls），就是天线波瓣主瓣两边第一个零点所夹角度的波束的宽度。 在此天线的波瓣平面图如图 所示，在图中，我们给出了各种波瓣和波瓣宽度的定义。 华南理工大学 广州学院毕业 论文 8 0 . 51F N B WH P B W副 瓣旁 瓣后 瓣主 瓣0 . 50 . 5 图 为了得到没有量纲的归一化电磁场的波瓣图，我们将电磁场的分量除以它的最大值，得出的波瓣图电磁场波瓣图的最大值就是 1。 在  和  角度所处的方向上，当 ( , )nE  =(1/2)1/2= 的时候，会产生半功率电平。 m a x( , )= ( , ) ( , )n EE E  归 一 化 波 瓣 图 () 当我们研究的电磁场距离所研究的天线非常远的时候，特别是这个距离大于天线的结构大小和天线中心频率的波长的时候，所处位置的远近就决定不了方向图的曲线描述。 一般情况下，我们把这种方向图叫做满足远场条件。 当然，波瓣图也可以按照单位面积的功率或坡印廷矢量的幅值 (S 来表示。 将该功率对其最大值进行归一化即得出归一化功率波瓣图，这也是角度的无量纲函数，最大值为 1。 归一化功率波瓣图公式如下： m a x( , )( , ) ( , )nn SP S  归 一 化 功 率 波 瓣 图 () 其中， 22 0( , ) [ ( , ) ( , ) ] /S E E Z     ，表示坡印廷矢量的幅值， max( , )S 表示 ( , )S 的最大值， 0Z = 表示空间的本征阻抗。 其分贝电平则得自： 10dB 10 log ( , )nP  () 式中 ( , )nP 得自式 ()。 有一种情况，就是天线发生线性的极化的时候，三维波瓣图就显得非常的麻烦并且没有必要，我们这时就能用二维的 E 和 H 主要切面的波瓣图绘制。 这种情况下， E 平面就是在最大辐射方向平面中，与天线辐射出的电场矢量平行的平面。 这样，我们就可以知道，所谓的 H 平面就是在最大辐射方向平面中，与天线辐射第二章 天线基本 理论 9 出的磁场矢量平行的平面。 除非是比较特殊的情况大多数情况下，我们都会至少将天线的一个主平面和天线的一个坐标平面保持一致，这样，便于分析天线的性能。 波束范围或波束立体角 A 为了分析研究波束范围这一概念，我们将三维的球坐标系变为二维的极坐标系，通过将球坐标经纬方向（  方向和  方向）的弧长 rd 和弧长 sinrd进行乘积，就得到了微分面积 dA 的概念，如下式 ()所示： 2( ) ( sin )d A rd r d r d     () 式中， d 所表示的立体角就是 dA 所张开的立体角。 为了得到天线辐射球球面的面积，将固定的  角和弧宽 rd 围绕着天线辐射球面包裹成成的圆环形状条带的面积为 sin )(r )rd   ，进行 180 度的积分，就可得到下式： 2 2 2020 si n 2 [ c os ] 4S r d r r          () 式中 4 表示完整球坐标球面所环绕的立体角，即 360 度，单位为 sr。 通过在归一化波瓣图在球面（ 4 sr）上积分，我们可以得到天线的波束范围（或波束立体角） A 的公式： 200 ( , ) s i nAn P d d          () 和 4 ( , )AnPd   (sr) 波束范围 () 式中 sind d d   ， sr。 当天线的所有辐射功率都按相同效率 ( , )P 的最大值均匀的流出时，产生的立体角就是我们这节要说的波束范围 A。 我们不考虑波束范围之外的能量辐射，即为零，所以辐射功率为 = max( , ) AP   瓦。 我们可以将天线的波束范围近似的表示成两个主平面内主瓣功率波束宽度的相乘之积，如下式所示： A HP HP () 辐射功率密度 电磁场的传播形式是电磁波，电磁波一般情况下通过无线介质或者波导结构传播信息。 电磁波的能量和功率是和电磁场密切相关的。 这时我们定义瞬时坡印廷矢量，它用来描述电磁波相关的功率参量，其式为： 华南理工大学 广州学院毕业 论文 10 W E H   () 在公式 ()中， W 代表瞬间坡印廷矢量，它的单位是瓦特每平方米； E 代表瞬间电场强度矢量，它的单位是伏特每米； H 是瞬间磁场强度矢量，单位是安培每平方米。 这个公式就能完整的表达电磁场功率和电场和磁场强度的关系。 运用求面积积分的方法，就是在一个密闭的面上求出垂直于这个面的向量的积分，就能求得电磁场总功率的描述矢量，就是我们通常所说的坡印廷矢量，它表达的意思就是辐射功率密度。 如下式 ()所示： ssP W d s W n d s        () 上式中， P为瞬时总功率，单位是 W； n 为曲面法向量的单位向量； ds 是曲面的单位面积元，单位是 m2。 辐射强度 这节我们主要介绍描述辐射大小的一个标量，它的大小是由天线辐射出在每个单位的球面角上接收到的功率，就是我们通常所说的辐射强度，当然它是对于远场区所说的。 我们也可以简单的将辐射功率乘以辐射距离的平方得到辐射强度，如下式所示： 2 radU r W () 上式中， U是辐射强度，它的单位是瓦特每立体角，在公式 ()的右边 r是天线到测试天线的距离，单位通常是距离单位米； Wrad 辐射功率密度可以通过公式 ()求出，它的单位是瓦特每平方米。 但是在一般情况下，我们都认为辐射强度是一个远场标量，此时辐射强度与距离无关，一下格式将给出辐射源的辐射强度推导过程，来证明其与距离无关。 22( , ) ( , , )2rU E r    () 上式中， ( , , )Er 为天线的远场区电场强度矢量，  为媒介的本征波阻抗。 我们要求得总的辐射功率，即在 4 立体角内积分可得： 200 s inr a dP U d U d d        () 式中， d 为立体角元等于 sin dd   ， radP 为总的辐射功率。 第二章 天线基本 理论 11 对于各向同性辐射源， U 将不再是  和  的函数，同样 radW 也不再随着  和  而变化。 通过上面得到的结论，我们将式 ()化简如下式： 0 0 04r a dP U d U d U      () 式中， U0表示各向同性辐射源的辐射强度。 式 ()也可以表示为： 0 4radPU () 至此我们推导出了辐射源的辐射强度的公式。 方向性 D 这一小节，我们介绍天线的方向性 D，它也是没有量纲的标量，和辐射强度一样，测试天线的方向性也是在距离天线非常远的地方进行测试的。 用这个测试距离上任意球面的最大辐射功率密度 max( , )P 与其除以平均肤色功率密度，得到了方向性 D，它的表达式如下式 ()： max( , )( , )avPD P () 上式中，球面上的平均功率密度为： 200 411( , ) ( , ) s i n (。