【導(dǎo)讀】用的天線包括偶極子/單極子天線，可以采用印刷電路板工藝實(shí)現(xiàn)。提出一個(gè)帶狀線饋電寬帶梯形單極子天線的寬帶的設(shè)計(jì)去改善帶寬和減少印。刷單極子天線的長(zhǎng)度。梯形單極子天線選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)某叽纾ッ黠@的改良單極。另外，還應(yīng)該增加梯形單極子天線的有效電流回路,件進(jìn)行大量的輔助計(jì)算，從多個(gè)方面考慮天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；表明，本文的設(shè)計(jì)是成功的。天線的一般概念·······································&#183

　　

【正文】 的相互聯(lián)系之中，因此影響研究 天線性能 的因素在許多情況南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 下并不是單一的，而是多種因素相互交錯(cuò)、共同起作用的。要想 通過(guò)改變天線結(jié)構(gòu)來(lái)改善天線 的匹配性能 ，必須對(duì) 天線結(jié)構(gòu)參數(shù) 施加人為的 改變 ，造成特定的 對(duì)比 觀察的條件， 從而確定改善天線性能的方向 。 所以 在 本次天線優(yōu)化方法的選取就是以控制變量法為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行的。 按上述方理論，在對(duì)待優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)的問(wèn)題上。 改善的目標(biāo)就是降低天線的回波損耗 ，而變量就是天線的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸。 但是寬帶天線不允許其結(jié)構(gòu)尺寸出現(xiàn)突然的變化，因?yàn)槭且跐M足增益和方向性不被惡化的條件下優(yōu)化駐波比 回波損耗 。因此，修改尺寸時(shí)應(yīng)該盡可能的小，半徑、邊長(zhǎng)的修改應(yīng)該控制在 5%10%。 對(duì)這一點(diǎn)在接下來(lái)的改進(jìn)措施分析中能得到充分的體現(xiàn)。 各項(xiàng) 改進(jìn)措施 及對(duì)比分析 改變底板 大小 后對(duì)駐波比的影響 接地板是天線的反射面，它是決定方向性和匹配性的重要因素，首先想的是改變底板 大小 。根據(jù)上一節(jié)的結(jié)論，對(duì)底板的修改不應(yīng)過(guò)大，這里以 2mm為步進(jìn)，對(duì)原天線 進(jìn)行修改， 取 寬 18mm 和原天線進(jìn)行對(duì)比，取長(zhǎng) 38mm 和原天線進(jìn)行對(duì)比。 對(duì)應(yīng)的 回波損耗 如 圖 所示。 圖 (a)改變 底板 的 寬 后 回波損耗 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 圖 (b)改變底板 的長(zhǎng)后 回波損耗 從對(duì)比中不難發(fā)現(xiàn)， 對(duì)底板的長(zhǎng)與寬的修改對(duì)本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改變，故不做修改。 對(duì)帶狀線 開(kāi)槽后 對(duì)駐波比的影響 因?yàn)? 節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，帶狀線的電流分布很不均勻，故對(duì)其做出形狀的改變時(shí)做出自己的假設(shè)：對(duì) 因?yàn)樾薷碾娏鲝?qiáng)度大的地方，對(duì)天線輻射性能影響較大；而修改電流強(qiáng)度小的地方對(duì)天線輻射性能影響較小，甚至可以剔除這些部分而幾乎不影響天線的性能。 下面就此假設(shè)，展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。 先在梯形的上 底 面 開(kāi)槽 。如圖（圖 324）所示。 開(kāi)槽 的長(zhǎng)為 2mm，寬為 8mm。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 圖 324 開(kāi)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(shè)置下 得到的 回波損耗 如圖（圖325）所示： 圖 325 開(kāi)槽 后 天線 的 回波損耗 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示開(kāi)槽后天線的性能也沒(méi)有大幅度的改變，故初步證明假設(shè)的成立 。 再次把槽開(kāi)大，開(kāi)出一個(gè)長(zhǎng) 8mm 寬 12mm 的矩形槽， 并對(duì)其進(jìn)行同條件下的仿真 如圖（圖 32 327）所示 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 326 再次開(kāi)槽后的天線 圖 327 再次開(kāi)槽后天線的 回波損耗 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 結(jié)果顯示在開(kāi)如此大的 槽 后天線只有小范圍波動(dòng)，假設(shè)基本成立。 現(xiàn)做一個(gè)反面實(shí)驗(yàn)，在梯形天線的側(cè)面也就是電流密度集中的地方開(kāi)槽，如圖（圖 327）所示： 圖 327 側(cè)面開(kāi)槽的帶狀線 兩個(gè)槽均開(kāi)在側(cè)面，長(zhǎng)約 ，寬為 2mm。其余均 不變，其仿真后 回波損耗 （圖 328）電流方向圖（圖 329） 如圖所示： 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 圖 328 側(cè)面開(kāi)槽的天線 回波損耗 圖 329 側(cè)面開(kāi)槽的電流方向圖 結(jié)果顯示，從側(cè)面開(kāi)槽后駐波比變化極大，性能退步極大，并且其內(nèi)部電流的分布和流向特點(diǎn)等等均有大幅的變動(dòng)，首先這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 變差， 這是個(gè)失敗的嘗試 ；其次這個(gè)實(shí)驗(yàn)更加證明了假設(shè)的真實(shí)性，即 對(duì) 因?yàn)樾薷碾娏鲝?qiáng)度大的地方，對(duì)天線輻射性能影響較大；而修改電流強(qiáng)度小的地方對(duì)天線輻射性能影響較小，甚至可以剔除這些部分而幾乎不影響天線的性能。 改變 帶狀線圖形對(duì) 回波損耗 的影響 。 由于前面的實(shí)驗(yàn)均是 基于一個(gè)等腰梯形而完成的，故在此提出對(duì)其圖形的改良方案，即在某一底邊 和高不變的情況下，改變其上底，從而得到新的方案，對(duì)其 回波損耗 進(jìn)行討論。 原梯形下底 13mm, 上底 21mm，高為 18mm。故 改變其形狀為一個(gè)矩形和一個(gè)上底為 5mm的梯形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖（圖 330）所示： 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出， 其駐波比雖說(shuō)滿足實(shí)驗(yàn)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 。 故 當(dāng)梯形天線的上底大于下底（即倒梯形），其性能更加有保障。 原矩形的上底為 21mm，故再次實(shí)驗(yàn)當(dāng)上底為 23mm 和 19mm，其余條件不變時(shí)，天線的變化趨勢(shì)。 如圖（圖 331）所示： 圖 331(a) 上底 23mm梯形帶狀線單極子的 回波損耗 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 40 圖 331(b) 上底 19mm梯形帶狀線單極子的 回波損耗 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩天線的駐波比在 89GHz 之間的相對(duì) 諧振點(diǎn)附近有細(xì)微不同，但無(wú)法分辨清晰，故把實(shí)驗(yàn)再 89GHz 附近重現(xiàn)。把頻率范圍設(shè)置成89GHz，步進(jìn)頻率設(shè)置成 。 仿真后得到的 回波損耗 如圖（圖 332）所示： 圖 332(a) 上底 23mm梯形帶狀線單極子 89GHz的 回波損耗 圖 331(b) 上底 19mm梯形帶狀線單極子 89GHz的 回波損耗 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 41 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在上底變大時(shí)，其 回波損耗 整體處于下降的趨勢(shì)，但是其最優(yōu)諧振點(diǎn) 不如上底變大時(shí)。另外上底變化的同時(shí)在 之間和 89GHz 之間，駐波比呈現(xiàn) S 型變化。即當(dāng)上底從大變 小的過(guò)程中， 之間的 回波損耗 越來(lái)越小，呈下墜式；而 89GHz 之間的 回波損耗 呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。 經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，確定 在不改變下底和高的情況下， 當(dāng)上底為 19mm 時(shí)可以得到 相對(duì) 較 低 的回波損耗 。 改善后天線 結(jié)構(gòu)與 仿真 分析 優(yōu)化后天線結(jié)構(gòu) 綜合考慮 節(jié)提出的各項(xiàng)改善措施及其分析，優(yōu)化的天線應(yīng)該：更改 矩形的上底面為 19mm； 開(kāi)槽以節(jié)省材料資源 ，在上底開(kāi)出一個(gè)和原梯形相似的一個(gè)下底為 4mm的梯形 。如 圖 所示。 圖 (a) 改善后的天線三維示意圖 圖 (b) 改善后 的天線三維示意圖 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 42 與原天線在 回波損耗 上的改善 影響天線性能的因素 往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，并且被研究 參數(shù) 往往不是孤立的，總是處于與其他 參數(shù) 的相互聯(lián)系之中，因此影響研究 天線性能 的因素在許多情況下并不是單一的，而是多種因素相互交錯(cuò)、共同起作用的。 優(yōu)化的天線的 兩 項(xiàng)措施（ 更改 矩形的上底面為 19mm、 在上底開(kāi)出一個(gè)和原梯形相似的一個(gè)下底為 4mm的梯形 ）同時(shí)施加到原天線上，是否能共同改善天線的匹配性，獲得更 低 的 回波損耗 ，只有將優(yōu)化后的天線仿真分析結(jié)果和原天線的駐波比曲線對(duì)比才可以看出。優(yōu)化后天線與原天線在 回波損耗 上的對(duì)照如 圖 所示。 圖 對(duì) 回波損耗 的影響 縱觀整個(gè) － 頻帶，無(wú)論是高頻段還是低頻段，天線的 回波損耗 都得到了很好的改善，雖然 6GHz 左右 略微增加，但 整體的性能得到極大的提高 。 可以作出結(jié)論：對(duì)原天線在結(jié)構(gòu)和尺寸上的優(yōu)化很好的改善了匹配性能。 改善后天線各項(xiàng)參數(shù)的分析 優(yōu)化改善了匹配性，但優(yōu)化是否會(huì)對(duì)諸如方向性等指標(biāo)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(duì)優(yōu)化后天線的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行 全面的 分析。 首先，對(duì)于仿真得到的回波損耗曲線（ 圖 ），在仿真帶寬內(nèi)，回波損耗 全部 低于 8dB；相對(duì)諧振點(diǎn) 為 ，為 40dB。 回波損耗 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 優(yōu)于原天線。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 43 圖 再看改善后天線的駐波比 VSWR 曲線（ 圖 ）。從中發(fā)現(xiàn)，整個(gè) － 駐波比 基本 都低于 2，匹配性能優(yōu)于原天線。 圖 VSWR曲線 改善后天線的增益（圖 ）在最大輻射方向上也是十分高的，在整個(gè)頻帶南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 44 － 范圍內(nèi)，天線增益大于 2dBi，完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 圖 其極化坐標(biāo)方向圖 （圖 ） 在 時(shí)，完全滿足其不圓度約為 2dB，全向輻射，工作頻段內(nèi)水平面不圓度不高于 3dB，符合技術(shù)指標(biāo)的要求。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 45 圖 （ a）改善后天線在極化坐標(biāo) 2D方向 圖 圖 （ b）改善后天線在極化坐標(biāo) 2D方向圖 圖 （ c）改善后天線在極化坐標(biāo) 3D方向圖 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 46 改善后天線性能評(píng)價(jià) 對(duì)于給定的 － 頻帶，改善后天線在匹配性、方向性、增益等方面上符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，并且 性能優(yōu)于原天線，各項(xiàng)優(yōu)化措施成功。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 47 結(jié)束語(yǔ) 本文首先 從應(yīng)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(chǎng)與微波電路等等 。然后在此之上，引入 帶狀線饋電單極子 天線經(jīng)典模型，利用 IE3D 分析其性能。接著運(yùn)用控制變量法分析原天線性能改善、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性，并且通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化。最后，制作完成天線試樣，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。 縱觀本文， 完成的主要工作有 ： 一、 在天線基本參數(shù)的討論時(shí)， 用匹配性、方向性、頻帶性、極化性四個(gè)方面歸納天線的所有參數(shù)指標(biāo)，避免簡(jiǎn)單的羅列 ； 二、詳細(xì)討論了 IE3D 軟件的設(shè)計(jì)和仿真方法，為平面天線的分析和設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的工具基礎(chǔ)； 三、詳細(xì)討論了 對(duì)于天線 的結(jié)論： 因?yàn)樾薷碾娏鲝?qiáng)度大的地方，對(duì)天線輻射性能影響較大；而修改電流強(qiáng)度小的地方對(duì)天線輻射性能影響較小，甚至可以剔除這些部分而幾乎不影響天線的性能。 為 展開(kāi)優(yōu)化帶狀線饋電寬帶單極子天線 提供了理論基礎(chǔ)； 四、在天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本原則的基礎(chǔ)上，提出控制變量法和對(duì)比試驗(yàn)，據(jù)此對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，很好的改善了天線的性能； 六、使用 IE3D 完成仿真分析，回避復(fù)雜公式，采用基本的天線理論就可以完成天線的分 析設(shè)計(jì)工作，本文正文部分沒(méi)有任何復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式就是很好的例子。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 48 致 謝 本論文是在呂文俊老師的指導(dǎo)下完成的。呂老師為我創(chuàng)造了良好的 學(xué)習(xí) 平臺(tái) ，是他的孜孜不倦和悉心教導(dǎo)使我慢慢掌握了天線分析和設(shè)計(jì)的基本方法。他的淵博知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，讓我在進(jìn)行本課題的過(guò)程中 受 益匪淺 ，為我的本科學(xué)習(xí)畫(huà)上了圓滿的句號(hào)。 在通信與信息工程學(xué)院四年的本科學(xué)習(xí)是我一生寶貴的財(cái)富，特別是能有像徐立勤等 這樣優(yōu)秀的老師執(zhí)教我《電磁場(chǎng)》的課程，為我進(jìn)行本次畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 感謝我們通院的各位老師，感謝通信與信息工程學(xué)院。 在本 次畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，我還在準(zhǔn)備研究生入學(xué)考試的復(fù)試 ， 時(shí)間上有較大沖突，但我還是在保證畢業(yè)設(shè)計(jì)正常進(jìn)行的情況下認(rèn)真完成了復(fù)試，最終以第一名的成績(jī)考取我們通信與信息工程學(xué)院，跟隨鄭寶玉老師 進(jìn)行研究生階段的學(xué)習(xí) 。這里要感謝鄭寶玉 老師 ， 是 他鼓勵(lì)和支持我 堅(jiān)持 完成天線分析和設(shè)計(jì)這一課題，因?yàn)闊o(wú)論是研究通信的哪一個(gè)方面 ，微波和天線的基本知識(shí)都是必不可缺的。 這里要特別感謝的是我的家人。他們無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是思想上都給予了我莫大的支持，是他們無(wú)私的奉獻(xiàn)，讓我得以完成四年的本科學(xué)習(xí)；他們對(duì)我的關(guān)懷和悉心照顧，使得我可以全身心的投 入到學(xué)習(xí)和最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)中。 還要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的各位同學(xué)，大家一起在圖書(shū)館查閱各種資料、一起 在計(jì)算機(jī)前探討 IE3D 的使用、一起在實(shí)驗(yàn)室制作天線試樣，這些都是美好的回憶。 祝各位老師，各位同學(xué)工作順利、生活幸福。 南京郵電大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 49 參考文獻(xiàn) [1] [日 ]藤本共榮 , [英 ]J. 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