高增益全向天线的设计分解.docx

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高增益全向天线的设计分解

南京工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

***学号：

***

系部：

通信工程学院

专业：

通信工程

题目：

高增益全向天线的设计

指导者：

***教授

评阅者：

***讲师

2013年6月南京

DesignontheHigh-gainOmnidirectionalAntennas

ADissertationSubmittedto

NanjingInstituteofTechnology

FortheAcademicDegreeofBachelorofScience

By

JianjunLu

Supervisedby

Prof.QiWang

CollegeofCommunicationEngineering

NanjingInstituteofTechnology

June2013

摘要

本课题设计和研究了一种高增益全向天线，天线采用分段线结构，并用电感线圈进行加载，有效增益达到7dB左右，可工作在频率为2.4GHz附近且在工作频率范围内驻波比小于2。

课题的主要工作是分析了天线产生高增益的基本原理，研究阵列结构和加载技术，通过改变阵列之间距离的加载大小，实现在水平面方向图的压缩。

本研究主要采用基于有限积分法的电磁仿真技术来实现，并通过CST仿真技术对天线的方向图和回波损耗进行研究得到相关数据。

在仿真计算的基础上，构建天线的实验模型，对影响天线特性的主要因素进行了仿真比较研究，得出一些重要结论。

通过制作实物模型，并用矢量网络分析仪来测出数据，验证仿真结果的正确性，结果表现出较好的一致性。

设计过程中还通过软、硬件相结合的方法，测量了天线的辐射特性，进一步验证了所设计天线的高增益性能。

关键词：

全向天线，阵列，高增益，方向图，驻波比，CST

Abstract

Ahighgainomni-directionalunipoleantennaisstudiedinthispaper.Theantennaadoptsthesegmentedlinestructureandusesinductivecoilforloading.Theeffectivegainoftheantennacanreachto7dBanditcanworkinthefrequencybandof2.4GHzandtheVSWRislessthan2.Themaintaskofthepaperistoanalyzethebasictheoryofthehighgainantenna.Thearraystructureandloadingtechniquesarealsoinconsideration.Throughchangingthedistancebetweenthearraysegments,theradiationpatterncanbecompressedinhorizontaldirection.ThisresearchadoptselectromagneticsimulationtechnologyCSTtorealize,whichisbasedonthemethodoffiniteintegral.ThroughtheCSTsimulation,Icangettherelationshipofreturnlossvsfrequncyandotherrelevantdata.accordingtothesimulation,optimizationandanalyses,theauthorconstructedaexprimentmodelandmeasureditsvoltagestationalwaveratiobyusingthevectornetworkanalyzerandgoodresultshasbeenseen.Theauthoralsoadopttheindirectmethodofcombingthesoftwarewiththehardwaretomeasuretheantennaradiationcharacteristicsoftheantenna.Itisprovedthattheantennahasthepropertyofthehigh-gainantenna.

Keywords：

Omni-directionalantenna,Array,HighGain,Pattern,VSWR,CST

第1章绪论

1.1选题背景及意义

天线是无线通讯的前端发射和接收装置，其性能影响着电波信号的传输效果。

凡是无线通信系统，例如电视、广播、雷达、GPS导航等都需要天线，因此，天线在无线通讯系统的设计中具有十分重要的地位。

一个结构合理，性能优良的高增益天线系统可以最大限度地降低对整个无线系统的要求，能节约系统成本，又可以提高整个无线系统的性能。

随着现代无线通信技术的飞速发展，通信系统的日趋小型化和高度集成化成为其主要的发展方向，而作为通信设备的前端关键部件的天线，其性能的优越与否对整个通信质量起着至关重要的作用。

因此，对移动终端的天线研究己成为一个重要方向并得到广泛关注，其研究主要集中在小型化、宽频带以及多频带等。

天线作为辐射和接收电磁波的重要部件，是无线系统中重要的组成部分。

天线的优劣直接决定通信质量的好坏。

所以没有天线就无法建立起任何无线电系统。

因此，要与无线电设备发展相适应高增益线天线阵列的研究日益活跃[2]。

天线的主要功能：

1.天线应该能将导波能量最大化地转为成电磁波能量。

为了满足这个条件就要要求天线是一个良好的电磁开放系统，还要求天线与发射机或接收机相匹配。

2.天线应尽可能的使电磁波尽集中在确定的方向上面，或者对确定的方向的来波能够最大限度地接收，即天线具有方向性。

3.天线应能发射或接受规定极化的电磁波，即天线有适当的极化。

4.天线应有足够的工作频率[3]。

1.2研究现状

随着现代科学技术的不断发展以及人们日渐对高性能天线的需求，天线理论、设计及其应用取得了迅猛的发展，其中天线阵列就是天线中比较重要的一类。

一个或多个离散天线组成的天线系统称之为天线阵。

天线阵的形式多种多样，根据单元的排列形式有线阵和平面阵。

天线阵列广泛的被应用于雷达和军事等领域，其主要功能是用来完成空间滤波和定位。

自适应天线阵列是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的。

自适应阵列是以天线阵列为基础的，首先取得电磁信息，然后使用人工智能化的方法对其进行研究处理，对电磁环境做出分析、判断，并自动调整本身的工作状态使之达到最佳。

1.3本文研究内容及安排

本文主要内容是高增益全向天线的设计和研究并制作一根工作在2.4G增益在7db左右，驻波比小于2的天线。

还介绍了用基于有限积分法的仿真软件CST对高增益全向天线进行仿真与计算，研究了天线的辐射特性和谐振特性，在合适的频率范围内，分析天线方向图等物理参量随不同几何参数的变化规律，深入研究了全向天线的增益随螺旋电感圈数跟高度改变而改变的情况。

首先通过对图形进行对比分析以及根据一系列的仿真数据，设计了一个高增益全向天线的实物模型，通过矢量网络分析仪测量阻抗曲线和回波损耗曲线，与仿真所得的理论曲线进行比较，而后对仿真数据和实验数据进行分析研究，总结研究结果，以证明软件仿真方法的正确性，随后研究了螺旋电感对微带天线增益的影响，比较分析结果，最后得出结论。

第1章，绪论介绍了天线主要的应用与研、高增益全向天线及天线阵列的研究现状和发展趋势，并对本论文的结构进行安排。

第2章，基本理论：

介绍了天线的基本参数，天线阵列的相关知识

第3章，高增益全向天线的特点和实现方式，单极子天线和螺旋加载天线的特点。

第4章，有限积分法的主要计算方法和CST进行天线仿真模型的构建以及计算并通过实物模型的制作并结合软硬件测试自制天线的实际结果。

分析了影响高增益天线性能的主要参数，并作出误差分析。

第5章，利用网络矢量分析仪测量分析高增益全向天线的性能参数。

第6章，结论与展望：

总结本文的工作并对下一步的研究方向进行展望。

第2章天线基本理论与技术发展

2.1天线的的主要性能参数

本章主要介绍了天线的带宽，辐射方向图，极化特性和增益等相关性能参数。

2.1.1天线的带宽

天线的所有性能参数都和工作频率有关。

任何天线的工作频率都有一定的范围，当工作频率偏离中心频率

时，天线的性能参数将变差，其变差的容许程度取决于天线设备系统的工作特性要求。

当工作频率变化时，天线的有关参数变化的程度在所允许的范围内，此时对应的频率范围称之为频带宽度。

根据天线设备系统的工作场合不同，影响天线频带宽度的主要性能参数也不同。

1、相对带宽：

相对带宽是指天线的绝对带宽与其工作频带内的中心频率f的比值。

（2.1）

其中fmax是工作频带的上限频率

工作频带的下限频率。

2、倍频带宽：

工作频带的上限频率与下限频率的比值。

（2.2）

通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线而相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，窄与宽是相对的，习惯上，fmax/fmin≥2就认为是宽频带天线。

2.1.2辐射方向图

天线的辐射电磁场在固定的距离上随角坐标分布的图形，称之为辐射方向图。

用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之为功率方向图，用相位表示的称之为相位方向图。

在实际应用中通常采用功率通量密度或者场强的归一值来表示方向图，称之为归一化方向图。

方向图也可以用分贝来表示，称之为分贝方向图。

天线方向图是空间立体图形，但通常是用两个互相垂直的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。

主平面的选取方法因问题的不同而有所差异。

由于地面对假设在其上的线天线影响较大，一般采用水平平面和垂直平面作主平面。

在面型天线中，则采用采用的两个主平面是E面和H面。

归一化方向图取最大值为一。

E面是最大辐射方向和电场矢量所在的平面，H面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。

在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫做天线的主波瓣，也称为天线波束。

主瓣之外的波瓣叫做副瓣或边瓣，与主瓣方向相反的旁瓣叫后瓣。

（如图2.1）全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；（如图2.2）定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。

在离某天线距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同意距离处的辐射功率流密度之比为方向系数。

（a）全向天线水平波瓣图（b）全向天线垂直波瓣图

图2.1全向天线波瓣图

（c）定向天线水平波瓣图（d）定向天线垂直波瓣图

图2.2定向天线波瓣图

2.1.3驻波比和增益

驻波比

驻波比的全称为电压驻波比，它是行波系数的倒数，在入射波与反射波相位相同的地方，最大电压振幅Ｖmax为他们的电压振幅相加，形成了波腹；在入射波相位和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Ｖmin，形成了波节。

其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。

这种合成波我们称之为行驻波。

声压幅值Vmax与波节处的声压幅值Vmin之比就是驻波比。

在驻波管法中，测得驻波比，就可以求出吸声材料的声反射系数和吸声系数。

（2.3）

反射系数

（2.4）

　　式中R和r分别是输出阻抗和输入阻抗。

当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数K等于0，驻波比为1。

这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。

驻波比就是一个数值，用来表示天线和电波发射台是否匹配。

若SWR的值等于1，则表示发射传输给天线的电波没有发生任何反射，全部发射出去，这是讨论中最为理想的情况。

如果SWR值大于1，则表示有一部分电波反射了回来，这些被反射回来的波最终变成了热量，使得馈线温度升高。

被反射的电波在发射台输出口也可产生相当高的电压，有可能损坏发射台。

天线增益

用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是描述天线性能重要的参数。

它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

通常来讲，提高增益的方法主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。

表征天线增益的参数有dBd和dBi。

DBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。

天线主瓣宽度越窄，增益越高。

对于一般天线，可用下式估算其增益：

（2.5）

　　式中，2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度；32000是统计出来的经验数据。

对于直立全向天线，有近似计算式

（2.6）

式中，L为天线长度；λ0为中心工作波

2.1.4极化特性

极化特性是指天线在主辐射方向远距离点上所观察到的辐射平面波的极化特性。

接收天线的极化特性与它用作发射天线时的极化特性相同。

为了获得最大传输功率，发射天线与接收天线的极化特性应该一致，如果发射天线和接收天线的极化特性不一致，传输效率就会降低，这称为极化失配。

天线的极化就是当天线发射时，在给定方向辐射波的极化，其方向就是天线辐射电磁波电场矢量的瞬时指向。

通常，天线的极化特性在主瓣上保持相对恒定，而用主瓣峰的极化方式来表示天线主极化方式，天线的极化类型分为线极化、圆极化和椭圆极化。

图2.3极化类型

2.1.5天线的波瓣宽度

定向天线中常用的且比较重要的一个参数就是波瓣宽度，主要是指天线辐射图中所有低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。

天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。

主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。

水平平面的半功率角（H-PlaneHalfPowerbeamwidth）:

（45°,60°,90°等）定义了天线水平平面的波束宽度。

角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但是当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。

角度越小，在扇区交界处覆盖越差。

提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。

2.2天线阵列的研究

2.2.1天线阵列的原理

单一天线的方向性是有限的，为适合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列，也叫天线阵。

构成天线阵的天线辐射单元称为阵元。

天线阵的工作原理可以看成是电磁波（电磁场）的叠加。

对几列电磁波来讲，当它们传到同一区域时，按照叠加原理，电磁波将产生矢量叠加。

叠加结果不仅与各列电磁波的振幅大小有关，而且与它们在相遇区间内相互之间的相位差有关。

我们知道，电磁波的相位组成包含三部分：

时间相位，空间相位，初相位。

就初相位来讲，当发射天线和工作频率确定后，其初相位就是确定的，而在几列电磁波相遇的时刻，时间相位也是确定的，只有空间相位可能发生变化，因为组成天线阵列的各单元天线位置不同，各自发出的电磁波传到同一接收区域时所走的空间路径不同，这样就会造成空间相位的数值大小不相同。

正是由于位于不同位置上的发射天线所发出的电磁波传到同一接收区域造成的空间相位出现差别，必然引起几列电磁波在相遇区域形成同相位叠加，总场强增强，反相位叠加，总场强削弱。

若总场强的增强和削弱区域在空间保持相对固定，就相当于用天线阵改变了单个天线的辐射场结构，这就是天线阵改变辐射场大小和方向性的原理。

2.2.2天线阵列的分类

天线阵列也可以按照天线元的连接方式分类。

相控阵的所有元都连接到馈线，对于单个天线元，还有相位偏移、功率分配和阻抗匹配等问题，但是他们都接收来自于馈线的功率（假设为发射天线）。

由于发射机提供了用于“驱动”各个天线元的功率，因此这种天线也叫“被驱动阵列”。

另一方面，有些天线阵列中只有一个天线元与馈线想连接，而其他元的工作则是吸收和转射来自被驱动天线元的辐射功率，这些天线元叫做“寄生元”，这种天线叫做“寄生阵列”。

相控阵按最大辐射方向，可分为垂射和端射两种。

如果天线阵列的最大辐射方向与天线的主轴（这个主轴并不一定与其中单个天线元的主轴相同）相垂直，则称这种天线为垂射天线阵列；如果最大辐射方向沿着天线的主轴，就称为端射天线。

（1）直排阵列

直排阵列是垂射阵列的一种类型，各天线元的轴沿着同一条直线放置。

以半波偶极子直排阵列为例，所有天线元在阵列主轴方向上都没有能量辐射，因此在这个方向上没有信号；但在阵列的一侧所有天线单元都有能量辐射（要考虑相位问题）。

直排阵列天线安装时，通常是主轴垂直放置。

它们在水平方向上是全方向性的，但是在垂直平面内的辐射角较小。

因此，它们适合制作很好的移动无线系统基站天线。

许多蜂窝无线系统和PCS系统的基站使用的是直排阵列。

（2）垂直阵列

将天线单元按多列同向排列，阵列的主轴与单元的主轴垂直，也能组成一个垂射阵列，安装时使主轴垂直放置。

次阵列中天线元虽然不是直排的，但仍然是同相位。

与直排阵列不同的是它们的极化方式。

以偶极子天线阵列为例，相邻天线元间距为半个波长，并且馈线交叉连接。

直排阵列是垂直极化天线，而垂射阵列是水平极化的。

（3）端射阵列

以偶极子天线为例，将上述垂射阵列中各相邻天线元的馈线交叉连接改为平行连接，使得与每个天线元前后相邻的两个天线的相位差为180度，因此来自一个天线元的辐射在垂射方向上与相邻的辐射抵消，在离开天线端点的方向上，来自天线元的所有辐射将叠加起来。

这种天线安装一般使其主轴水平，并使其辐射处于一个方向上。

这种天线的极化方向取决与所使用天线单元的极化方向。

（4）绕杆式天线

以偶极天线元为例，绕杆式天线在水平面内获得全向的性能，并且极化方式是水平的。

偶极天线的馈电相位之差是90度。

绕杆式天线经常用于FM广播接收，在这种应用中，绕杆式天线不需要转子就可以在各个方向上表现出合适的性能。

（5）对数周期偶极天线阵列

这种天线的阵元是偶极天线，其中最长的偶极天线元的长度是最低工作频率的半个波长，最短的天线元长度则小于最高工作频率的半个波长。

平行馈线与天线的窄端相连，功率可由交叉连接的网络馈电到其他偶极天线。

第3章高增益全向天线的特点和实现方式

3.1单极子天线，偶极子天线

偶极天线和单极天线是天线技术中应用最广泛的天线，在通信、广播、电视、导航、雷达、遥测以及遥感等工程系统中均有应用。

从使用波段而言，这些被广泛的应用于从长波到微波波段，可以作为独立的天线来进行工作，也可作为一个天线阵的独立阵元，还可以作为某些天线的部分结构，从结构上来讲他们是比较简单而且易于实现。

通常来说天线两臂的几何尺寸或结构形式完全对称的为偶极天线，也就是中心馈电的对称振子。

如果两臂的结构或者尺寸完全不对应，则称之为不对称偶极天线。

如果底是无限大理想导电平面，则在分析单极天线的电参量时可采用镜像法求的电参数，如单极天线的输入阻抗等于同结构尺寸的偶极天线的一半，对地面以上半空间而言，其方向图也是相同的。

单极天线无限大理想导电平面上接地直立单极天线如图3-1所示:

3.2螺旋电感加载天线

3.2.1加载天线

根据加载元件接入的特点，可以将加载分为串联加载和并联加载两大类。

串联和并联这两种加载形式又可以是分布型的，集中型的或混合型的。

如果天线电流是与天线中连续分布的轴向电场强度成比例，则称这种天线为串联型分布加载天线，一个最简单的实例就是由电阻棒做成的天线，比如在介质棒上敷上一层特定厚度的碳膜，让天线的内阻抗按照特定的函数分布，尽可能的使天线上全部呈现行波电流分布，这种天线有着比较宽得阻抗带宽。

如果天线上某两点间的电压与此两点间的电流成正比，而且当这两点无限靠近时，该电压仍保持为有限值，则此两点间必存在一个集中的加载元件，称此天线为串联型集中加载天线。

例如在线天线的两个导线间插入集中的电阻、电感或电容等。

如下图所示：

本设计采用的是串联型集中加载。

如果在天线的加载段存在有与天线轴垂直、而大小与径向电场强度成比例的分布电流，则称该天线上存在一个并联的分布加载。

例如在天线表面上敷上一层介质涂层就属于这一类的加载。

如果将前一种加载实施到天线线段上一个极小的范围内，且此径向电流仍保持为一有限值，则称在此点处存在一个并联的集中加载。

例如在天线的适当位置处固定一个与天线轴相垂直的金属薄圆片，就构成了并联集中加载。

为实现上述要求，可以在天线中引入电阻将反射波吸收，这样的加载天线可以集中加载，也可以分布加载。

3.2.2电感

在电路中，当电流流过导体时，会产生电磁场，电磁场的大小除以电流的大小就是电感。

它是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。

给一个线圈通入电流，线圈周围会产生一定的磁场，线圈中就会有磁通量通过。

如果通过线圈的电源越大，磁场就会越强，通过线圈的磁通量也就越大。

通过实验表明，通过线圈的磁通量和通入的电流成正比，它们的比值称之为自感系数，也常叫电感。

如果通过线圈的磁通量用φ表示，电流用I表示，电感用L表示，那么L＝φ/I。

3.2.3电感线圈的主要特性参数

1、电感量L

电感量L表示电感线圈本身的固有特性，与电流的大小无关。

除专门的电感线圈（色码电感）外，电感量一般不会专门标注在线圈上，而以特定的名称标注。

2、感抗XL

交流电也可以通过线圈，但是线圈的电感对交流电有阻碍作用，这个阻碍叫做感抗XL，单位是欧姆。

感抗XL、电感量L以及交流电频率f之的关系为XL=2πfL

3、品质因数Q

品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即：

Q=XL/R。

3.2.4电感加载单极子天线的特点

通过给天线合适的加载，可以使天线上部分或全部呈行波分布，进而使天线输入阻抗及辐射方向图等特性具有宽带性。

对于电感加载天线，尽管其宽频带特性没有得到明显的提高，但效率较高，且电感加载单极天线的定向性和增益也得到了提高。

电感加载单极子天线使用了独特的几何结构，能够提供比轴式螺旋天线大得多的增益，而尺寸却缩到其四分之一。

这种小尺寸和高性能的结合使得该天线对不影响环境美观的点对点连接和点对多覆盖应用有很强的吸引力。

3.3高增益天线与全向天线

3.3.1全向天线

全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是我们平常所说的无方向性天线，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。

全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。

3.3.2高增益天线

高增益天线（英文：

Highgainantenna）相对来说是辐射方向上更加狭窄，在某些方向上的辐射较为集中，故能量集中到某些方向上去了，故体现为某些方向上的增益。

在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。

它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

可以这样来理解增益