【正文】 Z=Zc直線交點(diǎn)和輸入電抗曲線第一次與 X = 0直線相交點(diǎn)都隨著天線尺寸增加而向左移動(dòng)，也就是說(shuō)，天線尺寸增加時(shí)低頻特性有所改善。隨著頻率升高輸入電抗則以振蕩方式慢慢趨于零。當(dāng)頻率升高時(shí)，輸入電阻慢慢地升高，最后在特征阻抗接在特性阻抗為 Z0，長(zhǎng)度為 l 的傳輸線末端。 (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。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） 13 圖 32不對(duì)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??? 。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。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(guò)改變上下椎體的不對(duì)稱性控制天線輻射方向。尤其是駐波特性，因此寬帶匹配問(wèn)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(lái)解決，但是寬頻帶匹配網(wǎng)絡(luò)的難度也很大。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(lái)模擬。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。 雙錐天線的設(shè)計(jì) 當(dāng)雙錐上下椎體為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，沒(méi)有不連續(xù)點(diǎn)。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。驅(qū)動(dòng)點(diǎn)阻抗為 Zin，相應(yīng)的饋線特性阻抗為 0Z 。 天線結(jié)構(gòu)如圖 31所示，在圓錐頂端有一個(gè)球形帽子。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。 圖 31 (a)無(wú)限大地平面上的有限長(zhǎng)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。 有限長(zhǎng)雙錐天線的理論分析 有限長(zhǎng)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(chǎng)。這樣，當(dāng)工作頻率改變時(shí)，天線的實(shí)際長(zhǎng)度雖然沒(méi)有變化，但對(duì)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。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(zhǎng)度，而不受延伸部分長(zhǎng)度的影響。為構(gòu)成寬頻帶天線，則必須削弱這種終端反射的影響。 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。根據(jù)球坐標(biāo)系的 Maxwell 方程可求得這兩個(gè)電磁場(chǎng)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(wú)限長(zhǎng)雙錐天線的波瓣圖和輸入阻抗值與頻率無(wú)關(guān)，僅與圓錐的錐角 h?2 有關(guān)。由于這種天線的結(jié)構(gòu)是無(wú)限長(zhǎng)，因此，可以把雙圓錐天線看成 是無(wú)限長(zhǎng)的由理想導(dǎo)體構(gòu)成的波導(dǎo)傳輸線。 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(shuō)錐形天線是寬帶天線里最受關(guān)注的天線形式之一。 近 幾年，用于無(wú)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。在這些場(chǎng)合中，傳統(tǒng)的窄帶天線無(wú)法滿足要求，因此研制新的寬帶天線成為重要課題。為了加強(qiáng)保密性，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度越來(lái)越快，占用頻帶也越來(lái)越寬。通常，相對(duì)帶寬只有幾百分之幾的為窄帶 天線，例如引向天線；相對(duì)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(duì)帶寬可達(dá)到幾個(gè)倍頻程的稱為超寬頻帶天線，例如對(duì)數(shù)周期天線。 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(duì)應(yīng)的 頻率范圍稱為頻帶寬度 (Bandwidth)。 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(duì)應(yīng)有功功率和無(wú)功功率。 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(guò)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(wèn)題。 有效長(zhǎng)度的定義： 在保持實(shí)際 天線最大輻射方向上的場(chǎng)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(zhǎng)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(wú)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。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。 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。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。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。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。橢圓極化波可分解為兩個(gè)旋向相反的圓極化波。線極化和圓極化是橢圓極化的特例。特指為該天線在最大輻射方向上的電場(chǎng)的空間取向?？梢杂锰炀€效率 (Efficiency)來(lái)表示這種能量轉(zhuǎn)換的有效程度。 方向圖最直觀的反映了電場(chǎng)大小的空間分布。 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(wú)方向性天線在同一距離處的輻射功率密度之比。 旁瓣電平，是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣電平。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(lái)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(chǎng)矢量的平面， H面是平行于磁場(chǎng)矢量的平面 )。 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。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。 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。天線通常在 空氣 和外層空間中工作，也可以在 水 下運(yùn)行，甚至在某些頻率下工作于 土壤 和巖石 之中。 圖 12 Ansoft HFSS 10 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2. 天線的理論 天線概述 天線 是一種用來(lái) 發(fā)射 或 接收 無(wú)線電 波 —— 或更廣泛來(lái)講 —— 電磁波 的 電子 器件。而且，由 Ansoft HFSS 和 Ansoft Designer 構(gòu)成的 Ansoft 高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，提供了從系統(tǒng)到電路直指部件的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 它可以計(jì)算天線參量，例如增益、方向性、 電場(chǎng) 方向圖剖面、 3D圖和 3dB 帶寬；繪制極化特性，包括球形分量、 Ludwig 第三定義場(chǎng)分量和軸比。 仿真軟件 Ansoft HFSS 介紹 Ansoft HFSS 是世界 上 第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，可分析仿真任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)，可以直接得到特性阻抗、傳播 常數(shù) 、 S參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。近幾年來(lái)，人們研究和設(shè)計(jì)了許多改進(jìn)型的微帶天線，如在微帶貼片和接地金屬板間加入一根很細(xì)的金屬連接針，或在介質(zhì)板或接地板上蝕刻出周期性結(jié)構(gòu)從而產(chǎn)生出電磁帶隙等等。 1974年， 對(duì)基本的微帶貼片天線 (矩形和圓形 )進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。 國(guó) 外研 究現(xiàn)狀 本課題 題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀關(guān)于吸頂天線最早的工作是由美國(guó)的 和 完成的。針對(duì)于傳統(tǒng)的全向吸頂天線高頻信號(hào)快速衰減和信號(hào)不均勻、不穩(wěn)定等缺陷，中國(guó)聯(lián)通自主研發(fā)出寬帶廣 覆蓋新型全向吸頂天線，使高頻信號(hào)覆蓋范圍更廣，信號(hào)分布均勻、穩(wěn)定，解決了 2G、 3G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋不同步的問(wèn)題，改變了“小功率、多天線”的3G室內(nèi)分布覆蓋設(shè)計(jì)原則，并且工作頻帶更寬。不管是光纖 , 還是天線系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，吸頂天線是系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。從而形成移動(dòng)通信的許多盲區(qū)和死區(qū)。 圖 11 室內(nèi)吸頂天線 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中高樓密度不斷增大，地下設(shè)施也不斷增多。然后，在不明顯影響天線的增益和效率的同時(shí)減小天線的尺寸卻是一項(xiàng)艱難的工作。 為適應(yīng)現(xiàn)代通信設(shè)備的需求，天線的研發(fā)的主要方面有：減小尺寸、寬帶和多波段工作、只能方向控制等。微型化天線實(shí)際上還是傳統(tǒng)的偶極天線 (Dipole Antenna)、只是將負(fù)輻射體移除 ，改置金屬接地面，接著改良成單極天線 (Folded Monopole)，接著再改良，目前在設(shè)計(jì)上，微型天線多半為平行板型 (Planar)設(shè)計(jì)，或利用多片平板而成的陣列平板 (Array 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 Planar)型，也有采行槽孔 (Slot)型等設(shè)計(jì)。 就現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展來(lái)看對(duì)天線的要求不僅僅體現(xiàn)在 電氣性能上，對(duì)其他指標(biāo)：結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材料等很多方面的要求也都越來(lái)越苛刻。 本論文的主要工作就是研究寬頻帶全向吸頂天線的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)形式。天線的方向性因素也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能有著重要作用。天線的效率在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是一個(gè)很重要的指標(biāo) 。同理，一個(gè)性能低的寬帶天線，它也可用匹配濾波器來(lái)提高性能，但更好的辦法是設(shè)計(jì)具有良好阻抗特性的寬帶天線。假如天線性能不好，系統(tǒng)的性能也將大幅度的降低。端部利用錐形漸變加載的偶極子天線等。 天線品種繁多，以供不同工作頻帶、不同極化方式、不同覆蓋范圍、不同結(jié)構(gòu)、不同功能以及不同用途等。 北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 引言 天線是實(shí)現(xiàn)電磁波傳播的必備器件 :信號(hào)發(fā)射端利用天線實(shí)現(xiàn)電磁波輻射 ,信號(hào)接收端利用天線實(shí)現(xiàn)電磁波感應(yīng)。 天線的功能是輻射或接收無(wú)線電波，它把被傳導(dǎo)的電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波 (在發(fā)射系統(tǒng)中 )，或做相反的變換 (在接收系統(tǒng)中 )，從而在任意地方實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的傳遞。從上世紀(jì)初的單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信到世紀(jì)末覆蓋全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，天線技術(shù) 無(wú)疑 承擔(dān)了最基本、最前端的角色。因?yàn)橄鄬?duì)于傳統(tǒng)的窄帶天線，寬帶天線需要有幾個(gè)倍頻程的 帶寬，而且要求天線在整個(gè)頻帶中都有穩(wěn)定性能。 雙錐天線最早由 Schelkunoff 提出并作為研究天線輻射特性的模型，由于其自身具有漸變結(jié)構(gòu)形式和水平旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的特點(diǎn)，而具有天然良好的寬頻帶特性和全向特性。 采用該技術(shù)的通信系統(tǒng)可以很好的覆蓋室內(nèi)信號(hào)。 關(guān)鍵詞 室 內(nèi) 網(wǎng)絡(luò)覆蓋 全向吸頂 天線 雙錐天線 Ansoft HFSS II Title The Simulation Ceiling Antenna Abstract With the rapid development of information technology, wireless munications requireme