高增益全向天线的设计解剖Word格式.docx
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高增益全向天线的设计
指导者:
***教授
评阅者:
***讲师
2013年6月南京
DesignontheHigh-gainOmnidirectionalAntennas
ADissertationSubmittedto
NanjingInstituteofTechnology
FortheAcademicDegreeofBachelorofScience
By
JianjunLu
Supervisedby
Prof.QiWang
CollegeofCommunicationEngineering
NanjingInstituteofTechnology
June2013
摘要
本课题设计和研究了一种高增益全向天线,天线采用分段线结构,并用电感线圈进行加载,有效增益达到7dB左右,可工作在频率为2.4GHz附近且在工作频率范围内驻波比小于2。
课题的主要工作是分析了天线产生高增益的基本原理,研究阵列结构和加载技术,通过改变阵列之间距离的加载大小,实现在水平面方向图的压缩。
本研究主要采用基于有限积分法的电磁仿真技术来实现,并通过CST仿真技术对天线的方向图和回波损耗进行研究得到相关数据。
在仿真计算的基础上,构建天线的实验模型,对影响天线特性的主要因素进行了仿真比较研究,得出一些重要结论。
通过制作实物模型,并用矢量网络分析仪来测出数据,验证仿真结果的正确性,结果表现出较好的一致性。
设计过程中还通过软、硬件相结合的方法,测量了天线的辐射特性,进一步验证了所设计天线的高增益性能。
关键词:
全向天线,阵列,高增益,方向图,驻波比,CST
Abstract
Ahighgainomni-directionalunipoleantennaisstudiedinthispaper.Theantennaadoptsthesegmentedlinestructureandusesinductivecoilforloading.Theeffectivegainoftheantennacanreachto7dBanditcanworkinthefrequencybandof2.4GHzandtheVSWRislessthan2.Themaintaskofthepaperistoanalyzethebasictheoryofthehighgainantenna.Thearraystructureandloadingtechniquesarealsoinconsideration.Throughchangingthedistancebetweenthearraysegments,theradiationpatterncanbecompressedinhorizontaldirection.ThisresearchadoptselectromagneticsimulationtechnologyCSTtorealize,whichisbasedonthemethodoffiniteintegral.ThroughtheCSTsimulation,Icangettherelationshipofreturnlossvsfrequncyandotherrelevantdata.accordingtothesimulation,optimizationandanalyses,theauthorconstructedaexprimentmodelandmeasureditsvoltagestationalwaveratiobyusingthevectornetworkanalyzerandgoodresultshasbeenseen.Theauthoralsoadopttheindirectmethodofcombingthesoftwarewiththehardwaretomeasuretheantennaradiationcharacteristicsoftheantenna.Itisprovedthattheantennahasthepropertyofthehigh-gainantenna.
Keywords:
Omni-directionalantenna,Array,HighGain,Pattern,VSWR,CST
第1章绪论
1.1选题背景及意义
天线是无线通讯的前端发射和接收装置,其性能影响着电波信号的传输效果。
凡是无线通信系统,例如电视、广播、雷达、GPS导航等都需要天线,因此,天线在无线通讯系统的设计中具有十分重要的地位。
一个结构合理,性能优良的高增益天线系统可以最大限度地降低对整个无线系统的要求,能节约系统成本,又可以提高整个无线系统的性能。
随着现代无线通信技术的飞速发展,通信系统的日趋小型化和高度集成化成为其主要的发展方向,而作为通信设备的前端关键部件的天线,其性能的优越与否对整个通信质量起着至关重要的作用。
因此,对移动终端的天线研究己成为一个重要方向并得到广泛关注,其研究主要集中在小型化、宽频带以及多频带等。
天线作为辐射和接收电磁波的重要部件,是无线系统中重要的组成部分。
天线的优劣直接决定通信质量的好坏。
所以没有天线就无法建立起任何无线电系统。
因此,要与无线电设备发展相适应高增益线天线阵列的研究日益活跃[2]。
天线的主要功能:
1.天线应该能将导波能量最大化地转为成电磁波能量。
为了满足这个条件就要要求天线是一个良好的电磁开放系统,还要求天线与发射机或接收机相匹配。
2.天线应尽可能的使电磁波尽集中在确定的方向上面,或者对确定的方向的来波能够最大限度地接收,即天线具有方向性。
3.天线应能发射或接受规定极化的电磁波,即天线有适当的极化。
4.天线应有足够的工作频率[3]。
1.2研究现状
随着现代科学技术的不断发展以及人们日渐对高性能天线的需求,天线理论、设计及其应用取得了迅猛的发展,其中天线阵列就是天线中比较重要的一类。
一个或多个离散天线组成的天线系统称之为天线阵。
天线阵的形式多种多样,根据单元的排列形式有线阵和平面阵。
天线阵列广泛的被应用于雷达和军事等领域,其主要功能是用来完成空间滤波和定位。
自适应天线阵列是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的。
自适应阵列是以天线阵列为基础的,首先取得电磁信息,然后使用人工智能化的方法对其进行研究处理,对电磁环境做出分析、判断,并自动调整本身的工作状态使之达到最佳。
1.3本文研究内容及安排
本文主要内容是高增益全向天线的设计和研究并制作一根工作在2.4G增益在7db左右,驻波比小于2的天线。
还介绍了用基于有限积分法的仿真软件CST对高增益全向天线进行仿真与计算,研究了天线的辐射特性和谐振特性,在合适的频率范围内,分析天线方向图等物理参量随不同几何参数的变化规律,深入研究了全向天线的增益随螺旋电感圈数跟高度改变而改变的情况。
首先通过对图形进行对比分析以及根据一系列的仿真数据,设计了一个高增益全向天线的实物模型,通过矢量网络分析仪测量阻抗曲线和回波损耗曲线,与仿真所得的理论曲线进行比较,而后对仿真数据和实验数据进行分析研究,总结研究结果,以证明软件仿真方法的正确性,随后研究了螺旋电感对微带天线增益的影响,比较分析结果,最后得出结论。
第1章,绪论介绍了天线主要的应用与研、高增益全向天线及天线阵列的研究现状和发展趋势,并对本论文的结构进行安排。
第2章,基本理论:
介绍了天线的基本参数,天线阵列的相关知识
第3章,高增益全向天线的特点和实现方式,单极子天线和螺旋加载天线的特点。
第4章,有限积分法的主要计算方法和CST进行天线仿真模型的构建以及计算并通过实物模型的制作并结合软硬件测试自制天线的实际结果。
分析了影响高增益天线性能的主要参数,并作出误差分析。
第5章,利用网络矢量分析仪测量分析高增益全向天线的性能参数。
第6章,结论与展望:
总结本文的工作并对下一步的研究方向进行展望。
第2章天线基本理论与技术发展
2.1天线的的主要性能参数
本章主要介绍了天线的带宽,辐射方向图,极化特性和增益等相关性能参数。
2.1.1天线的带宽
天线的所有性能参数都和工作频率有关。
任何天线的工作频率都有一定的范围,当工作频率偏离中心频率
时,天线的性能参数将变差,其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求。
当工作频率变化时,天线的有关参数变化的程度在所允许的范围内,此时对应的频率范围称之为频带宽度。
根据天线设备系统的工作场合不同,影响天线频带宽度的主要性能参数也不同。
1、相对带宽:
相对带宽是指天线的绝对带宽与其工作频带内的中心频率f的比值。
(2.1)
其中fmax是工作频带的上限频率
工作频带的下限频率。
2、倍频带宽:
工作频带的上限频率与下限频率的比值。
(2.2)
通常,相对带宽只有百分之几的为窄频带天线而相对带宽达百分之几十的为宽频带天线,窄与宽是相对的,习惯上,fmax/fmin≥2就认为是宽频带天线。
2.1.2辐射方向图
天线的辐射电磁场在固定的距离上随角坐标分布的图形,称之为辐射方向图。
用辐射场强表示的称为场强方向图,用功率密度表示的称之为功率方向图,用相位表示的称之为相位方向图。
在实际应用中通常采用功率通量密度或者场强的归一值来表示方向图,称之为归一化方向图。
方向图也可以用分贝来表示,称之为分贝方向图。
天线方向图是空间立体图形,但通常是用两个互相垂直的主平面内的方向图表示,称为平面方向图。
主平面的选取方法因问题的不同而有所差异。
由于地面对假设在其上的线天线影响较大,一般采用水平平面和垂直平面作主平面。
在面型天线中,则采用采用的两个主平面是E面和H面。
归一化方向图取最大值为一。
E面是最大辐射方向和电场矢量所在的平面,H面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。
在方向图中,包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫做天线的主波瓣,也称为天线波束。
主瓣之外的波瓣叫做副瓣或边瓣,与主瓣方向相反的旁瓣叫后瓣。
(如图2.1)全向天线水平波瓣和垂直波瓣图,其天线外形为圆柱型;
(如图2.2)定向天线水平波瓣和垂直波瓣图,其天线外形为板状。
在离某天线距离处,天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同意距离处的辐射功率流密度之比为方向系数。
(a)全向天线水平波瓣图(b)全向天线垂直波瓣图
图2.1全向天线波瓣图
(c)定向天线水平波瓣图(d)定向天线垂直波瓣图
图2.2定向天线波瓣图
2.1.3驻波比和增益
驻波比
驻波比的全称为电压驻波比,它是行波系数的倒数,在入射波与反射波相位相同的地方,最大电压振幅Vmax为他们的电压振幅相加,形成了波腹;
在入射波相位和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin,形成了波节。
其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。
这种合成波我们称之为行驻波。
声压幅值Vmax与波节处的声压幅值Vmin之比就是驻波比。
在驻波管法中,测得驻波比
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