【正文】 .......... 39 WirelessMon 軟件的測(cè)量結(jié)果 ...................................................... 42 誤差分析 .................................................................................... 45 第 6 章 總結(jié)與展望 .............................................................................. 46 致 謝 .................................................................................................. 47 參考文獻(xiàn) ................................................................................................ 48 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 5 第 1 章 緒論 選題背景及意義 天線是 無(wú)線通訊的 前端 發(fā)射和接收 裝置 ， 其性能 影響 著 電波信號(hào)的 傳輸效果。 凡是無(wú)線 通信系統(tǒng) ，例如電視、 廣播、雷達(dá)、 GPS 導(dǎo)航 等都 需要天線 ，因此， 天線在無(wú)線通訊 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 中 具 有 十分 重要的地位。一個(gè)結(jié)構(gòu)合 理，性能優(yōu)良的 高增益 天線系統(tǒng)可以最大限度地降低對(duì)整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)的要求， 能 節(jié)約系統(tǒng)成本， 又 可以提高整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)的性能。 隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)的日趨小型化和高度集成化成為其主要的發(fā)展方向，而作為通信設(shè)備的前端關(guān)鍵部件的天線，其性能的優(yōu)越與否對(duì)整個(gè)通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)移動(dòng)終端的天線研究己成為一個(gè)重要方向并得到廣泛關(guān)注，其研究主要集中在小型化、寬頻帶以及多頻帶等。天線作為輻射和接收電磁波的重要部件，是無(wú)線系統(tǒng)中重要的組成部分。天線的優(yōu)劣直接決定通信質(zhì)量的好壞。所以沒(méi)有天線就無(wú)法建立 起任何無(wú)線電系統(tǒng)。因此，要與無(wú)線電設(shè)備發(fā)展相適應(yīng)高增益線天線陣列的研究日益活躍 [2]。 天線的主要功能： 該 能將導(dǎo)波能量 最大化 地轉(zhuǎn) 為 成電磁波能量。 為了滿足這個(gè)條件就要 要求天線是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng)， 還 要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī) 相 匹配。 盡可 能 的 使電磁波盡集中 在 確定的方向上 面 ，或 者 對(duì)確定 的方向 的 來(lái)波 能夠 最大限度地接收，即天線具有方向性。 ，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。 [3]。 研究現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們?nèi)諠u 對(duì)高性能天線的需求， 天線理論、設(shè)計(jì)及其應(yīng)用取得 了迅猛的發(fā)展， 其中 天線陣列 就 是天線中 比較重要的一類。 一 個(gè)或 多 個(gè)離散天線組成的天線系統(tǒng)稱 之 為天線陣。天線陣的形式 多種 多樣 ，根據(jù)單元的排列形式有線陣和平面陣。 天線陣列 廣泛的 被應(yīng)用于雷達(dá) 和 軍事 等領(lǐng)域 ， 其主要功能是 用來(lái)完成南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 6 空間濾波和定位。自適應(yīng)天線陣 列 是在自適應(yīng)濾波和陣列信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。自適應(yīng)陣 列是 以天線陣列為基礎(chǔ) 的，首先 取得電磁信息 ，然后 使用人工智能 化 的方法 對(duì)其 進(jìn)行 研究 處理，對(duì)電磁環(huán)境做出分析、判斷，并自動(dòng)調(diào)整本身的工作狀態(tài)使之達(dá)到最佳。 本文 研究?jī)?nèi)容及安排 本文主要內(nèi)容是高增益全向天線的設(shè)計(jì)和研究并制作一根工作在 增益在 7db 左右，駐波比小于 2 的天線。 還 介紹了用基于有限積分法的仿真軟件 CST 對(duì)高增益全向 天線進(jìn)行仿真與計(jì)算，研究了天線的輻射特性和諧振特性，在合適的頻率范圍內(nèi)，分析天線方向圖等物理參量隨不同幾何參數(shù)的變化規(guī)律，深入研究了 全向天線 的增益隨 螺旋電感圈數(shù)跟高度改變而改變的情況。首先通過(guò)對(duì)圖形進(jìn)行對(duì)比分析以及根據(jù)一系列的仿真數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一個(gè) 高增益全向天線的 實(shí)物模型，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量阻抗曲線和回波損耗曲線，與仿真所得的理論曲線進(jìn)行 比較，而后對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，總結(jié)研究結(jié)果，以證明軟件仿真方法的正確性， 隨后研究了螺旋電感 對(duì)微帶天線增益的影響，比較分析結(jié)果，最后得出結(jié)論 。 第 1 章， 緒論介紹了天線主要的應(yīng)用與研、高增益全向天線及天線陣列的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)本論文的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安排。 第 2 章， 基本理論 ： 介紹了天線的基本參數(shù)，天線陣列的相關(guān)知識(shí) 第 3 章 ， 高增益全向天線的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式，單極子天線和螺旋加載天線的特點(diǎn)。 第 4 章，有限積分法的主要計(jì)算方法和 CST 進(jìn)行天線仿真 模型的構(gòu)建以及計(jì)算并通過(guò)實(shí)物模型的制作 并結(jié)合軟硬件測(cè)試自制 天線的實(shí)際結(jié)果。分析了影響高增益天線性能的主要參數(shù)，并作出誤差分析。 第 5 章，利用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測(cè)量分析高增益全向天線的性能參數(shù)。 第 6 章，結(jié)論與展望 ： 總結(jié)本文的工作并對(duì)下一步的研究方向進(jìn)行展望。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 7 第 2 章 天線基本理論與技術(shù)發(fā)展 天線的的主要性能參數(shù) 本章 主要介紹了天線的帶寬，輻射方向圖，極化特性和增益等相關(guān)性能參數(shù)。 天線的帶寬 天線的 所有性能參數(shù)都和工作頻率有關(guān)。任何天線的工作頻率都有一定的范圍，當(dāng)工作頻率偏離中心頻率 0f 時(shí)，天線的性能參數(shù)將變差，其變差的容許程度取決于天線設(shè)備系統(tǒng)的工作特性要求。當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱之為頻帶寬度。根據(jù)天線設(shè)備系統(tǒng)的工作場(chǎng)合不同，影響天線頻帶寬度的主要性能參數(shù)也不同。 相對(duì)帶寬： 相對(duì)帶寬是指 天線的絕對(duì)帶寬與 其 工作頻帶內(nèi)的中心頻率 f的比值 。 m a x m in002f f fR ff???? （ ） 其中 fmax 是工作頻帶的上限頻率 minf 工作頻帶 的 下限頻率。 倍頻帶寬：工作頻帶的上限頻率與下限頻率 的 比 值 。 maxminfB f? （ ） 通常，相對(duì)帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線 而 相對(duì)帶寬達(dá)百分之幾十的為寬頻帶天線， 窄與寬是相對(duì)的，習(xí)慣上， fmax/fmin≥ 2 就認(rèn)為是寬頻帶天線。 輻射方向圖 天線的輻射電磁場(chǎng)在固定的距離上隨角坐標(biāo)分布的圖形，稱之為輻射方向圖。用輻射場(chǎng)強(qiáng)表示的稱為場(chǎng)強(qiáng)方向圖，用功率密 度表示的稱之為功率方向圖，用相位表示的稱之為相位方向圖。 在 實(shí)際 應(yīng)用中通常采 用功率通量密度或 者 場(chǎng)強(qiáng)的歸一值 來(lái) 表示方向圖，稱 之 為歸一化方向圖。方向圖也 可以用分貝 來(lái) 表示，稱 之 為分貝方向圖。天線方向圖是空間立體圖形，但通常是用兩個(gè)互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖表示，稱為平面方向圖。主南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 8 平面的 選取方法因問(wèn)題的不同而有所差異 。 由于地面對(duì)假設(shè)在其上的線天線影響較大 ， 一般 采用水平平面和垂直平面作主平面。在面型天線中，則采用采用的兩個(gè)主平面是 E 面和 H 面。歸一化方向圖取最大值為一。 E 面是最大輻射方向和電場(chǎng)矢量所在的平面， H 面是最大輻 射方向和磁場(chǎng)矢量所在的平面。在方向圖中，包含所需最大輻射方向的輻射波瓣叫 做 天線 的主波瓣，也稱為天線波束。主瓣之外的波瓣叫 做 副瓣或邊瓣，與主瓣 方向相反 的旁瓣叫后瓣。（如圖 ）全向天線水平波瓣和垂直波瓣圖，其天線外形為圓柱型；（如圖 ）定向天線水平波瓣和垂直波瓣圖，其天線外形為板狀。 在離某天線距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無(wú)方向性天線在同意距離處的輻射功率流密度之比為方向系數(shù)。 （ a） 全向天線水平波瓣圖 （ b）全向天線垂直波瓣圖 圖 全向天線波瓣圖 （ c）定向天線水平波瓣圖 （ d）定向天線垂直波瓣圖 圖 定向天線波瓣圖 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 9 駐波比和增益 駐波比 駐波比 的 全稱為 電壓駐波比 ， 它是行波系數(shù)的倒數(shù) ， 在入射波 與 反射波相位相同的地方，最大電壓振幅Ｖ max 為他們的電壓振幅相加 ，形成 了 波腹；在入射波 相位 和反射波相位相反的地方電壓振幅相減為最小電壓振幅Ｖ min ，形成 了 波節(jié)。其它各點(diǎn)的 振幅值則介于波腹與波節(jié)之間。這種合成波 我們 稱 之 為行駐波。 聲 壓幅值 Vmax 與波節(jié)處的聲壓幅值 Vmin 之比就是駐波比 。在 駐波管法 中，測(cè)得駐波比，就可以求出吸聲材料的聲 反射系數(shù) 和吸聲系數(shù)。 11RkSWR rk???? （ ） 反射系數(shù) Rrk Rr?? ? （ ） 式中 R 和 r 分別是輸出阻抗和輸入阻抗。當(dāng)兩個(gè)阻抗數(shù)值一樣時(shí)，即達(dá)到完全匹配，反射系數(shù) K 等于 0，駐波比為 1。這是一種理想的狀況，實(shí)際上總存在反射，所以駐波比總是大于 1 的。 駐波比就是一個(gè)數(shù)值，用來(lái)表示天線和電波發(fā)射臺(tái)是否匹配。 若 SWR 的值等于 1， 則 表示發(fā)射傳輸給天線的電波沒(méi)有 發(fā)生 任何反射，全部發(fā)射出去，這是 討論中最為理想的情況 。如果 SWR 值大于 1，則表示有一部分電波反射 了 回來(lái)， 這些被反射回來(lái)的波 最終變成 了 熱量，使得饋線 溫度升高 。被反射的電波在發(fā)射臺(tái)輸出口也可產(chǎn)生相當(dāng)高的電壓，有可能損壞發(fā)射臺(tái)。 天線增益 用來(lái)衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，它是 描述 天線 性能 重要的參數(shù)。 它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 通常來(lái)講 ， 提高增益的方法 主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度 ，而在水平面上保持全向的輻射性能。表征天線增益的參數(shù)有 dBd 和 dBi。 DBi 是相對(duì)于點(diǎn)源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的； dBd 相對(duì)于對(duì)稱陣子天線的增益 dBi=dBd+。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 10 天線主瓣寬度越窄，增益越高。對(duì)于一般天線，可用下式估算其增益： ? ?( ) 10 l g 32 00 0 / ( 2 3 , 2 3 , )G dB i dB E dB H???? () 式中， 2θ3dB,E 與 2θ3dB,H 分別為天線在兩個(gè)主平面上的波瓣寬度；32021 是統(tǒng)計(jì)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于直立全向天線，有近似計(jì)算式 0( ) 10 lg[ 2 / ]G dBi L ?? () 式中， L 為天線長(zhǎng)度； λ0 為中心工作波 極化特性 極化特性是指天線在主輻射方向遠(yuǎn)距離點(diǎn)上所觀察到的輻射平面波的極化特性。接收天線的極化特性與它用作發(fā)射天線時(shí)的極化特性相同。 為了獲得最大傳輸功率，發(fā)射天線與接收天線的極化特性應(yīng)該一致，如果發(fā)射天線和接收天線的極化特性不一致，傳輸效率就會(huì)降低，這稱為極化失配 。 天線的極化就是當(dāng)天線發(fā)射時(shí)，在給定方向輻射波的極化，其方向就是天線輻射電磁波電 場(chǎng)矢量的瞬時(shí)指向。通常，天線的極化特性在主瓣上保持相對(duì)恒定，而用主瓣峰的極化方式來(lái)表示天線主極化方式，天線的極化類型分為線極化、圓極化和橢圓極化。 圖 極化類型 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 11 天線的波瓣寬度 定向天線中常用的且比較重要的一個(gè)參數(shù)就是波瓣寬度 ， 主要 是指天線輻射圖中 所有 低于峰值 3dB 處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個(gè)方向收發(fā)信號(hào)能力的一個(gè)指標(biāo)，通常以圖形方式表示為功率強(qiáng)度與夾角的關(guān)系）。天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對(duì)應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。主要涉及兩個(gè)方面水平波瓣寬度和垂直平面波瓣寬度。水 平平面的半功率角（ HPlane Half Power beamwidth） :(45176。 ,60176。 ,90176。等 )定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大 ,在扇區(qū)交界處的覆蓋越好，但是當(dāng)提高天線傾角時(shí)，也越容易發(fā)生波束畸變 ,形成越區(qū)覆蓋。角度越小，在扇區(qū)交界處覆蓋越差。提高天線傾角可以在移動(dòng)程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對(duì)而言，不容易產(chǎn)生對(duì)其他小區(qū)的越區(qū)覆蓋 。 天線陣列的研究 天線陣列的原理 單一天線的方向性是有限的，為適合各種場(chǎng)合的應(yīng)用，將工作在同一頻率的兩個(gè)或兩個(gè)以上的單個(gè)天線，按照一定的 要求