一种小型化准自补超宽带天线的分析与设计毕业设计(编辑修改稿)

一种小型化准自补超宽带天线的分析与设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

................................................. 51 参考文献 .............................................................. 52 第 1 页 第一章 绪论 论文研究的意义和目的 微带天线具有低剖面、重量轻、体积小、易与飞行器共形，以及易与有源器件和微波电路集成的特点，广泛应用于卫星通信、雷达、移动通信、以及各种无线设备中。 但微带天线本身具有窄频带、品质因数高、低效率的缺点，在很大程度上限制了它的应用，特别是在高速数据传输系统以及军用宽带无线 系统的发展中，要求天线具有更宽的带宽。 如何改善上述的缺点，充分利用优点已经成为目前通信领域里重要的研究课题。 [1] 本论文即是围绕微带天线超宽带化进行的，主要是利用 HFSS 微波仿真软件对工作在超宽带并可获得良好特性的微带线馈电贴片天线进行分析和研究，并讨论了该天线的尺寸、结构等对天线性能的影响。 研究现状和发展趋势 现代意义上的超宽带 UWB（ Ultra Wide Band）无线电技术，出现于上个世纪 60年代，但是当时有关其的应用一直仅限于军事、灾害搜救搜寻雷达定位和测距等方向。 20xx 年 2 月 14 日， 超宽带无线电技术首次获得美国联邦通信委员会（ FCC）等批准用于民用通信，从而引起了世界各国的关注，从 1998 年开始， FCC 对于超宽带无线电设备对所有原有无线电通讯设备的干扰和其相互共存的问题开展了一系列广泛的征求业界意见，在有军方和航空界等许多不同意见的情况下， FCC 仍然决定开放了 UWB技术在短距离无线通信领域的应用许可，这一点充分证明了此项技术具有的宽广的应用前景和巨大的市场。 目前，国际上有关 UWB 的在短距离无线通信领域的研究已经步入了指定行业标准的阶段， 工作组已经收到很多种方 案。 UWB 通信技术目前采用的主要调制方式有： PAM（脉冲幅度调制）， OOK（通断键控调制）， THPPM（跳时脉位调制），TH/DSBPSK（跳时 /直扩二进制移频键控调制）。 通过综合考虑方案的可靠性，有效性和多址性等影响因素后，在以上四种调制方式中目前采用最多的是后面两种 THPPM和 TH/DSBPSK 调制方式。 这两种调制方式的不同在于采用匹配滤波器的单用户检测 第 2 页 情况下， TH/DSBPSK 的性能要优于 THPPM，而对于 TH/DSBPSK 来讲，在通信速率高时，应该优先选用 DSBPSK 方式，在速率低时 ，由于 THBPSK 受到的远近效应的影响比较小，因此应该选用该调制方式。 而在使用 MMSE 检测方式的多用户接收机应用的情况下，这两种调解方式差别不大。 以往和超宽带通信相关的研究主要集中在雷达技术的相关应用方面，以及在 UWB 天线， UWB 通信雷达信号的检测和高功率窄脉冲等方面也取得了比较多的科研成果。 但是在我国的电磁兼容的环境下，该技术如何和以往传统通信技术相容共存应用乃至于频谱的分化规则的制定都是急需解决的问题。 [2] 本文研究的主要内容 本课题在查阅国内外相关文献资料的基础上，选择一种可以满足指标要求 的小型化的超宽带准自补天线进行深入研究，并对部分尺寸对天线性能的影响进行了仿真和分析。 1. 介绍了天线的分类和理论基础以及基本性能参数，如方向性、极化、驻波比、增益、输入阻抗，频带宽度等。 ，基本的分析方法和馈电方式 ，并介绍了超宽带技术工作原理和几种基本的结构原理，从而为后续的讨论提供资料支持。 4. 对给定的天线借助 HFSS 仿真软件结合分频段仿真的方法进行分析，实现了工作频率带宽为 的准自补超宽带天 线，同时讨论了部分尺寸对天线性能的影响，并给出仿真软件理论分析结果，数值仿真结果表明该天线在 频段内，驻波比小于 10dB。 第 3 页 第二章 天线基础理论 天线的定义和分类 天线（ 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。 一般天线都具有互易性，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。 天线的大致分类：。 、广播天线、电视天线、雷达天线等。 、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。 天线电磁理论基础 天线的理论基础是以下的麦克斯韦方程： SdtDJldH Sl    (21) SdtBldEl S   (22)  S 0SdB (23)  S qSdD (24) 上述四个方程为麦克斯韦方程的积分形式，它们对应的微分形式为 第 4 页 JtBH  （ 25） tBE  （ 26） 0B （ 27） D （ 28） 麦克斯韦第一方程式是全电流定律，第二方程是电磁感应定律，第三方程是高斯定律，第四方程是磁通连续性定理。 由微分形式麦克斯韦方程可以看出，时变电磁场的时变电场是有旋有散的，时变磁场是有旋无散的。 时变电场的方向与时变磁场的方向处处相互垂直。 时变电磁场是有旋有散场。 为了完整地描述时变电磁场的特性，麦克斯韦方程还包 括说明电荷以及电流关系的电荷守恒定律以及说明场量与媒质特性关系的方程，即： tJ   (29) ED  (210) HB  (211) 39。 JEJ  (212) 其中， 39。 J 代表时变电磁场的电流源或非电的外源。 麦克斯韦方程是宏观电磁学的基础，它是关于场的定量数学描述，方程的形式是简单的，但其所包含的意义却是十分丰富的。 [3] 在已知源分布的情况下， E ,H ,D ,B 四个矢量一共有 12 个分量，根据式 27，当 AB  (213) 带入式 26得 tAE   (214) 第 5 页 上式中， A 为矢量位， φ为标量位。 A 和 φ共有四个分量。 任意一个矢量场，如果只给出它的旋度，则这个矢量场并不是唯一的，做出如下规定 0tA   (215) 这种关系被称为洛仑兹规则。 应用洛仑兹规则可以得到矢量位 A 和标量位 φ满足的波方程 Jt AA 222   (216)  t  222 (217) 这两个方程形式相同，依然具有一定的任意性，可以做适当的变换而保持电磁场两 E ,B 不变换，这就是洛仑兹规范的不变性。 在无源区域， 0J ， ρ=0，当取适当的 A 和 φ可以得到库伦规范 0A (218) 也就是说，在无源区域电磁场只有两个独立的分量，这是引入赫兹矢量位的基础。 引入极化矢量 P tPJ  P  (219) Maxwell 方程变为 tBE  (220)  PDtH  (221) PE  (222) 0H (223) 简单总结解题方法如下：由已知的源函数求辅助位函数，由已知电流分布 J(R)求解矢量位 A。 磁场强度 第 6 页 AH 1 (225) 电场强度 tAtdA1E   (226) 对于时谐场   Ak1AjE 2 (227) Poynting 矢量  HE21S / ，总辐射能量为 [2] dsHE21dsSeRPSS   (228) 图 电流辐射问题的场矢量 天线性能参数 方向图 天线辐射的功率有些方向大，有些方向小。 表示这种辐射功率大小在空间的分布图，称为方向图。 不同形式的天线，它们的方向图也不相同。 如果把天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包面，就是天线的方向图。 它显示天线在不用方向辐射的相对大小。 这种方向图是一个三维的立x y z r r39。 源区 J v39。 R=rr39。 场点 第 7 页 体图形，因而被称为立体方向图。 任何通过原点的平面，与立 体方向图相交的轮廓称为天线在该平面的平面方向图。 工程上一般采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向性，这两个主平面称为 E 面和 H面。 E面是通过天线最大辐射方向并平行与电场矢量的平面， H 面是通过天线最大辐射方向并垂直与 E面的平面。 下图表示七元八木天线的几种方向图，向径的方向代表辐射的方向，向径的长短代表辐射的强度。 图 31 (a)七元八木天线 (b)三维球坐标场强方向图 (c)三维直角坐标场强方向图 元天线产生于远区的电场强度与磁场强度为： rjrz e2IdjdE    s in （ V/m） （ 229） rjrz e2IdjdH    s in (V/m) （ 230） 从式 229 和 230 看出，天线在远区辐射具有如下的性质： （ 1） 电场和磁场都与 re rj 成正比。 等相位面是一个球面，球心位于元天线中心。 （ 2） 空间任一点的电场与磁场同相。 （ 3） 电场矢量沿θ方向，磁场矢量沿φ方向，且两矢量均与球面相切。 （ 4） 当电流不变时，电场和磁场的大小与波长λ成反比。 由图 32 我们可以看到，方向图中有许多波瓣，其中包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其他一次为第一副瓣，第二副瓣等。 天线辐射是否集中，可以用主瓣宽度这一特性参量来表示。 主瓣中辐射强度（即功率密度）为最大值一半的两个径向之间的夹角（图中的  ）称为主瓣宽度。 主瓣宽度愈小，方向图愈尖锐，表示天线辐射愈集中。 第 8 页 图 32 天线典型方向图 副瓣的最大值相对于主瓣最大值的比称为副瓣电 平，一般用分贝来表示。 如下式： msEE20SLL lg (dB)。