【正文】 .......... 39 WirelessMon 軟件的測量結(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 ................................................................................................ 48 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 5 第 1 章 緒論 選題背景及意義 天線是 無線通訊的 前端 發(fā)射和接收 裝置 ， 其性能 影響 著 電波信號的 傳輸效果。 凡是無線 通信系統(tǒng) ，例如電視、 廣播、雷達、 GPS 導(dǎo)航 等都 需要天線 ，因此， 天線在無線通訊 系統(tǒng)的設(shè)計 中 具 有 十分 重要的地位。一個結(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整個無線系統(tǒng)的要求， 能 節(jié)約系統(tǒng)成本， 又 可以提高整個無線系統(tǒng)的性能。 隨著現(xiàn)代無線通信技術(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)越與否對整個通信質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此，對移動終端的天線研究己成為一個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。所以沒有天線就無法建立 起任何無線電系統(tǒng)。因此，要與無線電設(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。 為了滿足這個條件就要 要求天線是一個良好的電磁開放系統(tǒng)， 還 要求天線與發(fā)射機或接收機 相 匹配。 盡可 能 的 使電磁波盡集中 在 確定的方向上 面 ，或 者 對確定 的方向 的 來波 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 對高性能天線的需求， 天線理論、設(shè)計及其應(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 個或 多 個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 和 軍事 等領(lǐng)域 ， 其主要功能是 用來完成南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 6 空間濾波和定位。自適應(yīng)天線陣 列 是在自適應(yīng)濾波和陣列信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。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 對其 進行 研究 處理，對電磁環(huán)境做出分析、判斷，并自動調(diào)整本身的工作狀態(tài)使之達到最佳。 本文 研究內(nèi)容及安排 本文主要內(nèi)容是高增益全向天線的設(shè)計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 對高增益全向 天線進行仿真與計算，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。首先通過對圖形進行對比分析以及根據(jù)一系列的仿真數(shù)據(jù)，設(shè)計了一個 高增益全向天線的 實物模型，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量阻抗曲線和回波損耗曲線，與仿真所得的理論曲線進行 比較，而后對仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行分析研究，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，并對本論文的結(jié)構(gòu)進行安排。 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 第 3 章 ， 高增益全向天線的特點和實現(xiàn)方式，單極子天線和螺旋加載天線的特點。 第 4 章，有限積分法的主要計算方法和 CST 進行天線仿真 模型的構(gòu)建以及計算并通過實物模型的制作 并結(jié)合軟硬件測試自制 天線的實際結(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)本文的工作并對下一步的研究方向進行展望。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計說明書（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，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，天線的有關(guān)參數(shù)變化的程度在所允許的范圍內(nèi)，此時對應(yīng)的頻率范圍稱之為頻帶寬度。根據(jù)天線設(shè)備系統(tǒng)的工作場合不同，影響天線頻帶寬度的主要性能參數(shù)也不同。 相對帶寬： 相對帶寬是指 天線的絕對帶寬與 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，相對帶寬只有百分之幾的為窄頻帶天線 而 相對帶寬達百分之幾十的為寬頻帶天線， 窄與寬是相對的，習(xí)慣上， fmax/fmin≥ 2 就認為是寬頻帶天線。 輻射方向圖 天線的輻射電磁場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。用輻射場強表示的稱為場強方向圖，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 實際 應(yīng)用中通常采 用功率通量密度或 者 場強的歸一值 來 表示方向圖，稱 之 為歸一化方向圖。方向圖也 可以用分貝 來 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) 計說明書（論文） 8 平面的 選取方法因問題的不同而有所差異 。 由于地面對假設(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矢量所在的平面， H 面是最大輻 射方向和磁場矢量所在的平面。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) 計說明書（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)兩個阻抗數(shù)值一樣時，即達到完全匹配，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。 駐波比就是一個數(shù)值，用來表示天線和電波發(fā)射臺是否匹配。 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， 這些被反射回來的波 最終變成 了 熱量，使得饋線 溫度升高 。被反射的電波在發(fā)射臺輸出口也可產(chǎn)生相當(dāng)高的電壓，有可能損壞發(fā)射臺。 天線增益 用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，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 是相對于點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的； dBd 相對于對稱陣子天線的增益 dBi=dBd+。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 10 天線主瓣寬度越窄，增益越高。對于一般天線，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 分別為天線在兩個主平面上的波瓣寬度；32021 是統(tǒng)計出來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。對于直立全向天線，有近似計算式 0( ) 10 lg[ 2 / ]G dBi L ?? () 式中， L 為天線長度； 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距離點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，傳輸效率就會降低，這稱為極化失配 。 天線的極化就是當(dāng)天線發(fā)射時，在給定方向輻射波的極化，其方向就是天線輻射電磁波電 場矢量的瞬時指向。通常，天線的極化特性在主瓣上保持相對恒定，而用主瓣峰的極化方式來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) 計說明書（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方向收發(fā)信號能力的一個指標(biāo)，通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關(guān)系）。天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對應(yīng)方向上的覆蓋半徑有關(guān)。主要涉及兩個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，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程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對而言，不容易產(chǎn)生對其他小區(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，為適合各種場合的應(yīng)用，將工作在同一頻率的兩個或兩個以上的單個天線，按照一定的 要求