【導讀】FEKO軟件的天線建模及研究策略的相關(guān)文獻。4．研究寄生單元不同參數(shù)對天線特性的影響，基于FEKO軟件進行相應仿真，單極子天線是一種比較古老并且結(jié)構(gòu)簡單的天線，在實際工程領(lǐng)域有著。通過用理論分析其輻射特性，得知無加載單極子天線屬于水平全向輻射特性特性，最后在此基礎(chǔ)上結(jié)合FEKO仿真，得出影響寄生天線天。[3]邱景輝,王楠楠,鐘玲玲.帶寄生單元寬帶單極子天線研究[J].電波科學學報.2020,23:10. [4]朱永忠,李萍.一種新型寬帶平面單極子天線[J],電子器件,2020,30:805-807.RudolfHertz）驗證電磁波存在的實驗中就可見其雛形。較低，在仰角90°附近無輻射，不適合山地通信及立體空間通信，同時鞭天線頻帶較窄，不利于圖象傳輸。當其裝備在車輛與艦船上，由于尺寸較大難以偽裝，且易損壞。地降低了部隊作戰(zhàn)的機動能力和反恐突出的效果。因此研制新型小型化寬帶天線成為迫。工作中有重要意義。該天線具有水平全向方向圖、穩(wěn)定增益。

　　

【正文】 上。在這一波段中，顯然水平天線是不合適的，因為大地中的鏡像電流和天線電流方向相反，天線輻射很小。此外，它所產(chǎn)生的水平極化波沿地面?zhèn)鞑r衰減很大。因此，在這一時期應用的是各種不對稱天線，如倒 L 形、 T 形、傘形天線等。由于高度受到結(jié)構(gòu)上的限制，這些天線的尺寸比波長小很多， 因而是屬于電小天線的范疇。后來，業(yè)余無線電愛好者發(fā)現(xiàn)短波能傳播很遠的距離， 它對短波的反射作用，從而開辟了短波波段和中波波段領(lǐng)域。這時，天線尺寸可以與波長相比擬，促進了天線的順利發(fā)展。這一時期除抗衰落的塔式廣播天線外，還設(shè)計出各種水平天線和各種天線陣，采用的典型天線有：偶極天線（見對稱天線）、環(huán)形天線、長導線天線、同相水平天線、八木天線（見八木 宇田天線）、菱形天線和魚骨形天線等。這些天線比初期的長波天線有較高的增益、較強的方向性和較寬的頻帶，后來一直得到使用并經(jīng) 過不斷改進。在這一時期，天線的理論工作也得到了發(fā)展。 在 1897 年建立了線天線的積分方程，證明了細線天線上的電流近似正弦分布。由于數(shù)學上的困難，他并未解出這一方程。后來 δ 函數(shù)源來激勵對稱天線得到積分方程的解。同時， 性原理。 。將對稱天線作太原理工大學畢業(yè)設(shè)計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計 11 為邊值問題并用分離變量法來求解的有 、 、 蘭成等。 面天線時期：雖然早在 1888 年赫 茲就首先使用了拋物柱面天線，但由于沒有相應的振蕩源，一直到 30 年代才隨著微波電子管的出現(xiàn)陸續(xù)研制出各種面天線。這時已有類比于聲學方法的喇叭天線、類比于光學方法的拋物反射面天線和透鏡天線等。這些天線利用波的擴散、干涉、反射、折射和聚焦等原理獲得窄波束和高增益。第二次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)了雷達，大大促進了微波技術(shù)的發(fā)展。為了迅速捕捉目標，研制出了波束掃描天線，利用金屬波導和介質(zhì)波導研制出波導縫隙天線和介質(zhì)棒天線以及由它們組成的天線陣。在面天線基本理論方面，建立了幾何光學法，物理光學法和口徑場法等理論。當時，由于戰(zhàn)時 的迫切需要，天線的理論還不夠完善。天線的實驗研究成了研制新型天線的重要手段，建立了測試條件和誤差分析等概念，提出了現(xiàn)場測量和模型測量等方法（見天線參量測量）。在面天線有較大發(fā)展的同時，線天線理論和技術(shù)也有所發(fā)展，如陣列天線的綜合方法等。 從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束到 50 年代末期：微波中繼通信、對流層散射通信、射電天文和電視廣播等工程技術(shù)的天線設(shè)備有了很大發(fā)展，建立了大型反射面天線。這時出現(xiàn)了分析天線公差的統(tǒng)計理論，發(fā)展了天線陣列的綜合理論等。 1957 年美國研制成第一部靶場精密跟蹤雷達 AN/FPS16，隨后各種單 脈沖天線相繼出現(xiàn)，同時頻率掃描天線也付諸應用。在 50 年代，寬頻帶天線的研究有所突破，產(chǎn)生了非頻變天線理論，出現(xiàn)了等角螺旋天線、對數(shù)周期天線等寬頻帶或超寬頻帶天線。 50 年代以后：人造地球衛(wèi)星和洲際導彈研制成功對天線提出了一系列新的課題，要求天線有高增益、高分辨率、圓極化、寬頻帶、快速掃描和精確跟蹤等性能。從 60年代到 70 年代初期，天線的發(fā)展空前迅速。一方面是大型地面站天線的修建和改進，包括卡塞格倫天線的出現(xiàn)，正副反射面的修正，波紋喇叭等高效率天線饋源和波束波導技術(shù)的應用等；另一方面，沉寂了將近 30 年的相控陣 天線由于新型移相器和電子計算機的問世，以及多目標同時搜索與跟蹤等要求的需要，而重新受到重視并獲得了廣泛應用和發(fā)展。 到 70 年代， 無線電頻道的擁擠和衛(wèi)星通信的發(fā)展，反射面天線的頻率復用、正交極化等問題和多波束天線開始受到重視；無線電技術(shù)向波長越來越短的毫米波、亞毫米波，以及光波方向發(fā)展，出現(xiàn)了介質(zhì)波導、表面波和漏波天線等新型毫米波天線。此外，在陣列天線方面，由線陣發(fā)展到圓陣；由平面陣發(fā)展到共形陣；信號處理天線，自適應天線、合成孔徑天線等技術(shù)也都進入了實用階段。同時，由于電子對抗的需要，超低副瓣天線也有了很大的 發(fā)展。由于高速大容量電子計算機的研制成功， 60 年代發(fā)展起來太原理工大學畢業(yè)設(shè)計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計 12 的矩量法和幾何繞射理論在天線的理論計算和設(shè)計方面獲得了應用。這兩種方法解決了過去不能解決或難以解決的大量天線問題。隨著電路技術(shù)向集成化方向發(fā)展，微帶天線引起了廣泛的關(guān)注和研究，并在飛行器上獲得了應用。同時，由于遙感技術(shù)和空間通信的需要，天線在有耗媒質(zhì)或等離子體中的輻射特性及瞬時特性等問題也開始受到人們的重視。 這一時期在天線結(jié)構(gòu)和工藝上也取得了很大的進展，制成了直徑為 100 米、可全向轉(zhuǎn)動的高精度保形射電望遠鏡天線，還研制成單元數(shù)接近 2 萬的大型相控 陣和高度超過500 米的天線塔。 在天線測量技術(shù)方面，這一時期出現(xiàn)了微波暗室和近場測量技術(shù)、利用天體射電源測量天線的技術(shù)，并創(chuàng)立了用計算機控制的自動化測量系統(tǒng)等。這些技術(shù)的運用解決了大天線的測量問題，提高了天線測量的精度和速度。 在其它許多領(lǐng)域中，天線也同樣在發(fā)揮著重要的作用。限于我們所要討論的問題，這里不再一一介紹。 目前天線研究現(xiàn)狀 為適應現(xiàn)代通信設(shè)備的需求，天線的研發(fā)主要朝幾個方面進行，即小尺寸、寬帶和多波段工作、智能方向圖控制。隨著電子設(shè)備集成度的提高，通信設(shè)備的體積也越來越小，這就需要天線減小自身尺 寸。在不影響天線的增益和效率的同時減小天線的尺寸是一項艱巨的工作。電子設(shè)備集成度的提高，經(jīng)常需要一個天線在較寬的頻率范圍內(nèi)支持兩個或更多的無線服務，寬帶和多波段天線能滿足這樣的需要。 (1) 小尺寸與嵌入式天線 手提電話越來越小，收發(fā)機已經(jīng)集成到一個芯片中，小尺寸天線已經(jīng)必不可少。在天線的尺寸、帶寬和效率之間有一個基本的聯(lián)系，天線尺寸變小，工作頻段和效率就會降低；增益是與天線的尺寸緊密相關(guān)的，小尺寸的天線相對于大尺寸的來說提供的增益也小。所以，天線設(shè)計師必須權(quán)衡天線的尺寸和性能，使兩者的關(guān)系達到最優(yōu)。許多類型的高 頻、小尺寸、緊湊型天線都適用于小型終端設(shè)備。 除了移動終端設(shè)備需要小尺寸天線外，固定無線系統(tǒng)也同樣需要這樣的天線。許多地區(qū)為了社區(qū)美觀，對天線塔和天線都有嚴格的限制，小尺寸天線正好可以滿足這樣的要求。另外，小尺寸天線的風力載荷也較小，這意味著天線的支撐結(jié)構(gòu)也可以做得較小，這樣不但安裝費用較低，也增強了天線在惡劣環(huán)境中的耐用性。 短加載螺旋天線 (SLH)是適用于固定設(shè)備的高性能小尺寸天線，它是從軸式螺旋天線演化而來的，極化方式為圓極化且增益較高。 SLH 使用了獨特的幾何結(jié)構(gòu)，能夠提太原理工大學畢業(yè)設(shè)計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計 13 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 SLH 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。SLH 天線已經(jīng)在 的 WLAN 系統(tǒng)中得到了應用，工作在 的 8 英寸長的SLH 天線增益一般可以達到 10dB。 (2) 寬帶和多頻帶天線 多頻帶天線通常要在兩個或兩個以上特定的窄頻帶上提供較好的阻抗匹配和性能。隨著各種服務和頻率的要求日益增多，多頻帶天線是一種比較經(jīng)濟的解決方法。寬帶天線在一個頻率范圍之內(nèi)的性能都保持不變。目前有一種全新的可調(diào)天線可以在很寬的頻帶上進行調(diào)諧，這個頻帶 要比天線的瞬時帶寬大得多。 Motorola 公司推出了一種典型的多頻帶天線產(chǎn)品，這是一種螺旋天線，它利用天線各段螺距的不同實現(xiàn)不同的頻段諧振，主要工作在 和765MHz870MHz 這兩個頻段。這種天線的方向圖與偶極子天線的方向圖是等效的，天線在 160MHz 附近和 800MHz 附近的回波損耗較小，而增益相對要大得多。 最近有一些更小的寬帶天線問世，比如正方形天線和四角天線。正方形天線在 1． 8：1 的帶寬上的駐波比為 2:1，四角天線在同樣帶寬上的駐波比可以達到 3:1。這兩種天線都能 提供雙正交線性極化，天線上的正方形貼片的長度是最低工作波長的 或 倍。背部有接地平面的正方形天線在工作帶寬上的增益是 dB97? ，還可以利用更多的單元得到更高的增益和更窄的波束。 (3) 陣列天線和智能天線 未來的無線通信系統(tǒng)將更廣泛地使用陣列天線，智能天線也是陣列天線的一種，它是智能無線電和天線的結(jié)合。幾十年來陣列天線在軍事中得到了廣泛的應用并逐漸用于民用。陣列天線就是用多個天線單元來提高包括高增益在內(nèi)的天線性能。由于軍艦和軍用飛機上面的空間有限，這就需要陣列天線在較 寬頻帶內(nèi)支持通信、雷達、情報交換和導航。民用的交通工具也需要這樣的天線泵支持通信、導航和娛樂服務，但是設(shè)計這些寬頻帶多功能的陣列天線卻并不簡單。寬頻帶的天線單元是陣列天線的構(gòu)成基礎(chǔ)，這些單元耍合理布局以使天線的主波束能在帶寬范圍內(nèi)的每個頻率上進行寬角度掃描。如果單元間距過大，在調(diào)制天線主波束的時候就會出現(xiàn)較大的副瓣，同時這個間距也要保證天線單元在最低的工作頻率上正常工作。臨近單元之間的電磁干擾會破壞單元的方向圖，從而影響整個陣列天線的方向圖，在設(shè)計陣列天線的時候必須考慮互耦和頻率之間的影響。 當一個陣列天 線結(jié)構(gòu)不能滿足實際應用時，就可以使用可調(diào)的陣列天線。較早應用的是 Wullenweber 陣列天線，它可以使用呈向外輻射狀分布的全向或是有方向性的天太原理工大學畢業(yè)設(shè)計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計 14 線單元，這些單元數(shù)一般為 30100 個，且均勻分布，利用其中相鄰的大約 3/1 的單元數(shù)可以形成從天線陣向外輻射的波束。一種稱為天線方向性調(diào)制器的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)用來把對應的天線單元和通信設(shè)備連接起來，它也可能包括用來控制天線方向圖的附加幅度。較新的方法是利用 PIN 二極管或微電機系統(tǒng)開關(guān)在特定的頻段或工作模式下調(diào)整天線結(jié)構(gòu)或天線單元。 陣列天線可以與空間或空 時自適應處理的信號處理技 術(shù)結(jié)合起來，從而通過動態(tài)控制天線的方向圖來優(yōu)化接收信號。對于空 時處理，可以結(jié)合信道均等來控制方向圖以抑制寬帶信號在多路通道傳 輸時出現(xiàn)的信號間的干擾。另一個比較先進的利用陣列天線的技術(shù)是空時編碼。在發(fā)射和接收設(shè)備使用陣列天線，空 時編碼的通信系統(tǒng)能有效地利用多信道來支持以超過單一信道香農(nóng)限制所預計的傳輸速率進行數(shù)據(jù)傳輸。 天線單元不但可以結(jié)合起來以形成單一波束，并能分別在有多路干擾而衰減的信道中提供不同的增益。陣列天線可以用在移動基站，在進行發(fā)射和接收的時候提供不 同的增益，這是為了增強蜂窩單元的覆蓋和可靠性。為了減小不同天線間信號衰減包烙的互相影響，基站上使用的天線單元間距通常較大 (1020 個波長 )這對于提高增益相異性也是很有必要的。最近的研究表明在一個手持無線電設(shè)備上將幾個天線靠得很近可以實現(xiàn)不等增益。由于工作在復雜環(huán)境中的手持終端設(shè)備的多路元件的寬角度分布不同，這樣做是可行的。 智能基站天線試驗臺可以對空間、極化和角度的相異性進行直接測量。除了多通道的基站接收器和數(shù)據(jù)分析儀，試驗臺還配有可以手持或裝在車上的發(fā)射機，能在距離基站天線 6652670m 的市區(qū)或郊 區(qū)測量不等增益，使用空間分布、極化和角度可調(diào)的天線結(jié)構(gòu)可以得到 %1 概率水平的 ? 的不等增益。 新型高性能天線的出現(xiàn)是為了滿足無線設(shè)備對小型化、嵌入式以及支持多種服務的寬帶和多頻帶天線的日益迫切的需求。陣列天線可以調(diào)整無線通信所需的波束和零信號。與信 號處理結(jié)合起來的陣列天線可以實現(xiàn)多樣性組合、自適應波束成形或空 時處理，從而抑制多路傳 播和干擾的影響。多天線還可以通過空 時編碼來增加信道容量?？烧{(diào)天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和整個天線陣可以在傳統(tǒng) 天線或天線陣不能適用的情況下使用。通過使用PIN 二極管或微電機系統(tǒng)，這些結(jié)構(gòu)的天線可以實現(xiàn)動態(tài)自適應并提供較強的自適應性。自馬可尼和波波夫的第一次無線電試驗以來，支持無線通信的天線研發(fā)領(lǐng)域一直都相當活躍，為滿足新的性能指標而進行的工作也將不斷繼續(xù)。 太原理工大學畢業(yè)設(shè)計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計 15 論文的主要研究內(nèi)容 本文針對加載寄生單元的單極子天線 進行建模仿真，從饋電振子尺寸、寄生振子尺、寄生振子加載的位置、振子半徑等主要因素進行深入細致的研究，得出這些參數(shù)對天線特性的影響規(guī)律。 第一章簡要介紹天線的發(fā)展歷史，并以時間為線索貫通介紹了從提出到不同種天線被 研制，以及隨著新技術(shù)的加入，新型天線的研究。文章以 早期天線、近代天線及現(xiàn)代新型天線為三個時期詳細介紹了不同時期段天線的發(fā)展史。 太原理工大學畢業(yè)設(shè)計 帶 寄生 單元單極 天線的 FEKO 仿真設(shè)計 16 第 2章 天線 基本 理論 引言 天線是一種用來發(fā)射或接收無線電波 （ 或更廣泛來講 ） ——電磁波的電子器件。天線應用于廣播和電視、點對點無線電通信、雷達和太空探索等系統(tǒng)。天線通常在空氣和外層空間中工作，也可以在水下運行，甚至在某些頻率下工作于土壤和巖石之中。 從物理學上講，天線是一個或多個導體的組合，由它可因施加的交變電壓和相關(guān)聯(lián)交變電流而產(chǎn)生輻射的電磁場，或者可以將它放置在電磁場中，由于場的感應 而在天線內(nèi)部產(chǎn)生交變電流并在其終端產(chǎn)生交變電壓。 基于特定三維（通常指水平或垂直）平面，可以把天線分為兩大基本類型： A. 全向天線（在平面中均勻輻射） B. 定向天線（又稱指向天線，在某方向輻射較多） 在自由空間內(nèi)，任何天線都向各個方向輻射能量，但是特定的架構(gòu)會使天線在某個方向上獲得較大方向性，而其它方向的能量輻射則可以忽略。 通過