【正文】 線 （ 電 纜 ） 輸 送 到 天 線 ， 由 天線 以 電 磁 波 形 式 輻 射 出 去 。對(duì) 于 眾 多 品 種 的 天 線 ， 進(jìn) 行 適 當(dāng) 的 分 類 是 必 要 的 ： 按 用 途 分 類 ， 可 分 為 通 信 天線 、 電 視 天 線 、 雷 達(dá) 天 線 等 ； 按 工 作 頻 段 分 類 ， 可 分 為 短 波 天 線 、 超 短 波 天 線 、微 波 天 線 等 ； 按 方 向 性 分 類 ， 可 分 為 全 向 天 線 、 定 向 天 線 等 ； 按 外 形 分 類 ， 可分 為 線 狀 天 線 、 面 狀 天 線 等 [1]。 天 線 性 能 的 優(yōu) 劣 直 接 決 定 無(wú) 線 通 信 系 統(tǒng) 通 信 質(zhì)量 的 好 壞 。 另 外 ， 狹 小 的 空 間 內(nèi) 密 布 多 副 天 線 ， 相 互 之 間 的 干 擾 較 為嚴(yán) 重 ， 影 響 通 信 質(zhì) 量 。 與 此 相 適 應(yīng) ， 通 信 設(shè) 備 日 趨 寬 帶 化 ，臺(tái) 站 設(shè) 施 也 由 最 初 的 點(diǎn) 對(duì) 點(diǎn) 、 一 點(diǎn) 對(duì) 多 點(diǎn) 發(fā) 展 到 移 動(dòng) 和 全 球 漫 游 。 最 近 幾 十 年 ， 隨 著 無(wú) 線 通 信 技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展 ， 對(duì) 天 線 技 術(shù) 提 出 了 越 來(lái) 越高 的 要 求 。 天 線 是 無(wú) 線 電 通 信 和 探 測(cè) 系 統(tǒng) 中 必 不 可 少 的 重 要 組 成 部 分 。 它 把 被 導(dǎo) 電 磁 波 轉(zhuǎn) 變 為 自 由 空 間 的 無(wú) 線電 波 (在 發(fā) 射 系 統(tǒng) 中 )， 或 者 做 相 反 的 變 換 (在 接 收 系 統(tǒng) 中 )， 從 而 在 任 意 兩 點(diǎn)之 間 實(shí) 現(xiàn) 電 磁 信 號(hào) 的 傳 遞 。 天 線 理 論 與 技 術(shù) 已 經(jīng) 有 了很 長(zhǎng) 的 發(fā) 展 歷 史 ， 無(wú) 數(shù) 的 學(xué) 者 研 制 出 了 能 滿 足 各 種 無(wú) 線 電 系 統(tǒng) 要 求 的 天 線 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 8 頁(yè)采 用 該 技 術(shù) 的 超 寬 帶 通 信 系 統(tǒng) 可 以 提 供 數(shù) 字 話 音 、 數(shù) 據(jù) 和 視 頻 業(yè) 務(wù) ， 可 以 在 非常 復(fù) 雜 的 多 徑 環(huán) 境 中 很 好 地 完 成 定 位 和 識(shí) 別 ， 可 以 在 較 高 鏈 路 丟 失 環(huán) 境 中 提 供存 活 通 信 手 段 。 從 電 視 、 廣 播 、移 動(dòng) 通 信 、 到 雷 達(dá) 、 導(dǎo) 航 、 氣 象 、 定 位 、 衛(wèi) 星 ， 再 到 軍 事 領(lǐng) 域 中 的 制 導(dǎo) 武 器 、電 子 對(duì) 抗 等 領(lǐng) 域 取 得 了 極 為 豐 碩 的 研 究 成 果 。 這 種 天 線 可 以 工 作 在 12GHz， 而 且 具 有 準(zhǔn) 全 向 輻 射特 性 ， 群 延 時(shí) 差 值 不 到 ns。2022年 有 人 研 究 了 一 種 帶 有 分 形 調(diào) 節(jié) 柄 的 微 帶 槽 隙 天 線 ， 其 阻 抗 帶 寬 為 ， 具 有 全 向 輻 射 特 性 。 本文研究的主要內(nèi)容本 文 研 究 了 用 基 于 有 限 元 法 [8]的 仿 真 軟 件 HFSS 軟 件 對(duì) 超 寬 帶 單 極 子 天 線進(jìn) 行 仿 真 計(jì) 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(nèi) ， 分析 天 線 S 參 數(shù) 、 方 向 圖 等 物 理 參 量 隨 不 同 幾 何 參 數(shù) 的 變 化 規(guī) 律 ， 通 過(guò) 圖 形 方 式進(jìn) 行 了 對(duì) 照 分 析 。 最 后 總 結(jié) 研 究 結(jié) 果 ， 說(shuō) 明 天 線 的 應(yīng) 用 價(jià) 值 。第 三 章 介 紹 了 有 限 元 法 的 電 磁 計(jì) 算 方 法 。 第 七 章 給 出 結(jié) 論 并 對(duì) 課 題 未 來(lái) 的 發(fā) 展 做 出 了 展 望 。Bw=2 (2l)???????FCDRPA5LHf其 中 是 天 線 操 作 頻 帶 的 上 端 ， 是 對(duì) 應(yīng) 的 下 端 。 超寬帶天線的特點(diǎn)在 窄 帶 通 信 系 統(tǒng) 里 ， 傳 統(tǒng) 的 天 線 參 數(shù) ， 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(shù) 、 增 益 、 極 化 等 等 ， 被 用 來(lái) 評(píng) 估 天 線 的 技 術(shù) 性能 ， 因 此 天 線 工 程 師 只 要 根 據(jù) 這 些 參 數(shù) 的 確 定 就 能 評(píng) 估 天 線 。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(gè) 工 作 頻 帶 內(nèi) 相 位 中 心 不 變 。 如 式 (12)所 定 義的 UWB 天 線 的 效 率 ， 其 中 激 勵(lì) 源 功 率 和 回 波 損 耗 ， 而 且 海 域 源 脈incPf（ ） 1)Sf沖 的 頻 譜 有 關(guān) 。 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(shí) 饋 線 終 端沒(méi) 有 功 率 反 射 ， 饋 線 上 沒(méi) 有 駐 波 ， 天 線 的 輸 入 阻 抗 隨 頻 率 的 變 化 比 較 平 緩 。 一 般 移 動(dòng) 通 信 天 線 的 輸入 阻 抗 為 50Ω 。 過(guò) 大 的 駐 波 比 會(huì) 減 小 基 站 的 覆 蓋 并 造成 系 統(tǒng) 內(nèi) 干 擾 加 大 ， 影 響 基 站 的 服 務(wù) 性 能 。 在 移 動(dòng) 通 信 系 統(tǒng) 中 ， 一 般 要 求 回 波 損 耗 大 于 14dB。 天 線 方 向 圖 是 在 遠(yuǎn) 場(chǎng) 區(qū) 確定 的 ， 所 以 又 叫 遠(yuǎn) 場(chǎng) 方 向 圖 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 13 頁(yè)第 3 章 基于有限元法的電磁場(chǎng)計(jì)算方法　有限元法原理介紹有 限 元 法 （ FEA， Finite Element Analysis） 是 用 較 簡(jiǎn) 單 的 問(wèn) 題 代 替 復(fù) 雜問(wèn) 題 后 再 求 解 。 有 限 元 是 那 些 集 合 在 一 起 能 夠 表 示 實(shí) 際 連 續(xù) 域 的 離 散 單 元 ?！∮邢拊ǖ闹饕蠼膺^(guò)程對(duì) 于 不 同 物 理 性 質(zhì) 和 數(shù) 學(xué) 模 型 的 問(wèn) 題 ， 有 限 元 求 解 法 的 基 本 步 驟 是 相 同 的 ，只 是 具 體 公 式 推 導(dǎo) 和 運(yùn) 算 求 解 不 同 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 14 頁(yè)第 三 步 ： 確 定 狀 態(tài) 變 量 及 控 制 方 法 ： 一 個(gè) 具 體 的 物 理 問(wèn) 題 通 常 可 以 用 一 組 包含 問(wèn) 題 狀 態(tài) 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(jià) 的 泛 函 形 式 。 例 如 ， 單 元 形 狀 應(yīng) 以 規(guī) 則為 好 ， 畸 形 時(shí) 不 僅 精 度 低 ， 而 且 有 缺 秩 的 危 險(xiǎn) ， 將 導(dǎo) 致 無(wú) 法 求 解 。 聯(lián) 立方 程 組 的 求 解 可 用 直 接 法 、 選 代 法 和 隨 機(jī) 法 。 前 處 理 是 建立 有 限 元 模 型 ， 完 成 單 元 網(wǎng) 格 劃 分 ； 后 處 理 則 是 采 集 處 理 分 析 結(jié) 果 ， 使 用 戶 能簡(jiǎn) 便 提 取 信 息 ， 了 解 計(jì) 算 結(jié) 果 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 15 頁(yè) 基于有限元法的電磁仿真技術(shù)HFSSAnsoft HFSS 是 世 界 上 第 一 個(gè) 商 業(yè) 化 的 三 維 結(jié) 構(gòu) 電 磁 場(chǎng) 仿 真 軟 件 ， 可 分 析仿 真 任 意 三 維 無(wú) 源 結(jié) 構(gòu) 的 高 頻 電 磁 場(chǎng) ， 可 直 接 得 到 特 征 阻 抗 、 傳 播 常 數(shù) 、 S參數(shù) 及 電 磁 場(chǎng) 、 輻 射 場(chǎng) 、 天 線 方 向 圖 等 結(jié) 果 。 利 用 Ansoftlinks接 口 設(shè) 計(jì) 師 可 將 HFSS和 現(xiàn) 有的 EDA和 MCAD設(shè) 計(jì) 流 結(jié) 合 起 來(lái) 。 直 觀 的 分 析 設(shè) 置 和 高 級(jí) 的 分 析 控 制 確 保 在 全 自動(dòng) 化 方 式 下 獲 得 設(shè) 計(jì) 師 所 希 望 的 設(shè) 計(jì) 結(jié) 果 。 視 窗 、 對(duì) 話 方 塊 、 工 具 欄 、 甚 至 菜 單 均 可 被 用 戶 通 過(guò) 配 量 缺 省 來(lái) 支持 個(gè) 性 化 叁 數(shù) 定 義 。 HFSS軟 件 擁 有 強(qiáng) 大 的 天 線 設(shè) 計(jì) 功 能 ， 它 可 以 計(jì) 算 天 線 參 量 ， 如 增 益 、 方 向性 、 遠(yuǎn) 場(chǎng) 方 向 圖 剖 面 、 遠(yuǎn) 場(chǎng) 3D圖 和 3dB帶 寬 ； 繪 制 極 化 特 性 ， 包 括 球 形 場(chǎng) 分 量 、圓 極 化 場(chǎng) 分 量 、 Ludwig第 三 定 義 場(chǎng) 分 量 和 軸 比 。 HFSS有三 種 解 算 類 型 ， 第 一 種 是 模 式 驅(qū) 動(dòng) ， 根 據(jù) 波 導(dǎo) 模 式 的 入 射 和 反 射 功 率 表 示 S參數(shù) 矩 陣 的 解 ； 第 二 種 是 終 端 驅(qū) 動(dòng) ， 根 據(jù) 傳 輸 線 終 端 的 電 壓 和 電 流 表 示 S參 數(shù) 矩陣 的 解 ； 第 三 種 是 本 征 模 ， 求 解 物 理 結(jié) 構(gòu) 的 諧 振 頻 率 以 及 這 些 諧 振 頻 率 下 的 場(chǎng)模 式 。 指 定 平 面 設(shè) 置 邊 界 條 件 （ HFSSBoundariesAssign） 。 HFSS主 要 有 波 端口 和 集 中 端 口 ， 而 在 高 速 設(shè) 計(jì) 中 ， 使 用 波 端 口 的 情 況 比 較 多 。 數(shù) 據(jù) 處 理 （ HFSSResults） 。 通 過(guò) 在 單 極 子 平 面 兩 側(cè) 添 加 兩 個(gè) 臂 ， 可 使 天 線 出 現(xiàn) 另 一 個(gè) 峰 值 ，并 且 通 過(guò) 添 加 和 改 變 切 口 的 尺 寸 ， 可 以 產(chǎn) 生 和 調(diào) 整 新 的 諧 振 頻 率 點(diǎn) ， 從 而 可 以實(shí) 現(xiàn) 超 寬 帶 工 作 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 18 頁(yè)圖 天線正面圖 天線側(cè)面南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 19 頁(yè) 仿真模型的構(gòu)建在 HFSS 軟 件 中 構(gòu) 建 天 線 的 3 維 圖 形 。圖 設(shè)置求解類型南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 20 頁(yè)在 菜 單 欄 中 點(diǎn) 擊 3D ModelerUnits， 在 圖 設(shè) 置 模 型 單 位 ， 然 后 點(diǎn) 擊OK按 鈕 。 在 坐 標(biāo) 欄 中 輸 入 長(zhǎng) 、 寬 ： dX： 8， dY： 按 回 車 鍵 ,畫 出 一 個(gè) 矩 形 Rectangle1。在 菜 單 欄 中 點(diǎn) 擊 EditSelectBy Name,如 圖 示 ， 按 Ctrl選 中Rectangle1和 Rectangle2， 然 后 點(diǎn) 擊 OK。 將 理 想 邊 界 命 名 為PerfE1， 點(diǎn) 擊 OK確 認(rèn) 。 輸 入 坐 標(biāo) 按回 車 鍵 ， 坐 標(biāo) 分 別 為 X： ,Y： 0,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： 27,Z： 0； X： ,Y： 27,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X： ,Y： 30,Z： 0； X：,Y： 27,Z： 0； X： ,Y： 27,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： ,Z： 0； X： ,Y： 0,Z： 0； X： ,Y： 0,Z： 0； 右 擊 選 擇 Close Polylin閉 合 曲 線 ， 畫 出 如 圖 示 圖 形 ：南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 22 頁(yè)圖 在 菜 單 欄 中 點(diǎn) 擊 EditSelectBy Name,選 中 Polyline1， 然 后 點(diǎn) 擊 OK。創(chuàng) 建 介 質(zhì) 板 ， 在 菜 單 欄 中 點(diǎn) 擊 DrawBox， 創(chuàng) 建 長(zhǎng) 方 體 模 型 。圖 　天線屬性界面南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 24 頁(yè)圖 將 平 面 切 換 成 XZ平 面 ， 在 菜 單 欄 中 點(diǎn) 擊 DrawRectangle,創(chuàng) 建 矩 形 模 型 。 在 坐 標(biāo) 欄 中輸 入 起 始 坐 標(biāo) ： X:,Y:,Z: 按 回 車 鍵 。 將 輻 射 邊 界 命 名 為 Rad1， 點(diǎn) 擊 OK確 認(rèn) ， 如 圖 。 在 坐 標(biāo) 欄 中 輸 入 長(zhǎng) 、 寬 、 厚 ： dX： 14， dY： ， dZ： 4； 按 回 車 鍵 ,畫 出 一 個(gè) 長(zhǎng) 方 體 Box2。 在 菜 單 欄 中 點(diǎn) 擊 HFSSExcitationAssignWave Port。 模型的仿真與運(yùn)行 模型仿真過(guò)程模 型 創(chuàng) 建 完 成 ， 進(jìn) 行 求 解 設(shè) 置 ， 在 菜 單 欄 中 點(diǎn) 擊 HFSSAnalysis SetupAdd Solution Setup。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）第 30 頁(yè)(2)從 S11曲 線 可 以 看 出 ， 曲 線 在 兩 個(gè) 頻 率 　 　 　 出 現(xiàn) 低 峰 值 ， 因 此 天 線 可以 十 分 有 效 地 工 作 這 兩 個(gè) 頻 率 的 附 近 范 圍 。 從 方 向 圖 中 可 以 看 出 ， 在 XY平 面上 天 線 是 全 向 的 。 本 章 對(duì) 上 面 天 線 的 兩 個(gè) 對(duì) 稱 臂 進(jìn) 行 改 造 ， 得 到 如 圖 所 示 的 天 線 結(jié) 構(gòu) 模 型