一種超寬帶天線的設計與研究畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 S 軟 件 對 超 寬 帶 單 極 子 天 線進 行 仿 真 計 算 ， 研 究 天 線 的 幾 何 尺 寸 和 寬 頻 帶 特 性 ， 在 合 適 的 頻 率 范 圍 內 ， 分析 天 線 S 參 數 、 方 向 圖 等 物 理 參 量 隨 不 同 幾 何 參 數 的 變 化 規 律 ， 通 過 圖 形 方 式進 行 了 對 照 分 析 。 根 據 仿 真 數 據 ， 本 文 設 計 并 研 究 了 兩 種 類 型 的 超 寬 帶 天 線 ，一 種 是 帶 兩 個 對 稱 臂 的 矩 形 平 面 單 極 子 天 線 ， 另 一 種 是 彎 折 結 構 的 平 面 單 極 子天 線 。 通 過 矢 量 網 絡 分 析 儀 測 量 阻 抗 曲 線 和 回 波 損 耗 曲 線 ， 與 理 論 曲 線 進 行 比較 。 這 兩 種 天 線 具 有 低 剖 面 結 、 結 構 簡 單 、 寬 頻 帶 、 小 型 化 、 易 于 制 造 等 諸 方面 的 優 點 。 最 后 總 結 研 究 結 果 ， 說 明 天 線 的 應 用 價 值 。 主要章節安排首 先 就 課 題 研 究 的 背 景 和 意 義 做 出 說 明 。 第 一 章 總 體 的 介 紹 了 下 開 選 題 背 景 、意 義 及 研 究 現 狀 。 第 二 章 主 要 介 紹 了 超 寬 帶 天 線 的 基 本 概 念 ， 性 能 參 數 及 特 點 。第 三 章 介 紹 了 有 限 元 法 的 電 磁 計 算 方 法 。 第 四 章 對 一 個 超 寬 帶 天 線 設 計 和 研 究 。第 五 章 主 要 介 紹 了 新 型 超 寬 帶 單 極 子 天 線 的 研 究 ， 并 分 析 其 各 項 特 性 。 第 六 章介 紹 模 型 制 作 及 用 網 絡 分 析 儀 對 其 進 行 測 試 ， 并 與 仿 真 結 果 進 行 比 較 ， 說 明 其研 究 意 義 。 第 七 章 給 出 結 論 并 對 課 題 未 來 的 發 展 做 出 了 展 望 。南京工程學院畢業設計說明書（論文）第 10 頁第 2 章 超寬帶天線的基礎理論 超寬帶天線的基本概念顧 名 思 義 ， 超 寬 帶 天 線 擁 有 很 高 的 帶 寬 。 目 前 ， 有 兩 種 較 為 流 行 的 超 寬 帶 天線 的 定 義 。 第 一 種 由 DARPA 在 1990 年 定 義 的 ， 其 相 對 帶 寬 為 25%， 第 二 種 是最 近 由 FCC 定 義 的 ， 其 相 對 帶 寬 是 20%。Bw=2 (2l)???????FCDRPA5LHf其 中 是 天 線 操 作 頻 帶 的 上 端 ， 是 對 應 的 下 端 。 另 外 ， FCC 又 把 操 作Hf Lf帶 寬 大 于 等 于 50OMHz 的 天 線 定 義 為 超 寬 帶 天 線 。 按 照 FCC 的 標 準 ， 天 線 的 操作 頻 帶 的 上 端 和 下 端 分 別 定 義 為 天 線 的 輻 射 功 率 從 峰 值 下 降 一 10dB 對 應 的 點 。嚴 格 的 講 ， FCC 的 定 義 沒 有 規 定 天 線 的 帶 寬 ， 因 為 天 線 的 輻 射 功 率 也 依 賴 于 發射 功 率 的 頻 譜 響 應 。 超寬帶天線的特點在 窄 帶 通 信 系 統 里 ， 傳 統 的 天 線 參 數 ， 例 如 輸 入 阻 抗 匹 配 、 效 率 、 波 瓣 指 向 、波 瓣 寬 度 、 副 瓣 電 平 、 方 向 系 數 、 增 益 、 極 化 等 等 ， 被 用 來 評 估 天 線 的 技 術 性能 ， 因 此 天 線 工 程 師 只 要 根 據 這 些 參 數 的 確 定 就 能 評 估 天 線 。 但 是 在 超 寬 帶 應用 中 ， 由 于 天 線 發 射 窄 脈 沖 序 列 ， 系 統 要 求 天 線 的 相 對 帶 寬 很 寬 ， 情 況 就 變 得很 復 雜 ， 因 此 超 寬 帶 天 線 也 就 有 了 不 同 于 傳 統 窄 帶 、 寬 帶 天 線 的 一 些 技 術 特 點 ，主 要 表 現 如 下 ：在 工 作 帶 寬 內 要 保 證 UWB 天 線 具 有 很 好 的 匹 配 抗 ， 這 要 求 UWB 天 線 在 整個 工 作 頻 帶 內 駐 波 電 壓 比 低 而 平 穩 。 駐 波 電 壓 比 （ VSWR） 是 衡 量 天 線 輸 入 /輸出 之 間 阻 抗 匹 配 額 的 參 數 ， 要 求 在 工 作 帶 寬 內 ， 駐 波 電 壓 比 越 小 越 好 ， 既 要 求天 線 的 反 射 波 很 小 。 同 時 ， 在 UWB 脈 沖 源 輸 出 端 安 裝 一 個 隔 離 器 ， 以 減 小 天 線反 射 波 對 脈 沖 源 的 影 響 。要 使 輻 射 的 極 窄 脈 沖 波 形 盡 量 不 失 真 ， 盡 量 減 小 頻 率 色 散 和 空 間 色 散 ， 這 就要 求 UWB 天 線 在 整 個 工 作 頻 帶 內 相 位 中 心 不 變 。 相 位 中 心 的 變 化 可 能 會 導 致 發射 脈 沖 失 真 和 接 收 機 的 性 能 變 壞 。南京工程學院畢業設計說明書（論文）第 11 頁圖 對數周期天線（左上）發出色散電磁波（右上）橢圓偶極子 UWB 天線（左下）發出非色散電磁波（右下）在 工 作 帶 寬 內 天 線 要 保 證 具 有 高 而 穩 定 的 輻 射 效 率 。 尤 其 是 對 于 移 動 設 備 的UWB 通 信 ， 由 于 設 備 功 率 受 限 ， 則 對 功 率 穩 定 性 要 求 更 高 。 如 式 (12)所 定 義的 UWB 天 線 的 效 率 ， 其 中 激 勵 源 功 率 和 回 波 損 耗 ， 而 且 海 域 源 脈incPf（ ） 1)Sf沖 的 頻 譜 有 關 。 為 了 增 加 輻 射 效 率 ， 在 工 作 帶 寬 內 要 求 源 脈 沖 電 路 和 UWB 天線 之 間 有 很 好 的 阻 抗 匹 配 。 (2—2)????210_0incuwbtransincPfSfdf?????在 工 作 帶 寬 內 天 線 還 要 保 持 具 有 穩 定 的 天 線 增 益 、 極 化 ， 在 各 個 頻 點 上 的 功率 方 向 圖 要 大 致 相 同 。 超寬帶天線的主要參數 天線的輸入阻抗天 線 的 輸 入 阻 抗 是 天 線 饋 電 端 輸 入 電 壓 與 輸 入 電 流 的 比 值 。 天 線 與 饋 線 的 連接 ， 最 佳 情 形 是 天 線 輸 入 阻 抗 是 純 電 阻 且 等 于 饋 線 的 特 性 阻 抗 ， 這 時 饋 線 終 端沒 有 功 率 反 射 ， 饋 線 上 沒 有 駐 波 ， 天 線 的 輸 入 阻 抗 隨 頻 率 的 變 化 比 較 平 緩 。 天線 的 匹 配 工 作 就 是 消 除 天 線 輸 入 阻 抗 中 的 電 抗 分 量 ， 使 電 阻 分 量 盡 可 能 地 接 近南京工程學院畢業設計說明書（論文）第 12 頁饋 線 的 特 性 阻 抗 。 匹 配 的 優 劣 一 般 用 四 個 參 數 來 衡 量 ， 即 反 射 系 數 ， 行 波 系 數 ，駐 波 比 和 回 波 損 耗 ， 四 個 參 數 之 間 有 固 定 的 數 值 關 系 ， 使 用 哪 一 個 純 出 于 習 慣 。在 我 們 日 常 維 護 中 ， 用 的 較 多 的 是 駐 波 比 和 回 波 損 耗 。 一 般 移 動 通 信 天 線 的 輸入 阻 抗 為 50Ω 。 駐波比它 是 行 波 系 數 的 倒 數 ， 其 值 在 1到 無 窮 大 之 間 。 駐 波 比 為 1， 表 示 完 全 匹 配 ；駐 波 比 為 無 窮 大 表 示 全 反 射 ， 完 全 失 配 。 在 移 動 通 信 系 統 中 ， 一 般 要 求 駐 波 比小 于 ， 但 實 際 應 用 中 VSWR應 小 于 。 過 大 的 駐 波 比 會 減 小 基 站 的 覆 蓋 并 造成 系 統 內 干 擾 加 大 ， 影 響 基 站 的 服 務 性 能 。 回 波 損 耗 ： 它 是 反 射 系 數 絕 對 值 的倒 數 ， 以 分 貝 值 表 示 。 回 波 損 耗 的 值 在 0dB的 到 無 窮 大 之 間 ， 回 波 損 耗 越 小 表示 匹 配 越 差 ， 回 波 損 耗 越 大 表 示 匹 配 越 好 。 0表 示 全 反 射 ， 無 窮 大 表 示 完 全 匹配 。 在 移 動 通 信 系 統 中 ， 一 般 要 求 回 波 損 耗 大 于 14dB。 方向圖方 向 圖 是 方 向 性 函 數 的 圖 形 表 示 ， 他 可 以 形 象 描 繪 天 線 輻 射 特 性 隨 著 空 間 方向 坐 標 的 變 化 關 系 。 輻 射 特 性 有 輻 射 強 度 、 場 強 、 相 位 和 極 化 。 通 常 討 論 在 遠場 半 徑 為 常 數 的 大 球 面 上 ， 天 線 輻 射 （ 或 接 收 ） 的 功 率 或 者 場 強 隨 位 置 方 向 坐標 的 變 化 規 律 ， 并 分 別 稱 為 功 率 方 向 圖 和 場 方 向 圖 。 天 線 方 向 圖 是 在 遠 場 區 確定 的 ， 所 以 又 叫 遠 場 方 向 圖 。方 向 性 函 數 繪 制 出 的 方 向 圖 稱 為 歸 一 化 方 向 圖 ， 采 用 無 量 綱 的 相 對 值 或 分 貝表 示 。 方 向 圖 有 二 維 和 三 維 方 向 圖 。 三 維 方 向 圖 分 為 球 坐 標 三 維 方 向 圖 和 直 角坐 標 三 維 方 向 圖 ， 二 維 方 向 圖 分 為 極 坐 標 方 向 圖 和 直 角 坐 標 方 向 圖 兩 種 。南京工程學院畢業設計說明書（論文）第 13 頁第 3 章 基于有限元法的電磁場計算方法　有限元法原理介紹有 限 元 法 （ FEA， Finite Element Analysis） 是 用 較 簡 單 的 問 題 代 替 復 雜問 題 后 再 求 解 。 它 將 求 解 域 看 成 是 由 許 多 稱 為 有 限 元 的 小 的 互 連 子 域 組 成 ， 對每 一 單 元 假 定 一 個 合 適 的 (較 簡 單 的 ） 近 似 解 ， 然 后 推 導 求 解 這 個 域 總 的 滿 足條 件 (如 結 構 的 平 衡 條 件 ） ， 從 而 得 到 問 題 的 解 。 這 個 解 不 是 準 確 解 ， 而 是 近 似解 ， 因 為 實 際 問 題 被 較 簡 單 的 問 題 所 代 替 。 由 于 大 多 數 實 際 問 題 難 以 得 到 準 確解 ， 而 有 限 元 不 僅 計 算 精 度 高 ， 而 且 能 適 應 各 種 復 雜 形 狀 ， 因 而 成 為 行 之 有 效的 工 程 分 析 手 段 。 有 限 元 是 那 些 集 合 在 一 起 能 夠 表 示 實 際 連 續 域 的 離 散 單 元 。 有 限 元 的 概 念早 在 幾 個 世 紀 前 就 已 產 生 并 得 到 了 應 用 ， 例 如 用 多 邊 形 （ 有 限 個 直 線 單 元 ） 逼近 圓 來 求 得 圓 的 周 長 ， 但 作 為 一 種 方 法 而 被 提 出 ， 則 是 最 近 的 事 。 有 限 元 法 最初 被 稱 為 矩 陣 近 似 方 法 ， 應 用 于 航 空 器 的 結 構 強 度 計 算 ， 并 由 于 其 方 便 性 、 實用 性 和 有 效 性 而 引 起 從 事 力 學 研 究 的 科 學 家 的 濃 厚 興 趣 。 經 過 短 短 數 十 年 的 努力 ， 隨 著 計 算 機 技 術 的 快 速 發 展 和 普 及 ， 有 限 元 方 法 迅 速 從 結 構 工 程 強 度 分 析計 算 擴 展 到 幾 乎 所 有 的 科 學 技 術 領 域 ， 成 為 一 種 豐 富 多 彩 、 應 用 廣 泛 并 且 實 用高 效 的 數 值 分 析 方 法 。　有限元法的主要求解過程對 于 不 同 物 理 性 質 和 數 學 模 型 的 問 題 ， 有 限 元 求 解 法 的 基 本 步 驟 是 相 同 的 ，只 是 具 體 公 式 推 導 和 運 算 求 解 不 同 。 有 限 元 求 解 問 題 的 基 本 步 驟 通 常 為 ：第 一 步 ： 問 題 及 求 解 域 定 義 ： 根 據 實 際 問 題 近 似 確 定 求 解 域 的 物 理 性 質 和 幾何 區 域 。第 二 步 ： 求 解 域 離 散 化 ： 將 求 解 域 近 似 為 具 有 不 同 有 限 大 小 和 形 狀 且 彼 此 相連 的 有 限 個 單 元 組 成 的 離 散 域 ， 習 慣 上 稱 為 有 限 元 網 絡 劃 分 。 顯 然 單 元 越 小（ 網 絡 越 細 ） 則 離 散 域 的 近 似 程 度 越 好 ， 計 算 結 果 也 越 精 確 ， 但 計 算 量 及 誤 差都 將 增 大 ， 因 此 求 解 域 的 離 散 化 是 有 限 元 法 的 核 心 技 術 之 一 。南京工程學院畢業設計說明書（論文）第 14 頁第 三 步 ： 確 定 狀 態 變 量 及 控 制 方 法 ： 一 個 具 體 的 物 理 問 題 通 常 可 以 用 一 組 包含 問 題 狀 態 變 量 邊 界 條 件 的 微 分 方 程 式 表 示 ， 為 適 合 有 限 元 求 解 ， 通 常 將 微 分方 程 化 為 等 價 的