【正文】 祝各位老師，各位同學工作順利、生活幸福。他的淵博知識和嚴謹治學，讓我在進行本課題的過程中 受 益匪淺 ，為我的本科學習畫上了圓滿的句號。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 47 結束語 本文首先 從應用的角度，介紹了天線、特別是 帶狀線饋電寬帶單極子 天線的一般概念 ， 討論了天線的基本參數(shù)、 匹配性、電磁場與微波電路等等 。 改善后天線各項參數(shù)的分析 優(yōu)化改善了匹配性，但優(yōu)化是否會對諸如方向性等指標產(chǎn)生影響，從而符合在 中提出的“在不惡化天線增益、方向性的前提下，改善天線的匹配性”的優(yōu)化原則呢？所以還需要對優(yōu)化后天線的各項參數(shù)進行 全面的 分析。 經(jīng)大量實驗，確定 在不改變下底和高的情況下， 當上底為 19mm 時可以得到 相對 較 低 的回波損耗 。如圖（圖 330）所示： 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 37 圖 330(a1) 矩形帶狀線單極子天線 圖 330(a2) 矩形帶狀線單極子天線的 回波損耗 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 38 圖 330(a1) 上底為 5mm的梯形帶狀線單極子天線 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 39 圖 330(a1) 上底為 5mm的梯形帶狀線單 極子天線的 回波損耗 從實驗結果可以看出， 其駐波比雖說滿足實驗要求，但 上底小于下底的梯形 天線 性能有了較大幅度的下降，而矩形天線也有小幅度的下降 。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 33 圖 324 開槽帶狀線饋電寬帶單極子天線 仿真此天線， 在 3－ 11GHz 上與上節(jié)相同設置下 得到的 回波損耗 如圖（圖325）所示： 圖 325 開槽 后 天線 的 回波損耗 實驗結果顯示開槽后天線的性能也沒有大幅度的改變，故初步證明假設的成立 。根據(jù)上一節(jié)的結論，對底板的修改不應過大，這里以 2mm為步進，對原天線 進行修改， 取 寬 18mm 和原天線進行對比，取長 38mm 和原天線進行對比。要想 通過改變天線結構來改善天線 的匹配性能 ，必須對 天線結構參數(shù) 施加人為的 改變 ，造成特定的 對比 觀察的條件， 從而確定改善天線性能的方向 。 改善方案 天線結構優(yōu)化的基本原則 天線結構的優(yōu)化一直是一個困擾工程師的難題，隨著計算機科學的發(fā)展，近年來興起的 遺傳算法 輔助解決了這一問題。原天線的電流 分布 如 圖（圖321）所示。 根據(jù)設計指標的要求和改進結構的需要，仿真分析應該包括回波損耗、駐波比、史密斯阻抗圓圖、方向圖、增益、電流分布。第一第三層的接地板長為 40mm，寬為 20mm。 它用不同的色深來表示輻射的強度。為了得到輻射方向圖，還必須勾選 Radiation Pattern 項。 這里，繪制了一個十分簡單的“ 條帶單極子 ”天線（圖 ）。建立多邊形并定義端口后，可調用仿真引南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 16 擎 IE3D 執(zhí)行電磁仿真。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 15 第 3章 仿真與分析 經(jīng)過二十多年來的發(fā)展，隨著計算機處理能力的迅猛發(fā)展，計算電磁學已經(jīng)由上世紀 6080 年代 的純理論研究階段轉入全面實用化階段，并出現(xiàn)了一系列基于不同算法、相對成熟的商用軟件，即所謂的“全波電磁場計算軟件”或“微波電路 CAD 工具”。例如，一個右旋圓極化接收天線和一個右旋圓極化波是極化匹配的。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 13 圖 波的各種極化狀態(tài)（波朝著觀察者而來） 天線的極化 天線的極化是天線發(fā)射時所輻射的波的極化，于是，可以將對波的極化的討論直接應用于天線。線 極化又分為垂直極化（圖 )和水平極化（圖 )。一個平面波的極化，是指在某個固定的觀察點上時變電場的軌跡圖。天線的頻帶寬度指的是其主要電指標如輸入阻抗、增益、主瓣寬度、副瓣電平、極化特性等均滿足設計要求時的頻率范圍。 在 IE3D 中，通過仿真分析，可以很方便的得到天線的增益。 圖 天線的波瓣圖 增益 所謂天線增益不是指天線像晶體管那樣的有源器件。這樣已經(jīng)足夠表示天線的方向性和給出必要和有用的數(shù)據(jù)，同時也大大減少了繪制天線方向圖的計算開銷。從理論層面看，方向函數(shù)是核心；從工程角度看，方向圖是關鍵；如果只允許用一個數(shù)字描述天線方向性的強弱，則非方向系數(shù)莫屬?；夭〒p耗的值在 0dB的到∞之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。 駐波比 駐波比 是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在 1 到 ∞ 之間。 為了減少轉換 能量 時的反射損耗，盡可能的把能量 發(fā)射出去 ，天線的輸入阻抗應與饋線匹配 （如圖 ） 。既然如此，我們通常將天線視作發(fā)射天線進行分析，因為這樣做比直接分析接收天線要簡便許多?；谶@種觀點，天線將被作為一種這種裝置具有最小的電抗儲能將導波能量轉化成輻射能量的裝置（如圖 ）。 其次，天線的方向性 也是 天線工作時的一個重要特征。 第三章： 仿真與 分析。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 3 美國 Zeland 公司的矩量法軟件 IE3D（如圖 ） 的部分核心算法是基于積分方程的矩量法，采用離散復鏡像法和迭代法求解矩陣方程而大大提高計算的效率和精度；該軟件對多層介質、金屬混合結構平面電路的分析特別有效，已被廣泛用于各種平面電路與單片微波集成電路（ MMIC）設計、高速電路封裝互連的參數(shù)提取、微波電路不連續(xù)性分析、平面天線設計等領域中。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，隨著計算機處理能力的迅猛發(fā)展，計算電磁學已經(jīng)由上世紀 6080 年代的純理論研究階段轉入全面實用化階段，并出現(xiàn)了一系列基于不同算法、比較成熟的數(shù)值計算軟件，即所謂的“全波電磁場計算軟件”或“微波電路 CAD 工具” [3]。超寬帶電磁學指出，時域電磁波也是人類非常重要的自然資源，而且是尚待開發(fā)、非常寶貴的自然資源。 圖 無線通信系統(tǒng)中天線的位置 天線品種 繁多，以 滿足 不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。其基本理論電磁場與微波理論逐漸成熟，而其分析和設計方法卻不斷推陳出新，展現(xiàn)出了蓬勃的活力。 30 改善方案 11 波的極化 10 天線的頻帶性 6 駐波比 1 天線的一般概念 全文主要內容與貢獻如下： （ 1）論文首先探討了 帶狀線饋電寬帶單極子 天線的概念、基本理論和性能參數(shù)，為 帶狀線饋電寬帶單極子 天線的設計提供了理論依據(jù)和分析基礎；（ 2）在理論研究的基礎上，以經(jīng)典的 條帶單極子 天線為研究對象，利用全波電磁場計算軟件進行大量的輔助計算，從多個方面考慮天線結構的優(yōu)化； （ 3）最后， 在大量的實驗仿真數(shù)據(jù)計算后，實驗結果與理論假設良好的吻合表明，本文的設計是成功的 。提出一個帶狀線饋電寬帶 梯形 單極子天線的寬帶的設計去改善帶寬和減少印刷單極子天線的長度。 IE3D 目 錄 第 1 章 緒論 42 改善后天線性能評價 可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。它把被導電磁波轉變?yōu)樽杂煽臻g的無 線電波（在發(fā)射系統(tǒng)中），或者做相反的變南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 2 換（在接收系統(tǒng)中），從而在任意兩點之間實現(xiàn)無線電信號的傳遞。 電磁場數(shù)值計算與微波電路 CAD 軟件 簡介 由上述的研究背景可見，各種新型天線層出不窮、結構千差萬異。 R. F. Harrington 在《計算電磁場的矩量法》一書中對其原理及過程進行了詳盡的介紹。主要包括寬帶定向天線及電磁仿真軟件介紹，詳細介紹了移動通信用寬帶定向天線的基本概念，并列舉了多種電磁仿真軟件的分類應用及介紹了 IE3D 軟件的基本理論。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第 2章 天線的基本參數(shù) 掌握天線的設計，就必須掌握表征天線性能的主要參數(shù)。極化方式包括水平極化、垂直極化、正交極化等?！敖邮铡睍r聚焦性能好的透鏡若用于“發(fā)射”，則產(chǎn)生的平行光束質量也高；反之亦然。同時， 它是頻率的函數(shù)，隨頻率的變化而不同。在本文后續(xù)章節(jié)的分析中，輸入阻抗可以從 IE3D 軟件仿真的史密斯圓圖上得到。 從理論上精確計算每個輻射天線元的自阻抗與互阻抗特性非常困難，而在天線設計的過程中， 可以 用 IE3D 等電磁仿真軟件來得到天線的駐波比 VSWR。所以， 天線還可以被是視為一種 有特定方向的 “輻射器”（如圖 ）。 三維方向圖形象、直觀，尤其是三維極 坐標方向圖的方向感與空間實際完全一致。其中含最大輻射方向的波瓣稱為主瓣，其他依次稱為旁瓣（邊瓣）、后瓣（尾瓣）等。 也 可以這樣來理解增益的物理含義 —— 為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號。 在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比 SWR 不超過 2 時，天線的工作頻率范圍 [8]。天線的極化是指在最大輻射方向上遠區(qū)電場的極化。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 12 圖 某瞬間垂直極化波場強空間分布（實線為電力線，虛線為磁力線） 一般來說，在固定的觀測點上看到的電場矢量末端（箭頭）的軌跡多半是橢圓形，故橢圓極化為普遍情形。如果旋轉是逆時針的，那么它是右 旋圓極化。 IE3D 在仿真分析時，可以很好的完成它們的測量。由于無線電波的極化形式是由發(fā)射天線以及傳播過程中的條件決定的，因此，在設計某一信南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 14 道兩端的收、發(fā)天線時，需針對傳播條件考慮天線的極化形式，以滿足極化匹配的要求。這一系列的套件能夠無縫的集成到 IE3D 中，是通過Zeland Program Manager 來實現(xiàn)的（見圖 ）。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 17 圖 矩形 的參數(shù)對話框 由上可見，在 IE3D 中繪制平面天線是比較簡單的。首先 用 Mgrid打開“ 條帶 單極子 .geo”幾何結構文件 。首先可以通過 Display南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 20 菜單中的 2D Pattern 來得到平面方向圖，在對話框中可以設置為 查看 3GHz 時 Phi為 0 度處的極坐標方向圖（如圖 ）。在三維電流分布圖中，顏色越深的部分電流越強，反之越弱，并且箭頭方向即為電流方向。從計算效率和精度要求出發(fā)，仿真起始 頻率為 3GHz，截止頻率為 11 GHz，離散步進頻率 ，共仿真 41 個 點 。 南京郵電大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 27 圖 319原天線在 － 原元天線 的增益如圖 320所示，完全符合在工作頻帶（ － ）內增益不低于 2dBi 的要求。所以應該考慮在保證天線原有性能不惡化的情況下， 使 天線的工作頻帶能向更低的頻段延伸。 有比較才能鑒別 ， 運用對比 試驗 法 ， 就是將某個要研究的事物 （如改善后天線性能） 同一個已經(jīng)確定知道其結果的事物 （如原天線性能） 作對比，以便確定某種因素的影響。因此，修改尺寸時應該盡可能的小，半徑、邊長的修改應該控