【正文】 無 線 電 發(fā) 射 機(jī) 輸 出 的 射 頻 信 號 功 率 ， 通 過 饋 線 （ 電 纜 ） 輸 送 到 天 線 ， 由 天線 以 電 磁 波 形 式 輻 射 出 去 。 可 見 ， 天 線 是 發(fā) 射 和接 收 電 磁 波 的 一 個 重 要 的 無 線 電 設(shè) 備 ， 沒 有 天 線 也 就 沒 有 無 線 電 通 信 。對 于 眾 多 品 種 的 天 線 ， 進(jìn) 行 適 當(dāng) 的 分 類 是 必 要 的 ： 按 用 途 分 類 ， 可 分 為 通 信 天線 、 電 視 天 線 、 雷 達(dá) 天 線 等 ； 按 工 作 頻 段 分 類 ， 可 分 為 短 波 天 線 、 超 短 波 天 線 、微 波 天 線 等 ； 按 方 向 性 分 類 ， 可 分 為 全 向 天 線 、 定 向 天 線 等 ； 按 外 形 分 類 ， 可分 為 線 狀 天 線 、 面 狀 天 線 等 [1]。 無 論 是 軍 事 通 信還 是 民 用 通 信 系 統(tǒng) ， 不 僅 要 求 高 質(zhì) 量 地 傳 輸 語 言 、 文 字 、 圖 像 、 數(shù) 據(jù) 等 信 息 ，而 且 要 求 設(shè) 備 寬 帶 化 、 小 型 化 、 共 用 化 [2]。 天 線 性 能 的 優(yōu) 劣 直 接 決 定 無 線 通 信 系 統(tǒng) 通 信 質(zhì)量 的 好 壞 。在 軍 事 領(lǐng) 域 中 ， 為 了 實(shí) 現(xiàn) 保 密 通 信 ， 消 除 干 擾 ， 多 頻 段 、 多 功 能 電 臺 和 寬 帶調(diào) 頻 電 臺 將 廣 泛 應(yīng) 用 。 另 外 ， 狹 小 的 空 間 內(nèi) 密 布 多 副 天 線 ， 相 互 之 間 的 干 擾 較 為嚴(yán) 重 ， 影 響 通 信 質(zhì) 量 。 在 民 用 通 信 系 統(tǒng) 中 ， 無 線 通信 作 為 當(dāng) 今 信 息 化 社 會 的 主 要 技 術(shù) 手 段 而 顯 得 尤 為 重 要 。 與 此 相 適 應(yīng) ， 通 信 設(shè) 備 日 趨 寬 帶 化 ，臺 站 設(shè) 施 也 由 最 初 的 點(diǎn) 對 點(diǎn) 、 一 點(diǎn) 對 多 點(diǎn) 發(fā) 展 到 移 動 和 全 球 漫 游 。 主 要 使 用場 合 有 :無 線 通 訊 技 術(shù) ， 包 括 手 機(jī) 、 藍(lán) 牙 (B1ueTooth)、 無 線 局 域 網(wǎng) 等 終 端 ； 小型 化 衛(wèi) 星 通 訊 ； 多 普 勒 及 其 它 制 式 雷 達(dá) ； 指 揮 和 控 制 系 統(tǒng) ； 導(dǎo) 彈 遙 測 ； 無 線 電引 信 ； 環(huán) 境 檢 測 儀 表 和 遙 感 ； 復(fù) 雜 天 線 中 的 饋 電 單 元 ； GPS衛(wèi) 星 導(dǎo) 航 接 收 機(jī) ；生 物 醫(yī) 學(xué) 輻 射 器 等 。 最 近 幾 十 年 ， 隨 著 無 線 通 信 技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展 ， 對 天 線 技 術(shù) 提 出 了 越 來 越高 的 要 求 。 在 對 天 線 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 時 ,既 要 實(shí) 現(xiàn) 天 線 的 寬 帶 化 ， 又 要 限 制 天 線 的 尺寸 大 小 ,而 且 還 要 滿 足 天 線 的 駐 波 、 益 等 指 標(biāo) ,類 似 這 樣 的 天 線 設(shè) 計(jì) 問 題 是 十 分困 難 的 。 天 線 是 無 線 電 通 信 和 探 測 系 統(tǒng) 中 必 不 可 少 的 重 要 組 成 部 分 。 如 今 ， 天 線 結(jié) 合 微 波 技 術(shù) 的 各 種 產(chǎn) 品 比 比 皆 是 ，其 影 響 小 到 人 們 的 日 常 生 活 ， 大 到 國 家 的 安 全 保 障 ， 其 重 要 性 是 不 言 而 喻 的 。 它 把 被 導(dǎo) 電 磁 波 轉(zhuǎn) 變 為 自 由 空 間 的 無 線電 波 (在 發(fā) 射 系 統(tǒng) 中 )， 或 者 做 相 反 的 變 換 (在 接 收 系 統(tǒng) 中 )， 從 而 在 任 意 兩 點(diǎn)之 間 實(shí) 現(xiàn) 電 磁 信 號 的 傳 遞 。 隨 著 社 會 的 進(jìn) 步 ， 科 學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 無 線 電 頻 譜 不 斷 地 得到 開 拓 ， 無 線 電 系 統(tǒng) 的 帶 寬 也 不 斷 地 擴(kuò) 展 ， 促 進(jìn) 了 二 十 世 紀(jì) 末 一 門 新 的 學(xué) 科—超 寬 帶 電 磁 學(xué) 的 誕 生 。 天 線 理 論 與 技 術(shù) 已 經(jīng) 有 了很 長 的 發(fā) 展 歷 史 ， 無 數(shù) 的 學(xué) 者 研 制 出 了 能 滿 足 各 種 無 線 電 系 統(tǒng) 要 求 的 天 線 。 超 寬 帶 無 線 電 系 統(tǒng) 要 求 超 寬 帶 天 線來 完 成 超 寬 帶 被 導(dǎo) 電 磁 波 和 自 由 空 間 無 線 電 波 之 間 的 轉(zhuǎn) 變 工 作 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第 8 頁采 用 該 技 術(shù) 的 超 寬 帶 通 信 系 統(tǒng) 可 以 提 供 數(shù) 字 話 音 、 數(shù) 據(jù) 和 視 頻 業(yè) 務(wù) ， 可 以 在 非常 復(fù) 雜 的 多 徑 環(huán) 境 中 很 好 地 完 成 定 位 和 識 別 ， 可 以 在 較 高 鏈 路 丟 失 環(huán) 境 中 提 供存 活 通 信 手 段 。 超 寬 帶 通信 具 有 優(yōu) 良 獨(dú) 特 的 技 術(shù) 特 性 和 潛 在 的 優(yōu) 勢 ， 并 且 可 緩 解 日 益 緊 張 的 頻 帶 資 源 要求 ， 使 其 成 為 現(xiàn) 在 國 際 和 國 內(nèi) 研 究 的 熱 門 課 題 之 一 ， 正 越 來 越 受 到 通 信 學(xué) 術(shù) 界和 產(chǎn) 業(yè) 界 的 重 視 。 從 電 視 、 廣 播 、移 動 通 信 、 到 雷 達(dá) 、 導(dǎo) 航 、 氣 象 、 定 位 、 衛(wèi) 星 ， 再 到 軍 事 領(lǐng) 域 中 的 制 導(dǎo) 武 器 、電 子 對 抗 等 領(lǐng) 域 取 得 了 極 為 豐 碩 的 研 究 成 果 。 近幾 年 隨 著 材 料 科 學(xué) 、 特 別 是 左 手 材 料 研 究 取 得 的 新 進(jìn) 展 ， 關(guān) 于 周 期 性 結(jié) 構(gòu) 介 質(zhì)對 電 磁 波 影 響 的 研 究 再 度 升 溫 ， 成 為 新 的 熱 點(diǎn) 。 這 種 天 線 可 以 工 作 在 12GHz， 而 且 具 有 準(zhǔn) 全 向 輻 射特 性 ， 群 延 時 差 值 不 到 ns。(2)共 面 波 導(dǎo) 饋 電 式 平 面 超 寬 帶 天 線 [4]， 它 尺 寸 小 ， V形 槽 的 長 度 可 以 適 當(dāng) 調(diào)整 ， 在 沒 有 V形 槽 的 情 況 下 其 工 作 頻 帶 可 從 。2022年 有 人 研 究 了 一 種 帶 有 分 形 調(diào) 節(jié) 柄 的 微 帶 槽 隙 天 線 ， 其 阻 抗 帶 寬 為 ， 具 有 全 向 輻 射 特 性 。2022 年 出 現(xiàn) 了 一 種 加 載 高 介 電 常 數(shù) 陶 瓷 的 縫 隙 螺 旋 天 線 [6]， 基 板 介 電 常數(shù) 分 別 提 高 到 30 和 90， 在 使 用 頻 率 下 降 27OMHz564MHZ 的 基 礎(chǔ) 上 使 其 面 積 減小 了 18%和 36%， 采 用 倒 錐 形 基 板 結(jié) 構(gòu) ， 用 同 軸 巴 倫 進(jìn) 行 饋 線 ， 通 過 改 變 基 板厚 度 來 實(shí) 現(xiàn) 匹 配 ， 缺 點(diǎn) 是 帶 寬 較 窄 ， 制 作 困 難 。 本文研究的主要內(nèi)容本 文 研 究 了 用 基 于 有 限 元 法 [8]的 仿 真 軟 件 HFSS 軟 件 對 超 寬 帶 單 極 子 天 線進(jìn) 行 仿 真 計(jì) 算 ， 研 究 天 線 的 幾 何 尺 寸 和 寬 頻 帶 特 性 ， 在 合 適 的 頻 率 范 圍 內(nèi) ， 分析 天 線 S 參 數(shù) 、 方 向 圖 等 物 理 參 量 隨 不 同 幾 何 參 數(shù) 的 變 化 規(guī) 律 ， 通 過 圖 形 方 式進(jìn) 行 了 對 照 分 析 。 通 過 矢 量 網(wǎng) 絡(luò) 分 析 儀 測 量 阻 抗 曲 線 和 回 波 損 耗 曲 線 ， 與 理 論 曲 線 進(jìn) 行 比較 。 最 后 總 結(jié) 研 究 結(jié) 果 ， 說 明 天 線 的 應(yīng) 用 價 值 。 第 一 章 總 體 的 介 紹 了 下 開 選 題 背 景 、意 義 及 研 究 現(xiàn) 狀 。第 三 章 介 紹 了 有 限 元 法 的 電 磁 計(jì) 算 方 法 。第 五 章 主 要 介 紹 了 新 型 超 寬 帶 單 極 子 天 線 的 研 究 ， 并 分 析 其 各 項(xiàng) 特 性 。 第 七 章 給 出 結(jié) 論 并 對 課 題 未 來 的 發(fā) 展 做 出 了 展 望 。 目 前 ， 有 兩 種 較 為 流 行 的 超 寬 帶 天線 的 定 義 。Bw=2 (2l)???????FCDRPA5LHf其 中 是 天 線 操 作 頻 帶 的 上 端 ， 是 對 應(yīng) 的 下 端 。 按 照 FCC 的 標(biāo) 準(zhǔn) ， 天 線 的 操作 頻 帶 的 上 端 和 下 端 分 別 定 義 為 天 線 的 輻 射 功 率 從 峰 值 下 降 一 10dB 對 應(yīng) 的 點(diǎn) 。 超寬帶天線的特點(diǎn)在 窄 帶 通 信 系 統(tǒng) 里 ， 傳 統(tǒng) 的 天 線 參 數(shù) ， 例 如 輸 入 阻 抗 匹 配 、 效 率 、 波 瓣 指 向 、波 瓣 寬 度 、 副 瓣 電 平 、 方 向 系 數(shù) 、 增 益 、 極 化 等 等 ， 被 用 來 評 估 天 線 的 技 術(shù) 性能 ， 因 此 天 線 工 程 師 只 要 根 據(jù) 這 些 參 數(shù) 的 確 定 就 能 評 估 天 線 。 駐 波 電 壓 比 （ VSWR） 是 衡 量 天 線 輸 入 /輸出 之 間 阻 抗 匹 配 額 的 參 數(shù) ， 要 求 在 工 作 帶 寬 內(nèi) ， 駐 波 電 壓 比 越 小 越 好 ， 既 要 求天 線 的 反 射 波 很 小 。要 使 輻 射 的 極 窄 脈 沖 波 形 盡 量 不 失 真 ， 盡 量 減 小 頻 率 色 散 和 空 間 色 散 ， 這 就要 求 UWB 天 線 在 整 個 工 作 頻 帶 內(nèi) 相 位 中 心 不 變 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第 11 頁圖 對數(shù)周期天線（左上）發(fā)出色散電磁波（右上）橢圓偶極子 UWB 天線（左下）發(fā)出非色散電磁波（右下）在 工 作 帶 寬 內(nèi) 天 線 要 保 證 具 有 高 而 穩(wěn) 定 的 輻 射 效 率 。 如 式 (12)所 定 義的 UWB 天 線 的 效 率 ， 其 中 激 勵 源 功 率 和 回 波 損 耗 ， 而 且 海 域 源 脈incPf（ ） 1)Sf沖 的 頻 譜 有 關(guān) 。 (2—2)????210_0incuwbtransincPfSfdf?????在 工 作 帶 寬 內(nèi) 天 線 還 要 保 持 具 有 穩(wěn) 定 的 天 線 增 益 、 極 化 ， 在 各 個 頻 點(diǎn) 上 的 功率 方 向 圖 要 大 致 相 同 。 天 線 與 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 性 阻 抗 ， 這 時 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 。 匹 配 的 優(yōu) 劣 一 般 用 四 個 參 數(shù) 來 衡 量 ， 即 反 射 系 數(shù) ， 行 波 系 數(shù) ，駐 波 比 和 回 波 損 耗 ， 四 個 參 數(shù) 之 間 有 固 定 的 數(shù) 值 關(guān) 系 ， 使 用 哪 一 個 純 出 于 習(xí) 慣 。 一 般 移 動 通 信 天 線 的 輸入 阻 抗 為 50Ω 。 駐 波 比 為 1， 表 示 完 全 匹 配 ；駐 波 比 為 無 窮 大 表 示 全 反 射 ， 完 全 失 配 。 過 大 的 駐 波 比 會 減 小 基 站 的 覆 蓋 并 造成 系 統(tǒng) 內(nèi) 干 擾 加 大 ， 影 響 基 站 的 服 務(wù) 性 能 。 回 波 損 耗 的 值 在 0dB的 到 無 窮 大 之 間 ， 回 波 損 耗 越 小 表示 匹 配 越 差 ， 回 波 損 耗 越 大 表 示 匹 配 越 好 。 在 移 動 通 信 系 統(tǒng) 中 ， 一 般 要 求 回 波 損 耗 大 于 14dB。 輻 射 特 性 有 輻 射 強(qiáng) 度 、 場 強(qiáng) 、 相 位 和 極 化 。 天 線 方 向 圖 是 在 遠(yuǎn) 場 區(qū) 確定 的 ， 所 以 又 叫 遠(yuǎn) 場 方 向 圖 。 方 向 圖 有 二 維 和 三 維 方 向 圖 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第 13 頁第 3 章 基于有限元法的電磁場計(jì)算方法　有限元法原理介紹有 限 元 法 （ FEA， Finite Element Analysis） 是 用 較 簡 單 的 問 題 代 替 復(fù) 雜問 題 后 再 求 解 。 這 個 解 不 是 準(zhǔn) 確 解 ， 而 是 近 似解 ， 因 為 實(shí) 際 問 題 被 較 簡 單 的 問 題 所 代 替 。 有 限 元 是 那 些 集 合 在 一 起 能 夠 表 示 實(shí) 際 連 續(xù) 域 的 離 散 單 元 。 有 限 元 法 最初 被 稱 為 矩 陣 近 似 方 法 ， 應(yīng) 用 于 航 空 器 的 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度 計(jì) 算 ， 并 由 于 其 方 便 性 、 實(shí)用 性 和 有 效 性 而 引 起 從 事 力 學(xué) 研 究 的 科 學(xué) 家 的 濃 厚 興 趣 ?！∮邢拊ǖ闹饕蠼膺^程對 于 不 同 物 理 性 質(zhì) 和 數(shù) 學(xué) 模 型 的 問 題 ， 有 限 元 求 解 法 的 基 本 步 驟 是 相 同 的 ，只 是 具 體 公 式 推 導(dǎo) 和 運(yùn) 算 求 解 不 同 。第 二 步 ： 求 解 域 離 散 化 ： 將 求 解 域 近 似 為 具 有 不 同 有 限 大 小 和 形 狀 且 彼 此 相連 的 有 限 個 單 元 組 成 的 離 散 域 ， 習(xí) 慣 上 稱 為 有 限 元 網(wǎng) 絡(luò) 劃 分 。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第 14 頁第 三 步 ： 確 定 狀 態(tài) 變 量 及 控 制 方 法 ： 一 個