【文章內(nèi)容簡介】 進行饋電和空間排列構(gòu)成天線陣列，也叫天線陣。構(gòu)成天線陣的天線輻射單元稱為陣元。 天線陣的工作原理可以看成是電磁波（電磁場）的疊加。對幾列電磁波來講，當它們傳到同一區(qū)域時，按照疊加原理，電磁波將產(chǎn)生矢量疊加。疊加結(jié)果不僅與各列電磁波的振幅大小有關(guān)，而且與它們在相遇區(qū)間內(nèi)相互之間的相位差有關(guān)。 我們知道，電磁波的相位組成包含三部分：時間相位，空間相位，初相位。就初相位來講，當發(fā)射天線和工作頻率確定后，其初相位就是確定的，而在幾列電磁波相遇的時刻，時間相位也是確定的，只有空間相位可能發(fā)生變化，因為組成天線陣列 的各單元天線位置不同，各自發(fā)出的電磁波傳到同一接收區(qū)域時所走的空間路徑不同，這樣就會造成空間相位的數(shù)值大小不相同。正是由于位于不同位置上的發(fā)射天線所發(fā)出的電磁波傳到同一接收區(qū)域造成的空間相位出現(xiàn)差別，必然引起幾列電磁波在相遇區(qū)域形成同相位疊加，總場強增強，反相位疊加，總場強削弱。若總場強的增強和削弱區(qū)域在空間保持相對固定，就相當于用天線陣改變了單個天線的輻射場結(jié)構(gòu)，這就是天線陣改變輻射場大小和方向性的原理。 南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 12 天線陣列的分類 天線陣列也可以按照天線元的連接方式分類。相控陣的所有元都連接到饋 線，對于單個天線元，還有相位偏移、功率分配和阻抗匹配等問題，但是他們都接收來自于饋線的功率（假設(shè)為發(fā)射天線）。由于發(fā)射機提供了用于 “驅(qū)動 ”各個天線元的功率，因此這種天線也叫 “ 被驅(qū)動陣列 ” 。另一方面，有些天線陣列中只有一個天線元與饋線想連接，而其他元的工作則是吸收和轉(zhuǎn)射來自被驅(qū)動天線元的輻射功率，這些天線元叫做 “ 寄生元 ” ，這種天線叫做 “ 寄生陣列 ” 。 相控陣按最大輻射方向，可分為垂射和端射兩種。如果天線陣列的最大輻射方向與天線的主軸（這個主軸并不一定與其中單個天線元的主軸相同）相垂直，則稱這種天線為垂射天線陣列 ；如果最大輻射方向沿著天線的主軸， 就 稱為端射天線。 （ 1） 直排陣列 直排陣列是垂射陣列的一種類型，各天線元的軸沿著同一條直線放置。以半波偶極子直排陣列為例，所有天線元在陣列主軸方向上都沒有能量輻射，因此在這個方向上沒有信號；但在陣列的一側(cè)所有天線單元都有能量輻射（要考慮相位問題）。 直排陣列天線安裝時，通常是主軸垂直放置。它們在水平方向上是全方向性的，但是在垂直平面內(nèi)的輻射角較小。因此，它們適合制作很好的移動無線系統(tǒng)基站天線。許多蜂窩無線系統(tǒng)和 PCS 系統(tǒng)的基站使用的是直排陣列。 （ 2）垂直陣列 將天線單元按 多列同向排列，陣列的主軸與單元的主軸垂直，也能組成一個垂射陣列，安裝時使主軸垂直放置。次陣列中天線元雖然不是直排的，但仍然是同相位。與直排陣列不同的是它們的極化方式。以偶極子天線陣列為例，相鄰天線元間距為半個波長，并且饋線交叉連接。直排陣列是垂直極化天線，而垂射陣列是水平極化的。 （ 3）端射陣列 以偶極子天線為例，將上述垂射陣列中各相鄰天線元的饋線交叉連接改為平行連接，使得與每個天線元前后相鄰的兩個天線的相位差為 180 度，因此來自一個天線元的輻射在垂射方向上與相鄰的輻射抵消，在離開天線南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 13 端點的方向上，來自天線 元的所有輻射將疊加起來。這種天線安裝一般使其主軸水平，并使其輻射處于一個方向上。這種天線的極化方向取決與所使用天線單元的極化方向。 （ 4） 繞桿式天線 以偶極天線元為例，繞桿式天線在水平面內(nèi)獲得全向的性能，并且極化方式是水平的。偶極天線的饋電相位之差是 90 度。 繞桿式天線經(jīng)常用于 FM 廣播接收，在這種應用中，繞桿式天線不需要轉(zhuǎn)子就可以在各個方向上表現(xiàn)出合適的性能。 （ 5）對數(shù)周期偶極天線陣列 這種天線的陣元是偶極天線，其中最長的偶極天線元的長度是最低工作頻率的半個波長，最短的天線元長度則小于最高工作頻率的半個 波長。平行饋線與天線的窄端相連，功率可由交叉連接的網(wǎng)絡饋電到其他偶極天線。 南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 14 第 3 章 高增益全向天線的特點和實現(xiàn)方式 單極子天線，偶極子天線 偶極天線和單極天線是天線技術(shù)中應用最廣泛的天線，在通信、廣播、電視、 導航 、 雷達 、遙測 以及 遙感等工程系統(tǒng)中均有應用。從使用波段而言， 這些 被廣泛的 應 用于從長波 到 微波波段， 可以作為獨立的天線來進行工作 ， 也 可作為 一個 天線陣的 獨立 陣元，還可以作 為 某些天線的部分結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上 來講 他們是 比較簡單而且易于實現(xiàn)。 通常來說天線 兩臂的幾何尺寸或結(jié)構(gòu)形式完 全對稱 的為偶極天線 ，也就是 中心饋電的對稱振子。 如果 兩臂的結(jié)構(gòu)或 者 尺寸完全不對應，則稱 之 為不對稱偶極天線。如果底是無限大理想導電平面，則在分析單極天線的電參量時可采用鏡像法求的電參數(shù)，如單極天線的輸入阻抗等于同結(jié)構(gòu)尺寸的偶極天線的一半，對地面以上半空間而言，其方向圖也是相同的。 單極天線無限大理想導電平面上接地直立單極天線如圖 31 所示 : 螺旋電感加載天線 加載天線 根據(jù)加載元件接入 的 特點，可以將加載分為串聯(lián)加載和并聯(lián)加載兩大類。串聯(lián)和并聯(lián)這兩種加載形式又可以是分布型的，集中型的或混合型的 。 圖 31 無限大理想導電平面接地直立單極天線 南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 15 如果天線電流是與天線中連續(xù)分布的軸向電場強度成比例，則稱這種天線為串聯(lián)型分布加載天線，一個最簡單的 實例 就是由電阻棒做成的天線， 比如 在介質(zhì)棒上敷 上 一層 特定 厚度的碳膜，讓天線 的 內(nèi)阻抗按 照特定 的 函數(shù)分布，盡可能的使天線上全部呈 現(xiàn) 行波電流分布，這種天線有著比較寬得阻抗帶寬 。 如果天線上某兩點間的電壓與此兩點間的電流成正比，而且當這兩點無限靠近時，該電壓仍保持為有限值，則此兩點間必存在一個集中的加載元件，稱此天線為串聯(lián)型集中加載天線。例如在線天線的兩個導線間插入集中的電阻、電感或電容等。如下圖所示： 本設(shè)計采用的是串聯(lián)型集中加載。 如果在天線的加載段存在有與天線軸垂直、而大小與徑向電場強度成比例的分布電流，則稱該天線上存在一個并聯(lián)的分布加載。例如在天線表面上敷上一層介質(zhì)涂層就屬于這一類的加載。 如果將前一種加載實施到天線線段上一個極小的范圍內(nèi)，且此徑向電流仍保持為一有限值，則稱在此點處存在一個并聯(lián)的集中加載。例如在天線的適當位置處固定一個與天線軸相垂直的金屬薄圓片，就構(gòu)成了并聯(lián)集中加載。 為實現(xiàn)上述要求，可 以在天線中引入電阻將反射波吸收，這樣的加載天線可以集中加載，也可以分布加載。 電感 在電路中，當電流流過導體時 ，會產(chǎn)生電磁場，電磁場的大小除以電流的大小就是電感。 它是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應能力的物理量。給一個線圈通入電流，線圈周圍會產(chǎn)生 一定的 磁場，線圈 中 就 會 有磁通量通過。 如果 通 過 線圈的電源越大，磁場就 會 越強，通過線圈的磁通量 也 就越大。 通過 實驗 表圖 32 天線中加入電阻 南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 16 明，通過線圈的磁通量和通入的電流成正比，它 們的比值 稱之為 自感系數(shù)，也 常叫 電感。如果通過線圈的磁通量用φ表示， 電流用 I表示，電感用 L表示，那么 L＝φ /I。 電感線圈的主要特性參數(shù) 電感量 L 電感量 L表示 電感 線圈本身 的 固有特性，與電流 的 大小無關(guān)。除專門的電感線圈（色碼電感）外，電感量一般不會專門標注在線圈上，而以特定的名稱標注。 感抗 XL 交流電 也可以通過線圈，但是線圈的電感對交流電有阻礙作用，這個阻礙叫做 感抗 XL，單位是歐姆。 感抗 XL、 電感量 L以及 交流電頻率 f之 的關(guān)系為XL=2π fL 品質(zhì)因 數(shù) Q 品質(zhì)因素 Q是 表示線圈質(zhì)量的一個物理量， Q為感抗 XL與其等效的電阻的比值，即： Q=XL/R。 電感加載單極子天線的特點 通過給天線合適的加載，可以使天線上部分或全部呈行波分布，進而使天線輸入阻抗及輻射方向圖等特性具有寬帶性。對于電感加載天線，盡管其寬頻帶特性沒有得到明顯的提高，但效率較高，且電感加載單極天線的定向性和增益也得到了提高。 電感 加載 單極子 天線使用了獨特的幾何結(jié)構(gòu)，能夠提供比軸式螺旋天線大得多的增益，而尺寸卻縮到其四分之一。 這 種小尺寸和高性能的結(jié)合使得 該 天線對不影響環(huán)境美觀的點對點連接和點對多覆蓋 應用有很強的吸引力 。 高增益天線與全向天線 全向天線 全向天線，即在水平方向圖上表現(xiàn)為 360176。都均勻輻射，也就是 我們 平常所說的無 方向性 天線 ，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在 移動通信系 統(tǒng) 中一般應用與南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 17 郊縣 大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大 。 高增益天線 高增益天線 (英文： High gain antenna）相對來說是輻射方向上更加狹窄，在某些方向上的輻射較為集中，故能量集中到某些方向上去了，故體現(xiàn)為某些方向上的增益。 在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。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。 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，如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要 100W 的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。 南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 18 第 4 章 有限積分法與 CST 仿真 技術(shù) 本章主要介紹有限積分法的基本數(shù)值計算方法，并結(jié)合 CST仿真軟件對高增益全向天線的各項性能進行研究 面就 FIT理論及其應用作簡要介紹。 有限積分法介紹 對 于數(shù)值分析 ,應包括場域離散化和描寫物理問題的數(shù)學方程離散化兩個方面。場域離散化應包括網(wǎng)格的劃分、編號及不同介質(zhì)交界面的處理 。 方程離散化就是如何將連續(xù)的微分或積分方程化為用網(wǎng)格點上的場值表示的離散方程。 FIT在這兩發(fā)面都有其獨到之處 , 下面分別作簡要說明。 場域離散化 由于 FIT 在網(wǎng)格劃分及編號與其它算法并無多大差別 , 所以 在此僅對不同介質(zhì)交界面的處理作簡單說明。 FIT 最顯著的特點就是引入了亞網(wǎng)格概念。我們以圖 31 為例來說明其優(yōu)越性。圖示為用矩形網(wǎng)格來模擬弧形邊界。圖 411(a)所示為通常的階梯近似 , 我們可以看到其精度很差。圖 411(b)所示為定步長矩形網(wǎng)格結(jié)合三角網(wǎng)格的模擬 , 其精度明顯好于圖 411(a)。圖 411(c)為變步長矩形網(wǎng)格 結(jié)合三角亞元的模擬 , 由圖可見它用更少的網(wǎng)格數(shù)就可獲得比前兩種方法更高的精度。 FIT 就是采用第三種方法以盡可能減小幾何形狀模擬上的誤差。 方程離散化 麥克斯 韋方程組有微分和積分兩種形式， FIT 是從以下的積分方程出發(fā)的： 圖 411 矩形網(wǎng)絡模擬弧形邊界 南京工程學院畢業(yè)設(shè) 計說明書（論文） 19 AABE ds dAt??? ?? ?? (1) ()AADH d s J d At ???? ? ??? ?? (2) 0V B dA??? (3) ( ) 0V D J dAt ??? ? ? ???? (4) 先看方程 (1)，它包含沿一閉合曲線的線積分及以此曲線為邊界的面積分；對于線積分，我們 采用數(shù)值積分中常用的方法，即： 0020( ) ( ) 0 ( )2xxf x d x f x ?? ? ? ? ?? (5) 為了將 (5)式應用于方程 (1)的左邊，我們必須定義出積分區(qū)域，最明顯的選擇是取網(wǎng)格單元作為積分的最小單元，這樣積分元 dl 的方向?qū)⑵叫杏诰W(wǎng)格線。為了使問題進一步簡化，我們發(fā)現(xiàn)如果以平行于網(wǎng)格線的電場強度分量來表示，則方程中的矢量點積將完全化為兩代數(shù)量的乘積，而并不一向方程的適用性，因為與積分線垂直的分量對積分無貢獻，如圖 所示。這樣方程 (1)的左邊可以表示為： 1 2 3 4 20 ( )c e ll E d s E E E E? ? ? ? ? ? ? ? ? ??