【文章內(nèi)容簡介】 電流并在其終端產(chǎn)生交變電壓。 天線是聯(lián)系自由空間和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的重要設(shè)備。為了有效的將功率饋送到天線上或天線所接受的功率傳送到接收設(shè)備中去，天線是一個(gè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)器件。為了節(jié)省發(fā)射功率或提高接收系統(tǒng)的信噪比或?qū)崿F(xiàn)特定方向輻射或接收，天線還可看成照射或聚焦器件。同時(shí)，天線還是一個(gè)極化器件，此外天線還可作為一個(gè)掃描器件、一個(gè)空間濾波器件、一個(gè)數(shù)據(jù)處理器件等。 發(fā)射 天線的基本參數(shù) 天線的基本功能就是能量轉(zhuǎn)換和定向輻射，所為天線的電參數(shù)，就是能定量表征其能量轉(zhuǎn)換和 定向輻射能力的量。 天線的輻射方向圖 天線的方向圖用于描述電 (磁 )場強(qiáng)度在空間的分布狀況，它是一個(gè)三維的立體圖形。通常采用在天線的最大輻射方向上的兩個(gè)互相垂直的平面內(nèi)的方向圖來表示天線的方向特性，它們分別成 E面和 H 面的方向圖 (E面是平行于電場矢量的平面， H面是平行于磁場矢量的平面 )。 描述天線方向圖的參數(shù)有： 主瓣寬度或者稱半功率波瓣寬度 ，是衡量天線的最大輻射區(qū)域的程度的物理量。 旁瓣電平，是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平。 副瓣電平 (副瓣中最大值與主瓣最大值之比 )、前后輻射比 (前向與后 向輻射場強(qiáng)之比 )等。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 21天線方向圖的一般形狀 在離天線某一距離處，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一距離處的輻射功率密度之比。這是方向性中最重要的指標(biāo)，能精確比較不同天線的方向性，表示了天線集束能量的電參數(shù)。 方向圖最直觀的反映了電場大小的空間分布。 天線效率 載有高頻電流的天線導(dǎo)體及其絕緣介質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生損耗，因此輸入天線的實(shí)際功率并不能全部地轉(zhuǎn)換成電磁波能量?？梢杂锰炀€效率 (Efficiency)來表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。天線效率的定義為天線 輻射功率 rP 與輸入功率 inP 之比，記為 A? ， 即： intA PP?? 式 (21) 天線的極化 天線的極化 (Polarization)是指該天線在給定方向上遠(yuǎn)區(qū)輻射電場的空間取向。特指為該天線在最大輻射方向上的電場的空間取向。 天線的極化分為線極化，圓極化 和橢圓極化三種。線極化和圓極化是橢圓極化的特例。圓極化又分為左旋和右旋圓極化。橢圓極化波可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 天線的極化方向 天線的極化方向就是指天線電場方向。天線的極化方式有線極化方式 (水平極化和垂直極化 )和圓極化 (左旋極化和右旋極化 )等方式。 天線的輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓和輸入電流的比值。天線的饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特點(diǎn)阻抗。這時(shí)饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹 配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特點(diǎn)阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個(gè)參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回?fù)軗p耗。 天線的增益 和增益系數(shù) 在同樣距離和相同輸入功率條件下，天線方向圖上最大功率密度與理想全向天線 (工作效率為 100%)的輻射功率密度之比定義為天線增益。考慮天線上的損耗，增益等于方向性系數(shù)乘以天線效率。天線效率是天線輻射功率與輸入功率之比，如果計(jì)入饋線系統(tǒng)的損耗，這使得天線增益為實(shí)際增益。 而增益系數(shù) (Gain)則表示了天線的定向收益程度。增益系數(shù)的定 義： 在同一距離及相同的輸入功率下，天線在其最大輻射方向上產(chǎn)生的功率密度 maxS 與理想的無方向性天線 (理想點(diǎn)源 )在同一點(diǎn)產(chǎn)生的輻射功率 0S 密度之比，記為 G。 用公式表示： 202m ax0m ax EESSG ?? 式 (22) 天線的有效長度 為了衡量天線的實(shí)際輻射能力，常采用有效長度 (Effective Length)。 有效長度的定義： 在保持實(shí)際 天線最大輻射方向上的場強(qiáng)值不變的條件下，假設(shè)天線上電流分布為均勻分布時(shí)天線的等效長度。有效長度越長，表明天線的輻射能力越強(qiáng)。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 輸入阻抗與輻射阻抗 天線通過傳輸線與發(fā)射機(jī)相連，天線作為傳輸線的負(fù)載，與傳輸線之間存在阻抗匹配問題。天線與傳輸線的連接處成為天線的輸入端，天線輸入呈現(xiàn)的阻抗值定義為天線的輸入阻抗 (Input Resistance)即天線的輸入阻抗。 inZ 為天線的輸入端電壓與電流之比： ininininin jXRIUZ ??? (式 23) 其中， inR 、 inX 分別為輸入電阻和輸入電抗，它們分別對應(yīng)有功功率和無功功率。有功功率以損耗和輻射兩種方式耗散掉，而無功功率則駐存在近區(qū)中。 頻帶寬度 當(dāng)工作頻率變化時(shí)，天線的有關(guān)電參數(shù)變化的程度在所容許的范圍內(nèi)，此時(shí)對應(yīng)的 頻率范圍稱為頻帶寬度 (Bandwidth)。 根據(jù)頻帶寬度的不同，可以把天線分為窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。通常，相對帶寬只有幾百分之幾的為窄帶 天線，例如引向天線；相對帶寬達(dá)百分之幾十的為寬頻帶天線，例如旋轉(zhuǎn)天線；絕對帶寬可達(dá)到幾個(gè)倍頻程的稱為超寬頻帶天線，例如對數(shù)周期天線。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 的 原理 和結(jié)構(gòu) 為了滿足高數(shù)據(jù)率的無線通信，通信系統(tǒng)所占用的頻帶越來越寬。為了加強(qiáng)保密性，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度越來越快，占用頻帶也越來越寬。多模式、多功能和多頻段的新型通信系統(tǒng)也要求占用極寬頻帶。在這些場合中，傳統(tǒng)的窄帶天線無法滿足要求，因此研制新的寬帶天線成為重要課題。本 文全向天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)：中心頻率 4GHZ，電壓駐波比小于 2，端口的特性阻抗 50 歐姆的全向?qū)掝l帶天線。 近 幾年，用于無線寬帶通信的寬帶天線得到了很快的發(fā)展，其中盤錐天線和雙錐天線是全向天線的典型代表。本論文采用的 雙錐天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 雙錐天線 的概念 雙錐天線的理論概念 雙錐天線最早由 Schelkunoff 提出并作為研究天線輻射特性的模型，由于具有良好的寬頻帶特性而得到了廣泛的研究與應(yīng)用，可以說錐形天線是寬帶天線里最受關(guān)注的天線形式之一。雙圓錐天線是由共軸線的兩個(gè)無限長的圓錐導(dǎo)體面，且其兩頂端相對而構(gòu)成的天線，相對頂端的間隙處作為饋電點(diǎn)。由于這種天線的結(jié)構(gòu)是無限長，因此，可以把雙圓錐天線看成 是無限長的由理想導(dǎo)體構(gòu)成的波導(dǎo)傳輸線。當(dāng)在頂端的間隙接上交變電源后，沿錐形導(dǎo)體面上將有徑向流動(dòng)的電流，那么，在兩個(gè)錐體間的空域內(nèi)由于錐形導(dǎo)體面上的電流產(chǎn)生了環(huán)繞錐體軸的磁場 ?H ，在這個(gè)空域內(nèi)的電磁場屬于球面波的性質(zhì)，因此，在兩個(gè)錐體面的空域內(nèi)的電場矢量僅有 ?E 分量。根據(jù)球坐標(biāo)系的 Maxwell 方程可求得這兩個(gè)電磁場分量為： ?? ? s in14 10 jk rerHH ?? (式 31) ?? ? s in14 10 jk rerWHE ?? (式 32) 進(jìn)而，可求得天線的歸一化方向性函數(shù)為： hF ??? sinsin)( ? hhh ???? ??? (式 33) 天線上任一點(diǎn)的特性阻抗為： )2ln(c ot120 hcZ ?? (式 34) 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 由以上分析結(jié)果可以看出，無限長雙錐天線的波瓣圖和輸入阻抗值與頻率無關(guān)，僅與圓錐的錐角 h?2 有關(guān)。因此，它是一種非頻變天線。 在實(shí)際應(yīng)用中的雙錐天線 實(shí)際應(yīng)用中，雙圓錐天線的尺寸總是有限的。有限長天線的終端反射改變了無限長天線上的行波電流狀態(tài)，而成為駐波狀態(tài)，任何駐波狀態(tài)的電流分布都與工作頻率有關(guān)，因此天線將不再是非頻變的。為構(gòu)成寬頻帶天線，則必須削弱這種終端反射的影響。若天線結(jié)構(gòu)在有限長的情況下，能使其上的電流分布只在靠近饋電點(diǎn)的某一定長度內(nèi)或某一段內(nèi)，有影響天線輻射性能和阻抗特性的有效電流 :而天線上隨長度延伸那一部分的電流值將迅速衰減下去。那么，該天線的波瓣圖和阻抗特性僅取決于與有效電流有關(guān)的那一部分長度，而不受延伸部分長度的影響。將影響天線輻射性能 和阻抗特性的那一部分天線稱為有效區(qū)，而對以后的延伸部分稱為衰減區(qū)。這樣，當(dāng)工作頻率改變時(shí)，天線的實(shí)際長度雖然沒有變化，但對天線性能有著顯著影響的有效區(qū)將隨著頻率的改變，在天線的延伸部分按比例的伸縮著，致使天線上的電流分布圖形基本保持不變。這樣就自然的符合了寬頻帶天線所要求的概念。 有限長雙錐天線的理論分析 有限長單極子圓錐天線，其工作頻率范圍非常寬帶，輻射垂直線極化、方位全向場。天線圓錐垂直立于無限大地平面上，從地平面和錐頂點(diǎn)向天線饋電，則天線圓錐和它的像構(gòu)成雙圓錐結(jié)構(gòu)。 圖 31 (a)無限大地平面上的有限長單極子圓錐天線， (b)單極子圓錐天線和它的像構(gòu)成雙圓錐天線。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 在一定頻率范圍內(nèi)圓錐天線模式為 TEM 模。與線天線之類的諧振結(jié)構(gòu)比較， TEM 輻射器的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗隨頻率的變化小得多。當(dāng)頻率升高時(shí)會(huì)出現(xiàn)高階模式 ,只要天線尺寸設(shè)計(jì)得當(dāng)，在工作頻帶內(nèi)可以很好地抑制高階模。 天線結(jié)構(gòu)如圖 31所示，在圓錐頂端有一個(gè)球形帽子。用半錐角 0? 和球半徑 a描述圓錐天線的幾何結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗為 Zin，相應(yīng)的饋線特性阻抗為 0Z 。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，輻射場與方位角 ? 無關(guān)。下面的分析假定天線是在自由空間，而不考慮近處地面的影響。實(shí)際天線常常是置于移動(dòng)車輛之上，它的輻射場越過干燥地面，或者潮濕的湖泊、海灣等，這種情況下地面的影響問題需要另外加以考慮。 雙錐天線的設(shè)計(jì) 當(dāng)雙錐上下椎體為無限長時(shí)，沒有不連續(xù)點(diǎn)。理論上天線性能不隨頻率變化。根據(jù)傳輸線理論，此時(shí)雙錐天線的輸入阻抗就等于其特性阻抗，可 表示為： )]2c ot ()2l n[c ot (2 2100 ?????? ZZ in (式 35) 式中： 0? 為真空中波阻抗； 1? 和 2? 分別為上下椎體半張角。相對于有限尺寸，在椎體末端的不連續(xù)點(diǎn)將激起高次模，產(chǎn)生電流反射。此時(shí)天線的輸入阻抗可以又特性阻抗 0Z 的傳輸線端接阻抗為 tZ 來模擬。 此時(shí)天 線的輸入阻抗可表示為： lZlZ lZlZZZ ttin ?? ?? s inc os )s inc os( 0 00 ??? (式 36) 有限尺寸時(shí)，天線的性能將隨頻率而變化，特別是在進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)時(shí)，其低頻特性將會(huì)惡化。尤其是駐波特性，因此寬帶匹配問題就是小型化雙錐天線設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，通常的解決方法是增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò)來解決，但是寬頻帶匹配網(wǎng)絡(luò)的難度也很大。同時(shí)，也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。本文采用上下椎體凹腔結(jié)構(gòu)和改變椎體角度的方法改善天線駐波比，通過改變上下椎體的不對稱性控制天線輻射方向。 在 圖 32中， 其中 d、 h 表示 (上、下 )椎體凹腔的寬度和深度。這種凹腔結(jié)構(gòu)可以有效減少反射，同時(shí)選取較寬的椎體張角也可大幅度提高頻帶寬度，一般半張角在 3060 度時(shí)雙錐天線有著明顯的寬頻帶特性。通常情況下，雙錐天線的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)有限，但是尺寸必須達(dá)到最佳才達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 32不對稱錐天線 雙錐天線的數(shù)據(jù)分析 計(jì)算了三種情況下 圖 33所示天線在 20f 1000MHz 頻率范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗，三種情況分別為： ① h=6in,a=10in, ? ?? ； ② h =6in,a = 20 in, ? ?? ； ③ h =12in,a=20in, ? ?? ；其中 )(cos 10 ah??? 。 圓錐天線驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗為 )2c o t (ln60。11 ????????? ccin ZZZ (式 37) )()()()(22 22kahkankahkahkannnn???? (式 38) 其中 2nh 是第二類 n階球 Hankel函數(shù)， Zc是圓錐天線的特征阻抗， αβ 是天線區(qū)域反射波和外向傳播 TEM 波的幅值之比， )(kan? 是關(guān)于實(shí)變量 ka的輔助函數(shù)，k= ??/2 。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 33圓錐天線驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗 Zin = Rin +j 。 (a)h = 6in,a = 10in., ； (b)h =6 in,a=20in., ； (c) h =12 in,a=20in, 圖 33給出了圓錐天線驅(qū)動(dòng)點(diǎn)輸入電阻和輸入電抗。在低頻端，圓錐天線是電小天線 (a ??2/ )，輸入電阻非常小，而輸入電抗則是非常大的負(fù)值。當(dāng)頻率升高時(shí)，