一種加載振蕩源阻帶天線的研究

1、 一種加載振蕩源阻帶天線的研究專業(yè)：通信工程 姓名：鄧榕俊 指導(dǎo)老師：肖金祥摘 要 一個(gè)緊湊的帶阻帶的平面超寬帶天線特點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè)額外的小輻射貼片插入一個(gè)天線缺口，它可以實(shí)現(xiàn)在帶寬5.0 - 6.0GHz上表現(xiàn)出很好的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線滿足了工作帶寬在3.1-10.6GHZ且駐波比<2 GHz的帶寬需求，同時(shí)避免與5.8 GHz 無(wú)線局域網(wǎng)頻段的干擾。本文研究的是一種加載振蕩源的阻帶天線。對(duì)一些影響該類型天線系統(tǒng)駐波比的重要參數(shù)研究。關(guān)鍵字 超寬帶，帶寬，阻帶ABSTRACTA compact planar UMB antenna with band notched charac

2、teristics is presented.With the inclusion of an additional small radiation patch, a frequency-notched antenna is also designed and good out of band performance from 5.06.0GHz can be achieved. Experimental results show that the proposed antenna meets the requirement of wide-working bandwidth of 3.110

3、.6 GHz with VSWR2, while avoiding the interference with the 5.8 GHz WLAN band. This paper is a kind of stop-band oscillator loaded antenna. Some impact on the type of antenna system VSWR of the important parameters and the antenna system transfer function is given in.Key words：UMB Bandwidth Band-not

4、ched 目 錄1緒論21.1天線的概況21.2研究現(xiàn)狀31.3研究的意義41.4研究的內(nèi)容52天線的基本技術(shù)參數(shù)52.1 阻抗帶寬52.2 輻射方向圖72.3 方向性82.4 效率，增益93一種加載振蕩源阻帶天線的研究103.1研究手段103.2天線的設(shè)計(jì)104.天線的方針和研究124.1駐波比124.2方向圖144.3增益175.總結(jié)18參考文獻(xiàn)19答 謝201緒論本章主要介紹了天線的概況，并敘述了加載振蕩源阻帶的UMB天線研究的意義,并且就論文的研究?jī)?nèi)容作了說(shuō)明。1.1天線的概況1873年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（Maxwell）建立的電磁理論奠定了天線的理論基礎(chǔ)。1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲

5、（Hertz）在電磁波產(chǎn)生的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，首次使用了天線。即赫茲偶極子或基本振子。它由兩個(gè)相距甚近的小球組成，采用火花放電激勵(lì)電磁波輻射，接受使用環(huán)天線。100多年來(lái)，天線理論和技術(shù)，隨天線電電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速地成長(zhǎng)，目前業(yè)已成為一個(gè)獨(dú)立而完整的學(xué)科的學(xué)科體系。多種多樣的天線類型，廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，天線在開(kāi)拓和發(fā)展無(wú)線電技術(shù)中，已經(jīng)起來(lái)和正在起著重要的突破性的作用，其技術(shù)的發(fā)展前景將無(wú)可限量。為全面概括地了解天線的現(xiàn)狀，并展望其未來(lái)的發(fā)展。在此，不妨對(duì)過(guò)去的年代，做一簡(jiǎn)要的回顧。20世紀(jì)初，無(wú)線電技術(shù)主要用于長(zhǎng)波無(wú)線電通信。1901年意大利物理學(xué)家馬可尼（Marconi）最先使用大型天線實(shí)

6、現(xiàn)遠(yuǎn)洋通信，其發(fā)射天線采用50根下垂銅線組成，頂部用水平橫線連在一起，橫線牽引在兩個(gè)支撐塔上。這就是付之實(shí)用的第一付天線，即馬可尼天線，亦稱垂直接地天線或單極天線。當(dāng)時(shí)相應(yīng)提出了該天線的理論分析和工程設(shè)計(jì)方法。早期，天線的發(fā)展受到振蕩源的限制，大約到1920年，三極管出現(xiàn)，可以產(chǎn)生1MHZ連續(xù)波之后，諧振式半波天線才能得以實(shí)現(xiàn)。1925年前后，人們發(fā)現(xiàn)短波能夠被電離層反射，可用于遠(yuǎn)距離通信，于是便相繼產(chǎn)生了一些新型定向短波天線，例如同相天線、V型天線等。但是，由于電離層受太陽(yáng)輻射的影響，晝夜不同，四季變化，本身并不穩(wěn)定。為了解決由此引起的每天早晚更換通信波長(zhǎng)而必須改調(diào)天線的麻煩，又陸續(xù)出現(xiàn)了各

7、種波段的寬頻帶天線，例如倍波天線、菱形天線、籠形天線等。30年代中期，由于微波電子器件速調(diào)管和磁控管的產(chǎn)生，以及二次世界大戰(zhàn)軍事上的需要，雷達(dá)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，從而要求天線具有很強(qiáng)的方向性，于是各種新型的微波天線，如喇叭天線、拋物面天線、透鏡天線等，開(kāi)始發(fā)展并應(yīng)用起來(lái)。與此同時(shí)，有關(guān)天線的理論基礎(chǔ)、原理分析和計(jì)算方法，開(kāi)始逐漸形成了一門獨(dú)立的學(xué)科。此外，隨著頻率提高波長(zhǎng)變短，電磁波似光特性進(jìn)一步表現(xiàn)出來(lái)。從而為射電天文、航天技術(shù)、衛(wèi)星通信、定位、導(dǎo)航等方面的研究和應(yīng)用開(kāi)拓了廣闊的前景，使超短波及微波天線的應(yīng)用范圍日益廣泛，不僅在上述各方面，而且在電視及調(diào)頻廣播等方面也普遍應(yīng)喲個(gè)起來(lái)。隨之出現(xiàn)

8、了螺旋天線、對(duì)數(shù)周期天線、微波天線及蝙蝠翼型天線等多種形式的寬頻帶超短波天線。特別是超短波八木天線自1926年問(wèn)世以來(lái)經(jīng)久不衰，到現(xiàn)在仍占有非常重要的地位。近20年來(lái)，由于電子技術(shù)、空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，促使天線為適應(yīng)和滿足各種不同用途的要求，其形式和種類也日益增多，性能指標(biāo)不斷改進(jìn)提高。例如雙反射面卡塞格倫天線、自適應(yīng)天線、有源天線、與頻率無(wú)關(guān)天線等，也頗為人們關(guān)注。另外，由于遙感技術(shù)的發(fā)展，天線的散射特性、瞬時(shí)特性及天線在導(dǎo)體或等離子體中的輻射特性也都引起了廣泛的重視。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求雷達(dá)應(yīng)具有搜索、引導(dǎo)、跟蹤等多種功能及強(qiáng)抗干擾能力；而對(duì)于通信系統(tǒng)則要求具有更大的信

9、息容量。為此，時(shí)域天線這一新課題逐漸發(fā)展起來(lái)。同時(shí)還出現(xiàn)了微波全息天線及非正弦波天線等新領(lǐng)域。此外，在航天與衛(wèi)星技術(shù)中，得天線結(jié)構(gòu)特別提出了小型、輕便、平嵌等一系列要求，因此，微帶天線今年得到迅速發(fā)展，類型不斷增多，相應(yīng)課題的研究正在開(kāi)展，許多成功的設(shè)計(jì)已在空間電子學(xué)和常規(guī)天線領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。1.2研究現(xiàn)狀 本文研究的天線是基于UMB天線的，超寬帶天線技術(shù)作為超寬帶通信系統(tǒng)的重要組成部分得到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。近幾年來(lái)，超寬帶天線技術(shù)才得到各國(guó)科研人員的廣泛關(guān)注。超寬帶天線作為能夠有效輻射時(shí)域短脈沖的天線應(yīng)該保證能夠達(dá)到以下要求：a.天線的輸入阻抗具有超寬帶特性，即要求天線的輸入阻抗

10、在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，以保證信號(hào)能量能夠有效地輻射出去和不引起脈沖特性的改變或下降。b.天線的相位中心具有超寬頻帶不變特性，即要求天線的相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致。c,天線還要具有良好的方向圖特性，即頻帶內(nèi)的增益平坦度以及小型化的要求。超寬帶天線的設(shè)計(jì)工作必須同時(shí)兼顧上述要求，同時(shí)還要考慮到超寬帶通信系統(tǒng)中的超寬帶接收機(jī)等射頻前端電路對(duì)天線的要求。所以超寬帶天線的研究和設(shè)計(jì)工作是極具挑戰(zhàn)的。國(guó)外的研究學(xué)者起步較早，提出了很多具有創(chuàng)造性的天線模型。早期寬帶天線的代表是由Oliver Lodge提出的電容區(qū)域，但是天線的尺寸較大而且天線帶寬也較小。那個(gè)時(shí)期，所謂的“寬

11、帶天線”實(shí)際上就是多重諧振天線。這種天線具有很多個(gè)約為10kHz的窄帶，可以同時(shí)接收多個(gè)頻率不同的信號(hào)。國(guó)內(nèi)的超寬帶天線技術(shù)雖然起步較晚，但也得到了迅速的發(fā)展。多種新型超寬帶天線陸續(xù)涌現(xiàn)，本文研究的加載振蕩源的阻帶天線就是其中一種。目前國(guó)內(nèi)一些研究所已經(jīng)開(kāi)始對(duì)超寬帶天線技術(shù)進(jìn)行研究，雖初有成效，但是無(wú)論是理論還是應(yīng)用研究都與國(guó)外研究進(jìn)展無(wú)法比較。1.3研究的意義傳統(tǒng)的寬帶天線由行波天線、非頻變天線、喇叭天線等幾種類型組成。這些傳統(tǒng)的寬帶天線一般沒(méi)有穩(wěn)定的相位中心，由天線結(jié)構(gòu)不同的部分來(lái)決定不同頻率信號(hào)輻射的相位中心。因此，用傳統(tǒng)的寬帶天線來(lái)輻射頻譜較寬的納秒級(jí)短脈沖信號(hào)將帶來(lái)波形的嚴(yán)重失真。為

12、了適應(yīng)超寬帶脈沖通信的要求，人們通過(guò)不懈的努力提出了時(shí)域超寬帶天線的概念這種超寬帶天線的阻抗帶寬可以達(dá)到幾個(gè)甚至十幾個(gè)倍頻程同時(shí)具有穩(wěn)定的相位中心，能夠不失真輻射和接收短脈沖信號(hào)，這些顯著的特點(diǎn)使得超寬帶天線在航天和軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如星載通信系統(tǒng)，成像或艦載雷達(dá)，電子偵察和電子對(duì)抗等等。隨著聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communication Committee, FCC）逐步放寬對(duì)超寬帶技術(shù)應(yīng)用的限制，超寬帶天線技術(shù)將擁有更為廣闊的應(yīng)用空間。但同時(shí),超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻率段內(nèi)存在諸如無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等其他通信系統(tǒng)。為了防止超寬帶通信系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)潛在的相互干擾，

13、需使超寬帶天線在一些頻段上產(chǎn)生阻斷，即具有帶阻功能。可以在單極子天線的貼片上開(kāi)槽引入半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)，以獲得帶阻功能，也可以在天線的接地板上開(kāi)槽獲得帶阻功能。因此，研究具有阻帶功能的超寬帶天線對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)將有非常重要的意義。1.4研究的內(nèi)容本文設(shè)計(jì)了一種加載振蕩源阻帶的超寬帶天線。根據(jù)超寬帶天線技術(shù)指標(biāo)的要求，采用具有寬頻帶特性的微帶饋電圓縫隙超寬帶天線，通過(guò)在輻射體上開(kāi)槽電流枝節(jié)，使所設(shè)計(jì)的天線具有阻帶特性，盡可能的避免了對(duì)其他系統(tǒng)的干擾。并采用電磁仿真軟件CST對(duì)駐波比，方向圖，增益進(jìn)行仿真。2天線的基本技術(shù)參數(shù)本章我們主要討論幾個(gè)與天線設(shè)計(jì)相關(guān)的最基本參數(shù)單回顧一下包括天線的阻抗帶寬，輻

14、射方向圖，方向性，效率和增益。2.1 阻抗帶寬天線的阻抗帶寬表征天線與傳輸線的匹配情況。通常用饋線上的電壓駐波比（VSWR）來(lái)表示。而VSWR又與回波損耗和反射系數(shù)(等價(jià)于散射矩陣中的)緊密相連。首先我們對(duì)，VSWR和回波損耗簡(jiǎn)單介紹一下。其中被定義為如圖2-1所示的傳輸線模型上反射波和入射波的比，其表達(dá)式為:圖2-1 傳輸線模型 (2-1-1)其中。和分別是傳輸線阻抗和負(fù)載阻抗。傳輸線上的電壓和電流都是距離z的函數(shù)，表達(dá)式如下: (2-1-2) (2-1-3)其中。當(dāng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)完美匹配。因?yàn)樘炀€系統(tǒng)的平均入射能量和平均反射能量是: (2-1-4) (2-1-5)則由式(2-3)(2-5)可得傳

15、到負(fù)載的平均能量為: (2-1-6)下面我們計(jì)算幾個(gè)涉及天線阻抗帶寬常用的數(shù)據(jù):1.由于傳遞到負(fù)載的能量與成正比，則當(dāng)10%的能量被反射時(shí)， 由式（2-6）可得0.3162。2.根據(jù)VSWR的定義： (2-1-7) 由1已知當(dāng)10%的能量被反射時(shí)，則由式(2-7)可得VSWR=2。3.根據(jù)回波損耗的定義: 回波損耗= （2-1-8）同上，由式(2-8)得回波損耗=10dB。綜上所述，通常當(dāng)我們定義阻抗帶寬為滿足回波損耗大于等于10dB，即回波損耗10dB，此時(shí)<0.3162，VSWR<2。2.2 輻射方向圖為了描述天線在空間不同方向輻射功率的強(qiáng)弱的不同，我們引入輻射方向圖這一概念。

16、考慮在球坐標(biāo)中r為常數(shù)的一個(gè)大球面，其中r>>且r>>天線口面的線度，即我們研究的是天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。此時(shí)電場(chǎng)和磁場(chǎng)包含且僅僅包含和分量，分別為: (2-2-1) (2-2-2)則遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的坡印亭矢量是: (2-2-3)由于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是球面波，故電場(chǎng)的兩個(gè)分量總可以寫成: (2-2-4) (2-2-5)式中，是，的實(shí)函數(shù)。利用上述二式，可改寫為： (2-2-6)由于與r，有關(guān)，令： (2-2-7)稱為功率輻射方向圖，它表示單位立體角內(nèi)的輻射功率。將其歸一化，即得歸一化的輻射方向圖，記為: (2-2-8)天線的歸一化輻射方向圖常簡(jiǎn)稱為方向圖或波瓣圖，它是一個(gè)三維的立體圖。作為實(shí)

17、例，圖2-2給出了一個(gè)微帶天線的三維方向圖。圖2-2 微帶天線的三維方向圖 2.3 方向性為了描述方向性，我們首先引入各向同性天線的概念。設(shè)天線的輻射功率為，均勻地向所有的方向輻射，在半徑r的大球面上的功率密度記為，即: (2-3-1)顯然其歸一化方向圖，這是一個(gè)理想的各向同性的天線，它僅具有理論上的意義，實(shí)際上并不存在。所謂方向性是指，在同樣的發(fā)射功率下，真實(shí)的無(wú)耗天線的功率密度與理想的無(wú)耗各向同性天線輻射強(qiáng)度之比，記作，有: （2-3-2）將式(2-17)代入式(2-18)的分母，即得： (2-3-3)式中的是無(wú)耗天線的輻射功率，如果空間是無(wú)耗的，它還等于在半徑r的大球面上對(duì)真實(shí)的無(wú)耗天線

18、的輻射強(qiáng)度的積分，于是方向性: (2-3-4)式中，為方向性函數(shù)，那么， （2-3-5） （2-3-6）將分子分母同時(shí)歸一化，并注意到方向圖立體角的表示式，得: (2-3-7)令分子中的，得最大方向性，計(jì)作，可得： (2-3-8)式中表明最大方向性與方向立體角成反比關(guān)系，小則大，反之亦然。對(duì)于各向同性天線，=1。天線在任意方向的方向性可寫作: (2-3-9) 2.4 效率，增益在實(shí)際中，由于材料損耗等原因，天線是有耗的，這時(shí)需要用增益取代方向性。設(shè)饋給天線的總功率為，輻射到空間的功率是，一部分功率被天線本身?yè)p耗掉，由此定義天線的輻射效率為: (2-4-1)則增益的定義為，在加入相同功率的條件下

19、，真實(shí)的有耗天線輻射的功率密度與理想無(wú)耗各向同性天線輻射的功率密度之比，記作: (2-4-2)根據(jù)以上公式我們可以推導(dǎo)出增益和方向性的關(guān)系:增益為: (2-4-3)因?yàn)檎鎸?shí)的有耗天線輻射的功率為： （2-4-5）得： （2-4-6）再由方向性的表示式(2-20)，于是我們可得增益和方向性的關(guān)系為： （2-4-7）3一種加載振蕩源阻帶天線的研究3.1研究手段在天線研究過(guò)程中主要使用的是基于有限積分法的電磁仿真軟件CST Microwave Studio。該軟件已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)和通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，包括射頻和微波部件、天線和天線陣等，經(jīng)過(guò)

20、多年的應(yīng)用，得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛肯定。利用CST內(nèi)置的天線建模工具，可以一次快速地完成天線的建模，大大地提高了建模效率和精度。仿真結(jié)果可以輸出UWB天線的電壓駐波比VSWR、絕對(duì)增益、輻射方向圖等基本參數(shù)。3.2天線的設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)圖正面如圖3-1所示，背面如圖3-2所示。整個(gè)天線印刷在介電常數(shù)半徑為，厚度的介質(zhì)基板兩側(cè)。天線的正面是一個(gè)R的圓形金屬面，它與特性阻抗為50歐姆的微帶線饋電相連進(jìn)行饋電。天線的背面是一個(gè)金屬面和一個(gè)的金屬面。前后由一個(gè)大小為R1的圓柱形阻帶相連。LWW2W3W4L1W1Rh 圖3-1 天線正面結(jié)構(gòu)圖 圖3-2 天線背面結(jié)構(gòu)圖表3-1天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)變量WLL1RR1

21、W1W2W3abhmm304014.88222023.65122.725.8為了得到所研究天線所具有的阻帶特性，在正面半徑為R的圓形金屬上背面的小金屬快上開(kāi)了一個(gè)半徑為R1的圓，并通過(guò)介質(zhì)金屬前后相連，獲得所研究的天線-加載振蕩源的阻帶天線。此天線可以很好的避免其他頻段的干擾。駐波比也可以維持在一個(gè)理想結(jié)果。表3-1是天線選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。4.天線的方針和研究4.1駐波比 根據(jù)測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)在帶寬3.1-10.6GHZ（不包括4.9-6.1GHZ）之間滿足VSWR<2這和仿真結(jié)果吻合，結(jié)果如圖4-1所示 圖4-1仿真實(shí)測(cè)8 為了研究在輻射體上開(kāi)槽對(duì)天線阻抗特性的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，

22、對(duì)金屬塊寬度a=9 mm，a =10 mm，a =12 mm,a=13 mm,a=15 mm的情況分別做了仿真，并將駐波比做了比較，比較結(jié)果如圖4-2所示。寬度a主要對(duì)低頻段的阻帶頻率造成影響，表4-1隨a變化各技術(shù)參數(shù)的變化情況。 圖4-2參數(shù)a變化對(duì)電壓駐波比的影響 表4-1參數(shù)a變化對(duì)各技術(shù)參數(shù)的影響參數(shù)a賦值（mm）151312109阻帶（GHZ）4.2-5.74.6-5.84.9-5.15.4-6.55.9-6.9帶寬(MHZ)15001200130011001000阻帶中心頻率（GHZ）5.135.35.66.056.57阻帶中心頻率的駐波比19.321.723119.821 圖4

23、-3是金屬塊長(zhǎng)度b變化對(duì)駐波比的影響。在其他參數(shù)不變的情況下，取b=1.8mm，b =2.2mm，b=2.2 mm,b=2.7 mm,b=2.9 mm進(jìn)行仿真。表4-2隨b變化各技術(shù)參數(shù)的變化情況。 圖4-3參數(shù)b變化對(duì)電壓駐波比的影響表4-1參數(shù)a變化對(duì)各技術(shù)參數(shù)的影響參數(shù)b賦值（mm）3.12.92.72.21.8阻帶（GHZ）3.8-6.04.1-6.14.9-6.15.3-6.355.8-6.8帶寬(MHZ)22002000120010501000阻帶中心頻率（GHZ）5.325.445.65.86.2阻帶中心頻率的駐波比34.838.723.119.813.54.2方向圖圖4-4給出

24、天線在不同頻率的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)三維輻射場(chǎng)。由圖可以看出，該天線在H面（xoz）方向圖近似全向，波動(dòng)不大，在高頻部分稍差些，但是相對(duì)穩(wěn)定。E面（xoy,yoz）方向圖呈典型的倒8字形。 F=2GHZ F=3GHZ F=4GHZ F=5GHZ F=6GHZF=7GHZ朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音 F=8GHZ F=9GHZ F=10GHZF=11GHZ圖4-4 天線在不同頻率遠(yuǎn)區(qū)三維輻射場(chǎng)4.3增益圖4-5給出天線增益隨頻率變化的曲線。從圖中可以看出天線的增益在5-6GHz的阻帶范圍內(nèi)急劇下降，這與駐波比在5-6GHz出現(xiàn)阻帶一致。在其它頻段增益在24dB間變化，基本趨于穩(wěn)定。

25、圖4-5天線的增益曲線5.總結(jié)無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展到今天，作為關(guān)鍵性部件的天線無(wú)論是在功能、結(jié)構(gòu)形式或是用途上與過(guò)去相比都有很大的變化和拓展。自從開(kāi)放超寬帶技術(shù)應(yīng)用規(guī)范后，實(shí)用系統(tǒng)對(duì)超寬帶天線的需求急劇增加。超寬帶通信技術(shù)的新特點(diǎn)對(duì)天線有了新的要求，盡管過(guò)去己有相當(dāng)種類的寬帶天線，但此時(shí)己不再適用。從通信設(shè)備終端天線的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，結(jié)合寬頻帶、小型和智能化特點(diǎn)的天線已逐漸成為設(shè)計(jì)的主流。而超寬帶通信系統(tǒng)極寬的寬帶有可能對(duì)其它系統(tǒng)造成干擾，從這點(diǎn)出發(fā)，阻帶特性將成為研究超寬帶天線需要考慮的一個(gè)重要因素。本文提出了一種加載振蕩源阻帶的天線,通過(guò)在輻射體上開(kāi)槽，避免了超寬帶通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)的干擾。通過(guò)電磁仿真軟件CST確定了天線的