【文章內(nèi)容簡介】 ................................................. 51 參考文獻 .............................................................. 52 第 1 頁 第一章 緒論 論文研究的意義和目的 微帶天線具有低剖面、重量輕、體積小、易與飛行器共形，以及易與有源器件和微波電路集成的特點，廣泛應用于衛(wèi)星通信、雷達、移動通信、以及各種無線設備中。但微帶天線本身具有窄頻帶、品質(zhì)因數(shù)高、低效率的缺點，在很大程度上限制了它的應用，特別是在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及軍用寬帶無線 系統(tǒng)的發(fā)展中，要求天線具有更寬的帶寬。如何改善上述的缺點，充分利用優(yōu)點已經(jīng)成為目前通信領(lǐng)域里重要的研究課題。 [1] 本論文即是圍繞微帶天線超寬帶化進行的，主要是利用 HFSS 微波仿真軟件對工作在超寬帶并可獲得良好特性的微帶線饋電貼片天線進行分析和研究，并討論了該天線的尺寸、結(jié)構(gòu)等對天線性能的影響。 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 現(xiàn)代意義上的超寬帶 UWB（ Ultra Wide Band）無線電技術(shù)，出現(xiàn)于上個世紀 60年代，但是當時有關(guān)其的應用一直僅限于軍事、災害搜救搜尋雷達定位和測距等方向。20xx 年 2 月 14 日， 超寬帶無線電技術(shù)首次獲得美國聯(lián)邦通信委員會（ FCC）等批準用于民用通信，從而引起了世界各國的關(guān)注，從 1998 年開始， FCC 對于超寬帶無線電設備對所有原有無線電通訊設備的干擾和其相互共存的問題開展了一系列廣泛的征求業(yè)界意見，在有軍方和航空界等許多不同意見的情況下， FCC 仍然決定開放了 UWB技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域的應用許可，這一點充分證明了此項技術(shù)具有的寬廣的應用前景和巨大的市場。 目前，國際上有關(guān) UWB 的在短距離無線通信領(lǐng)域的研究已經(jīng)步入了指定行業(yè)標準的階段， 工作組已經(jīng)收到很多種方 案。 UWB 通信技術(shù)目前采用的主要調(diào)制方式有： PAM（脈沖幅度調(diào)制）， OOK（通斷鍵控調(diào)制）， THPPM（跳時脈位調(diào)制），TH/DSBPSK（跳時 /直擴二進制移頻鍵控調(diào)制）。通過綜合考慮方案的可靠性，有效性和多址性等影響因素后，在以上四種調(diào)制方式中目前采用最多的是后面兩種 THPPM和 TH/DSBPSK 調(diào)制方式。這兩種調(diào)制方式的不同在于采用匹配濾波器的單用戶檢測 第 2 頁 情況下， TH/DSBPSK 的性能要優(yōu)于 THPPM，而對于 TH/DSBPSK 來講，在通信速率高時，應該優(yōu)先選用 DSBPSK 方式，在速率低時 ，由于 THBPSK 受到的遠近效應的影響比較小，因此應該選用該調(diào)制方式。而在使用 MMSE 檢測方式的多用戶接收機應用的情況下，這兩種調(diào)解方式差別不大。以往和超寬帶通信相關(guān)的研究主要集中在雷達技術(shù)的相關(guān)應用方面，以及在 UWB 天線， UWB 通信雷達信號的檢測和高功率窄脈沖等方面也取得了比較多的科研成果。但是在我國的電磁兼容的環(huán)境下，該技術(shù)如何和以往傳統(tǒng)通信技術(shù)相容共存應用乃至于頻譜的分化規(guī)則的制定都是急需解決的問題。 [2] 本文研究的主要內(nèi)容 本課題在查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎上，選擇一種可以滿足指標要求 的小型化的超寬帶準自補天線進行深入研究，并對部分尺寸對天線性能的影響進行了仿真和分析。 1. 介紹了天線的分類和理論基礎以及基本性能參數(shù)，如方向性、極化、駐波比、增益、輸入阻抗，頻帶寬度等。 ，基本的分析方法和饋電方式 ，并介紹了超寬帶技術(shù)工作原理和幾種基本的結(jié)構(gòu)原理，從而為后續(xù)的討論提供資料支持。 4. 對給定的天線借助 HFSS 仿真軟件結(jié)合分頻段仿真的方法進行分析，實現(xiàn)了工作頻率帶寬為 的準自補超寬帶天 線，同時討論了部分尺寸對天線性能的影響，并給出仿真軟件理論分析結(jié)果，數(shù)值仿真結(jié)果表明該天線在 頻段內(nèi)，駐波比小于 10dB。 第 3 頁 第二章 天線基礎理論 天線的定義和分類 天線（ antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送 能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有互易性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線，同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。 天線的大致分類： 。 、廣播天線、電視天線、雷達天線等。 、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線、微波天線等。 。 天線電磁理論基礎 天線的理論基礎是以下的麥克斯韋方程： SdtDJldH Sl ????????? ????? ?? (21) SdtBldEl S ??????? ? (22) ? ??S 0SdB (23) ? ??S qSdD (24) 上述四個方程為麥克斯韋方程的積分形式，它們對應的微分形式為 第 4 頁 JtBH ?????? （ 25） tBE ?????? （ 26） 0B??? （ 27） ????D （ 28） 麥克斯韋第一方程式是全電流定律，第二方程是電磁感應定律，第三方程是高斯定律，第四方程是磁通連續(xù)性定理。由微分形式麥克斯韋方程可以看出，時變電磁場的時變電場是有旋有散的，時變磁場是有旋無散的。時變電場的方向與時變磁場的方向處處相互垂直。時變電磁場是有旋有散場。 為了完整地描述時變電磁場的特性，麥克斯韋方程還包 括說明電荷以及電流關(guān)系的電荷守恒定律以及說明場量與媒質(zhì)特性關(guān)系的方程，即： tJ ?????? ?? (29) ED ?? (210) HB ?? (211) 39。JEJ ??? (212) 其中， 39。J 代表時變電磁場的電流源或非電的外源。 麥克斯韋方程是宏觀電磁學的基礎，它是關(guān)于場的定量數(shù)學描述，方程的形式是簡單的，但其所包含的意義卻是十分豐富的。 [3] 在已知源分布的情況下， E ,H ,D ,B 四個矢量一共有 12 個分量，根據(jù)式 27，當 AB ??? (213) 帶入式 26得 tAE ?????? ? (214) 第 5 頁 上式中， A 為矢量位， φ為標量位。 A 和 φ共有四個分量。任意一個矢量場，如果只給出它的旋度，則這個矢量場并不是唯一的，做出如下規(guī)定 0tA ?????? ??? (215) 這種關(guān)系被稱為洛侖茲規(guī)則。應用洛侖茲規(guī)則可以得到矢量位 A 和標量位 φ滿足的波方程 Jt AA 222 ??? ????? (216) ?????? t ????? 222 (217) 這兩個方程形式相同，依然具有一定的任意性，可以做適當?shù)淖儞Q而保持電磁場兩 E ,B 不變換，這就是洛侖茲規(guī)范的不變性。 在無源區(qū)域， 0J? ， ρ=0，當取適當?shù)?A 和 φ可以得到庫倫規(guī)范 0A??? (218) 也就是說，在無源區(qū)域電磁場只有兩個獨立的分量，這是引入赫茲矢量位的基礎。引入極化矢量 P tPJ ??? P ???? (219) Maxwell 方程變?yōu)? tBE ?????? (220) ? ?PDtH ?????? (221) ?PE ?????? (222) 0H??? (223) 簡單總結(jié)解題方法如下：由已知的源函數(shù)求輔助位函數(shù)，由已知電流分布 J(R)求解矢量位 A。磁場強度 第 6 頁 AH ????1 (225) 電場強度 tAtdA1E ??????? ??? (226) 對于時諧場 ?????? ?????? Ak1AjE 2? (227) Poynting 矢量 ??? HE21S / ，總輻射能量為 [2] dsHE21dsSeRPSS????? ???? ? (228) 圖 電流輻射問題的場矢量 天線性能參數(shù) 方向圖 天線輻射的功率有些方向大，有些方向小。表示這種輻射功率大小在空間的分布圖，稱為方向圖。不同形式的天線，它們的方向圖也不相同。如果把天線在各方向輻射的強度用從原點出發(fā)的矢量長短來表示，則連接全部矢量端點所形成的包面，就是天線的方向圖。它顯示天線在不用方向輻射的相對大小。這種方向圖是一個三維的立x y z r r39。 源區(qū) J v39。 R=rr39。 場點 第 7 頁 體圖形，因而被稱為立體方向圖。任何通過原點的平面，與立 體方向圖相交的輪廓稱為天線在該平面的平面方向圖。工程上一般采用兩個相互正交的主平面上的方向圖來表示天線的方向性，這兩個主平面稱為 E 面和 H面。 E面是通過天線最大輻射方向并平行與電場矢量的平面， H 面是通過天線最大輻射方向并垂直與 E面的平面。下圖表示七元八木天線的幾種方向圖，向徑的方向代表輻射的方向，向徑的長短代表輻射的強度。 圖 31 (a)七元八木天線 (b)三維球坐標場強方向圖 (c)三維直角坐標場強方向圖 元天線產(chǎn)生于遠區(qū)的電場強度與磁場強度為： rjrz e2IdjdE ?? ??? ?? s in （ V/m） （ 229） rjrz e2IdjdH ?? ?? ?? s in (V/m) （ 230） 從式 229 和 230 看出，天線在遠區(qū)輻射具有如下的性質(zhì)： （ 1） 電場和磁場都與 re rj?? 成正比。等相位面是一個球面，球心位于元天線中心。 （ 2） 空間任一點的電場與磁場同相。 （ 3） 電場矢量沿θ方向，磁場矢量沿φ方向，且兩矢量均與球面相切。 （ 4） 當電流不變時，電場和磁場的大小與波長λ成反比。 由圖 32 我們可以看到，方向圖中有許多波瓣，其中包含最大輻射方向的波瓣稱為主瓣，其他一次為第一副瓣，第二副瓣等。 天線輻射是否集中，可以用主瓣寬度這一特性參量來表示。主瓣中輻射強度（即功率密度）為最大值一半的兩個徑向之間的夾角（圖中的 ? ）稱為主瓣寬度。主瓣寬度愈小，方向圖愈尖銳，表示天線輻射愈集中。 第 8 頁 圖 32 天線典型方向圖 副瓣的最大值相對于主瓣最大值的比稱為副瓣電 平，一般用分貝來表示。如下式： msEE20SLL lg? (dB)