小型化超宽带天线地模型仿真毕业论文设计(编辑修改稿)

小型化超宽带天线地模型仿真毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

实现体积小巧、性能良好的集成化天线，非线性介质如液晶材料方面的 UWB 天线研究也开始受到关注； (4) 小型 UWB 天线的精确测量技术：如何减小其他因素 (如馈线乱真发射 )对小型天线的辐射特性影响，以及电小 UWB 天线的效率测量，都是值得研究的问题； (5) 利用广义信道和随机过程方法评估天线与系统性能： 广义信道特性是关于方位角、俯仰角的复杂函数，只有在充分积累数据的基础上才有望建立的传播模型具有一般性，通过该模型和传输性能，可以对 UWB 天线的性能进行评价和分析，选择性能最佳的收发天线。 可见，超宽带天线的研究内容涉及到电磁场数值计算、微波集成电路与精密加工工艺、新型材料、仪器与测量技术、通信信号处理等理论和技术，还有大量研究工作有待今后完成。 论文结构框架说明 本论文的主要研究工作和内容安排如下： 第一章作为绪论，简述本论文的研究背景、研究历程和研究现状。 简要地介 绍了超宽带无线通信技术的历史和优势，回顾了超宽带天线的发展历程及国内外关于多种超宽带天线的研究现状和发展方向。 第二章为天线原理的阐述，介绍超宽带天线的性能参数及特点。 这章作为研究超宽带天线的理论基础。 第三章为仿真设计，简单介绍有限元法的电磁计算方法，对软件 HFSS 简单介绍。 初步建立超宽带天线模型进行仿真，这章的主要工作是熟悉软件使用，寻求方法减少仿真次数。 第四章是实验对比，是本论文的工作重点，对设计的两款天线进行优化。 通过对天线尺寸、介质介电常数、辐射板和底板的形状，馈电 方式等方面来研究超宽带天线，使得到的模型至少在 ~ 内 VSWR≤ 2。 通过实验对比得到优化的结果作为最终成果。 最后是本论文的结语，对真个研究过程进行收尾，回顾得失。 本章小结 本章介绍了 UWB 无线通信技术的发展历史和现状，并指出了目前超宽带天线所面临的问题和解决方法，指出其几个重点的发展方向特别是小型化，同时，挑选超宽带天线中最具代表性的印刷单极子重点阐述其结构的演变。 最后，本章对全论文的架构也作了说明，将全论文的结构清晰地呈现了出来。 第二章 超宽带天线理论基础 引言 通信、广播、电视、雷达、导航灯无线电技术设备中，都需要有无线电波的辐射和接收，用以完成这个作用的装置称之为天线。 下图便是一个无线电通信系统，其中，发射天线将高频电流能量转变为预定空间的电磁波能量，而接收天线是将预定空间来的电磁波能量转变为高频电流能量。 为了有效地将能量从发射机馈送到天线，将其空间电磁波转换成高频电流（或导波）送至接收机。 需要解决如下三个问题：第一，有效地进行能量转换，提高辐射功率或提高天线系统的信噪比。 天线作为传输线的终端负 载，要求天线与传输线匹配；第二，天线作为一种照射或接收器件，应具有向所需方向辐射无线电波的能力；第三，天线作为一种极化器件可分为线极化，圆极化和椭圆极化。 在同一系统中收、发天线应具有相同的极化形式，若不一致，则产生极化失配。 天线一般都是可逆的，即同一副天线既可用做接受天线，也可用做发射天线。 天线按结构形式分为两大类，一类是导线，金属棒或金属板结构天线，称为线天线；另一类是似声学或光学设备，有金属面或介质面构成的天线 天线的基本参数可以分为两大类，电路参数和辐射参数。 电路参数包括阻抗、电压驻波比、反射系数、回 波损耗等；极化、增益、方向图等则属于辐射参数。 这些知识频域上的参数，还有如相关系数、脉冲宽度拉伸比等时域特性参数。 在 UWB 系统中，作为重要组成部分的 UWB 天线的性能很大程度上制约了整个系统的性能。 UWB 天线的设计和实现亦有别于传统的窄带和宽带天线，窄带天线的设计利用谐振特性，带宽有限，而传统的宽带天线基于行波特性和频率不变性来实现，在UWB 系统中应用有限。 在设计之前，分析 UWB 天线的性能要求及实现所要面临的问题是十分必要的。 天线工作基本原理 电流元和磁流元的辐射 实 际使用的线天线，均可认为是由若干电流元和 (或 )磁流元所构成。 所谓电流元，是指长度 dlλ，并载有高频电流 i(t)=Icosωt=Re[Iejωt]的一段导体，以 Idl标记。 设电流元如图 所示放置。 图 电流元极其坐标系 计算该电流元在其周围空间产生的电磁场分布。 由电磁场理论有： 0])1(11[s in2)11(c o s222EerjrjrI d ljEerjrI d lErjrjr (21) 式中，  为媒质波阻抗，自由空间时，有： )(3 7 71 2 0000   (22) 对不同的区域，电流元的场特性不同。 在近场区域内电磁能流的坡印亭矢量是纯虚数，没有能流向外，该区域内能量的振荡占了绝对优势，该区域也叫感应场。 由于接受点在远处，所以重点讨论远场（辐射场）。 远场区有以下特点： （一） 远场区只有 Eθ 和 Eφ 两个分量，两者在空间上互相垂直，在时间上同相位，该且与内沿矢径方向传播的电磁波占了绝对优势，电磁场沿矢径方向向外传播且不再返回。 （二） 比值 EE 是一常数，并等于周围媒质的波阻抗，对自由空间 377。 （三） 辐射场随距离 r 的增加而减小，这是能量扩大到更大空间的结果。 下面考察磁流元的辐射，如图 22 所示表示磁流元。 Imdl 放置于球坐标的原点处，它与图 的电流元相对应。 图 磁流元及其坐标系 应用对偶性原理，将变量进行替换，则可得出磁流元的辐射场为： redlIjHerdlIjEjmrjms in2s in2 (23) 式中， dlλ 为磁流元的长度， Im为磁流元上的磁流。 磁流元的辐射特性与电流元的辐射特性相似，但远区场分量已改变。 对称振子的辐射 对于实际使用的大多数天线，因其电尺寸已与波长可以比拟，所以不能应用电流元的公式来计算其辐射场。 此时辐射场的计算，严格说应该根据其特定的边界条件求解麦克斯韦方程组的解。 实际中一般采用近似法中的等效传输线法，该法把对称天线认为是由开路的双线传输线张开而成，因此，在计算天线的辐射场时，天线上的电流可近似认 为按正弦律分布 (实践证实这种假设是可行的 )，其电流分布可表示为：    0),(s in 0),(s in)( zlzlI lzzlIzImm  (24) 式中， Im为天线上波腹点的电流； l 为振子一臂的长度；  2 为相移常数， λ为自由空间的波长。 在分析计算对称振子的辐射 [9]时，可 以把对称振子看成是由无数个电流为 I(z)、 长为 dz 的电流元串联而成。 利用线性媒质中电磁场的叠加定理，对称振子的辐射场是这些电流元辐射场之矢量和。 可知电流元 I(z)dz所产生的辐射场为：     rjer dzzIjdE s in)(30 (25) 将式 (25)代入上式可得位于 z 处的电流元的辐射场为： 2222111121s i n)(s i n30s i n)(s i n30dzer zlIjdEdzer zlIjdErjMrjM (26) 式中，  、 21 为单位矢量。 整个天线所产生的总场则为这许多电流元的场叠加的结果，即：  0 20 1 ll dEdEE (27) 由于场点离天线很远，可取下面的近似   21 ，   21。 在计算积分时，分母中的 rrr  21 ，但在相位因子中可取下式计算： c o sc o s21 zrr zrr (28) 将式 (28)代入 (29)并考虑以上的近似结果可得：      ])(s i n)(s i n[s i n3000 c o sc o sllrjrjrjM dzezldzezler IjE ＝      rjM ellrIj ]s i n c o s)c o sc o s ([60 (29) 根据式 (29)可以确定对称振子辐射场的大小及方向。 天线 基本参数 电路参数 天线的电路参数在本论文中只简单介绍电压驻波比 （ VSWR） ，驻波比的问题本质上也是回波损耗问题，两者的本质都是阻抗匹配问题。 图 天线与传输线系统 反射系数的定义为反射波与入射波的比值： (210) VSWR 定义为电压最大值与电压最小值之比： (211) 天线的输入阻抗为电压与电流之比，传输线上的归一化电压为入射波与反射波的复数相加，传输线上的归一化电流为入射波与反射波的复数相减。 于是： (212) 回波损耗采用反射系数负模的对数分贝来度量，即： （ 213） 说到驻波比，就顺便简单说说微波网络参量中的 S 参量。 S 参量可以在避开不现实的终端条件以及避免造成待测器件的损坏的前提下，用二端口网络的分析方法确定所有的射频器件特征。 S 参量表达的是功率波，可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入输出关系。 S 参量的两端口网络模型示意图如图 所示 ： 在线性微波网络中，由于归一化电压和电流之间呈线性关系，所以归一化入 射 波与反射波之间也呈线性关系。 设端口 1 上的归一化入射波和反射波为 a1， b1，端口 2 上的归一 化入射波和反射波为 a2， b2，则 ：   11m inm a xVVV SW R ˆ1ˆ1IVZin入射波电压或电流 反射波电压或电流反射系数  ˆlg20RL  212221 121121 aaSS SSbb (214) 或者写成矢量形式：      aSb  (215) 图 两端口网络 S 参数示意图 其中，列矩阵 [b]是归一化反射波矩阵，列矩阵 [a]是归一化入射波矩阵，方阵 [S]是两端口网络的散射矩阵，简称 S 矩阵。 各矩阵元素称散射参量，简称 S 参量，物理意义如下： 021111aabS ，为端口 2匹配时端口 1 的反射系数； 012222aabS ，为端口 1匹配时端口 2 的反射系数； 012112aabS ，为端口 2匹配时端口 1 至端口 2的反向传输系数； 021221aabS ，为端口 1匹配时端口 2 至端口 1的反向传输系数； S 参数是最能代表微波网络特性的参数，。