半波振子天线宽带阻抗匹配设计中的加罩法
第28卷第1期杭州电子科技大学学报V ol.28,N o.1 2008年02月Journal of Hangzh ou Dianzi University Feb.2008
半波振子天线宽带阻抗匹配设计中的加罩法
陈丹凤,官伯然
(杭州电子科技大学天线与微波技术研究所,浙江杭州310018)
摘要:该文提出了一种加天线罩来实现半波振子天线宽频带阻抗匹配的方法。首先,以半波振子
天线为研究对象,用电磁仿真软件对单层以及B-夹层罩壁结构进行仿真,其结果验证了方法的正
确性。在此基础上,设计了一种C-夹层天线罩罩壁结构。所设计的C-夹层天线罩具有结构强
度高、透波性能好、对天线辐射特性影响小等特点。半波振子天线外加所设计的天线罩后带宽性
能好,能在宽频带范围内实现阻抗匹配,适用于第三代移动通信系统。
关键词:半波振子;宽带阻抗匹配;天线罩;移动通信
中图分类号:T N821 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2008)01-0028-04
0 引 言
在移动通信系统中,空间无线信号的发射和接收都是依靠天线来实现的。而半波振子天线是最经典,也是目前应用最广泛的天线。如果将天线暴露在自然环境中,必然会减小天线的寿命,甚至导致天线工作不稳定。因此一般将天线放置于天线罩内。一个设计优良的天线罩除了具有保护性、可靠性外,还能进一步改善天线性能。至今应用的第二代移动通信系统的使用频段较低,可以忽略介质罩对天线性能的影响;而对于第三代移动通信系统,例如I MT-2000,其频段达到2G H z左右,需要考虑加罩对天线各指标的影响[1]。对于移动通信领域的天线罩来说,罩壁结构位于天线近场区,主要研究天线罩对驻波比、辐射方向图等指标的影响[2]。现代通信要求天线具有宽频带高增益特性,要想拓宽天线的带宽,必须采取匹配措施。匹配的好坏直接影响天线的驻波比和增益[3]。而现行的方法一般都采用设计匹配网络的方法。本文提出了一种用天线罩实现半波振子宽带阻抗匹配的方法。
1 天线罩结构的选择
天线罩结构可分为单层、半波壁长型和夹层结构。在天线罩设计中,最简单的结构是单层平板。在高频时,多采用介质半波长壁厚度;在低频(1G H z以下)时,多采用薄壁厚度(<1/20λ);在介于这两个频段间,由于重量、结构等要求和带宽特性等因素,有时采用A-夹层平板结构,它的重量轻,电气性能尚可。为了提高结构强度,增加宽带,扩大可运用的入射角范围和进一步提高结构强度,又出现了多夹层(层数n≥5)壁结构[4]。
夹层结构又分为A夹层、B夹层、C夹层及多层等形式。A夹层结构具有良好的重量-强度比,在小到中等入射角的情况下反射很低,可实现最大功率传输。B夹层结构对材料要求较高,通常中间层介电常数为外层介电常数的均方值。C-夹层结构是由两个表皮、一个中间蒙皮和两个芯层组成的五层结构。它透过性较好,可获得较高的传输性能,有很高的结构强度[4]。
根据移动通信天线罩要求在较宽的工作频带内透波率高的特点,必须选择频带宽、传输效率高的罩
收稿日期:2007-06-05
作者简介:陈丹凤(1983-),女,浙江浦江人,在读研究生,电磁场与微波技术.
壁结构,同时考虑到机械强度等综合因素,移动通信天线罩选择了电气性能好、结构强度高的C -夹层结构。
2 天线罩理论分析
随着现代通信技术的迅速发展,要求天线罩能有1-2个倍频程的带宽,故需采用多节阶梯阻抗变换器的设计方法来设计宽频带天线罩。对入射波,介质平板可当作一般均匀传输线,所以可将多层介质组成的结构,按阻抗阶梯结构来考虑。在天线罩设计中,常采用如图1所示的对称结构
。
图1 对称多层介质平板的等效阶梯变换器示意图
图1中相对中心线的左边部分,其输入阻抗为Z c0,输出端阻抗为Z cN +1,左边部分就相似于一个多阶梯式阻抗匹配器。实际上就是将单阶梯匹配器的较大阻抗突变分散成几个较小的突变,然后合理地选择其突变的平板的等效特性阻抗及厚度,使其产生的反射在一定频带范围内能相互抵消以致变得非常小。
3 C -夹层天线罩的设计
首先分别对文献1的单层与文献5的B -夹层天线罩进行仿真,验证方法的正确性。仿真模型如图2所示,天线为半波振子天线。为验证方法的正确性,与文献1和5保持一致,选取天线直径a 为5mm ;振子高度L 略短于λ0/2;H c 为罩体高度,取250mm ;无罩天线工作中心频率f 0为1.92G H z ,工作波长λ0为156.25mm 。
频率范围为1.32-3.52G H z 。3种天线罩的罩壁结构示意图如图3所示。单层、B -夹层与所设计的C -夹层天线罩各参数如表1所示。
图2 天线罩模型 图3 3种天线罩罩壁结构示意图
92第1期 陈丹凤等:半波振子天线宽带阻抗匹配设计中的加罩法
表1 3种天线罩的结构参数参数
天
线罩单层B -夹层C -夹层层数n
135罩内壁半径R in
0.045λ00.05λ00.024λ0罩壁厚度T c
0.05λ00.05λ00.05λ0第n 层厚度d n d =0.055λ0d 1=d 3=0.0125λ0
d 1=d 5=0.01λ0d 2=0.025λ0d 3=2d 1
d2=d4=0.005λ0
第n 层介电常数εm εr =3.0εr 1=εr 3=2.2
εr 1=εr 3=εr 5=7εr 2=6.56
εr 2=ε4r =3.4介质损耗角正切tan δtan δ≤0.005tan δ≤0.005tan δ≤0.005
4 宽带阻抗匹配的实现
半波振子天线加不同天线罩的仿真结果如图4-6所示。
(1)带宽特性
图4中3条曲线在VSWR <2.0下的带宽相比,B -夹层天线罩带宽优于单层天线罩一部分反射波得到抵消。而半波振子天线外加所设计的C -夹层天线罩后,经过多次反射的反射波相互进一步抵消,阻抗得到更好的匹配。频率范围内VSWR 几乎都小于1.6,约有95%的功率得到有效传输。
(2)加罩对天线辐射性能的影响
当f =1.92G H z 时,天线加3种天线罩时的的远场辐射方向图F (θ)基本一致。F
(θ)相对于天线不加罩时F 0(θ)的变化曲线如图5所示,明确地显示了各天线罩对天线辐射性能的影响。其中,△F (
θ)=F (
θ)-F 0(θ)。 图4 天线加罩后的带宽特性 图5 加罩对天线辐射特性的影响
△F (
θ)最大变化值均小于1dB ,天线加C -夹层天线罩后的增益介于加单层与B -夹层天线罩之间,低于单层约0.1dB ,而比B -夹层天线罩提高约0.1dB 。可见,加C -夹层天线罩对天线辐射性能影响较小。
(3)输入阻抗特性
天线不加罩与加罩时的阻抗特性随频率变化曲线如图6所示。图6(a )和(b )纵轴分别为输入电阻和电抗。C -夹层天线罩的五层结构使得半波振子天线后输入阻抗性能优于加单层与B -夹层天线罩。
03
杭州电子科技大学学报 2008年
图6 天线的输入阻抗性
由于C -夹层天线罩的阶梯阻抗变换特性,天线在加罩后在整个带宽范围内反射小,带宽特性好,阻抗性能随频率变化的敏感性得到降低,从而实现了对半波振子天线的宽带阻抗匹配。
5 结 论
本文通过对C -夹层罩壁结构电特性的研究,设计了一种C -夹层天线罩。通过对单层以及B -夹层天线罩进行分析比较,证实了C -夹层天线罩的优良性能。通过加所设计的C -夹层天线罩的方法,实现了半波振子天线的宽带阻抗匹配。
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The Loading R adome Method of Designing B roadband
Impedance Matching of the H alf -w ave Dipole Antenna
CHEN Dan 2feng ,GUAN Bo 2ran
(Institute of Antenna and Microwave ,Hangzhou Dianzi University ,Hangzhou Zhejiang 310018,China )
Abstract :A method ,covering the antenna with an antenna radome ,is proposed in the paper to realize the broad 2band im pedance matching of the half -wave dipole antenna.The half -wave dipole antenna is studied in the paper by using an E M simulation s oftware.Fist of all ,the single layer radome and the B -sandwich radome are simulat 2ed.The results con firm the correctness of this simulation method.Then ,one kind of C -sandwich radome is de 2signed.The C -sandwich radome designed has high strength and g ood microwave transmission characteristics and affects the radiation characteristics of the antenna very slightly.C overing the dipole -wave antenna with the C -sandwich radome designed in the paper realizes the broadband im pedance matching of the antenna ,which is appli 2cable to the m obile communication system of the third generation.
K ey w ords :half -wave dipole ;broadband im pedance matching ;antenna radome ;m obile communication 1
3第1期 陈丹凤等:半波振子天线宽带阻抗匹配设计中的加罩法
超宽带天线的研究与设计
超宽带天线的研究与设计 李庆娅李晰唐鸿燊 摘要：本文设计了一款差分微带超宽带天线，通过改变馈线和尺寸和接地板上缝隙的半径,优化了天线的性能，所实现的天线带宽为11.5 GHz，且有较好的辐射特性。在此基础上，通过在两贴片上对称地开槽，得到了在5 GHz处有陷波特性的超宽带天线。 关键词：超宽带天线；差分天线；带阻特性 Research and Design of Ultra-wideband Microstrip Antenna Li Qing-Ya, Li Xi, Tang Hong-Shen Abstract: In this paper, a differential microstrip ultra-wideband antenna is designed. It is optimized by changing dimensions of feeding line and radius of slot in the ground. The simulated and measured results show that the frequency bands of antenna is 11.5 GHz. Also, it has good radiation characteristics. Based on this, by etching the slot in the patch symmetrically, the ultra-wideband antenna with band-notch characteristics at 5 GHz is achieved. Key word s: Ultra-wideband antenna; differential antenna; band-notch characteristics 1 引言 近几年,随着超宽带(UWB)通信技术的快速发展，对应用于短距离无线通信系统中的天线提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小、剖面低、价格便宜，易于加工并可集成到无线电设备内部，同时，还要求天线阻抗带宽足够宽，以便覆盖整个UWB频段。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB信号的频段为3.1 GHz-10.6 GHz。这个通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a 和5.75 GHz到5.85 GHz的Hiper-LAN/2。 在接地板上开缝是实现超宽带天线的方法之一，常见的缝隙形状如倒锥形[1]、矩形、半圆形、梯形[2]等。文献[2]中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带天线，在整个工作频段2.15-13.47 GHz内，该天线的回波损耗均在-10 dB以下，增益基本稳定在3~6 dB之间，并具有比较稳定的辐射特性。在超宽带天线的基础上通过在辐射贴片上开槽实现带阻特性，槽的形状有L形[3]、矩形[4]、E形[5]等，文献[5]提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线，制作出实物并验证了天线的超宽带和陷波特性，即在中心频率3.75 GHz和5.5 GHz附近的频带范围内具有良好的陷波特性。 本文首先设计了超宽带天线，研究了天线的回波损耗S11和辐射特性与天线环形接地板尺寸的关系，改善了天线的带宽。在此基础上，通过改变贴片和微带线的尺寸。并利用折合形开槽技术在贴片上开槽，有效实现阻带。 2 天线设计 本文设计天线结构如图1所示。图1(a)中天线的辐射贴片，位于介质基板的上表面，图1(b)是刻蚀了圆形缝隙的地，位于介质基板的下表面；天线采用介质为RogerS RT/duroid 6006，相对介电常数为6.15，厚为0.5mm的介质基板，尺寸为29.6 mm×33.6 mm；馈电部分为50欧的微带线。
实验一 半波振子天线仿真设计
实验一 半波振子天线仿真设计 一、实验目的： 1、 熟悉HFSS 软件设计天线的基本方法； 2、 利用HFSS 软件仿真设计以了解半波振子天线的结构和工作原理； 3、 通过仿真设计掌握天线的基本参数：频率、方向图、增益等。 二、预习要求 1、 熟悉天线的理论知识。 2、 熟悉天线设计的理论知识。 三、实验原理与参考电路 3.1天线介绍 天线的定义：用来辐射和接收无线电波的装置。天线的作用：将电磁波能量转换为导波能量，或将导波能量转换为电磁波能量。 3.1.1天线的基本功能 天线应尽可能多的将导波能量转变为电磁波能量，要求天线是一个良好的开放系统，其次要与发射机(或接收机)良好匹配; （1）、 天线应使电磁波能量尽量集中于需要的方向， （2）、 对来波有最大的接收; （3）、 天线应有适当的极化，以便于发射或接收规定极化的电磁波; （4）、 天线应有只够的工作带宽; 3.1.2天线的分类 （1）、 按用途分：通信天线、广播电视天线、雷达天线等; （2）、 按工作波长分：长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等; （3）、 按辐射元分：线天线和面天线; 3.1.3天线的技术指标 大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及 定向辐射的能力。 （1） 天线方向图及其有关参数 所谓方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强 (归一化模值)随方向变化的曲线图。如图1所示。若天线辐射的电场 强度为E (r ,θ,φ)，把电场强度（绝对值）写成 60(,,(,) I E r f r θ?θ?=式式中I 为归算电流，对于驻波天线，通常取波腹电流I m 作为归算电流； f (θ,φ)为场强方向函数。因此，方向函数可定义为 (,,) (,)260/E r f I r θ?θ?= 式 为了便于比较不同天线的方向性，常采用归一化方向函数， 用F (θ,φ)表示，即 max max (,)(,)(,)3 (,)E f F f E θ?θ?θ?θ?== 式图1 方向图球坐标系
欧阻抗天线设计
两层板（双面板）如何控制50欧特性阻抗的设计技巧 我们都知道，在射频电路的设计过程中，走线保持50欧姆的特性阻抗是一件很重要的事情，尤其是在Wi-Fi产品的射频电路设计过程中，由于工作频率很高（2.4GHz或者5.8GHz），特性阻抗的控制就显得更加重要了。如果特性阻抗没有很好的控制在50欧姆，那么将会给射频工程师的工作带来很大的麻烦。 什么是特性阻抗? 是指当导体中有电子”讯号”波形之传播时，其电压对电流的比值称为”阻抗Impedance”。由于交流电路中或在高频情况下，原已混杂有其它因素(如容抗、感抗等)的”Resistance”，已不再只是简单直流电的”欧姆电阻”(OhmicResistance)，故在电路中不宜再称为”电阻”，而应改称为”阻抗”。不过到了真正用到”Impedance阻抗”的交流电情况时，免不了会造成混淆，为了有所区别起见，只好将电子讯号者称为”特性阻抗”。电路板线路中的讯号传播时，影响其”特性阻抗”的因素有线路的截面积，线路与接地层之间绝绿材质的厚度，以及其介质常数等三项。目前已有许多高频高传输速度的板子，已要求”特性阻抗”须控制在某一范围之内，则板子在制造过程中，必须认真考虑上述三项重要的参数以及其它配合的条件。 两层板如何有效的控制特性阻抗？ 在四层板或者六层板的时候，我们一般会在顶层（top）走射频的线，然后再第二层会是完整的地平面，这样顶层和第二层的之间的电介质是很薄的，顶层的线不用很宽就可以满足50欧姆的特性阻抗（在其他情况相同的情况下，走线越宽，特性阻抗越小）。 但是，在两层板的情况下，就不一样了。两层板时，为了保证电路板的强度，我们不可能用很薄的电路板去做，这时，顶层和底层（参考面）之间的间距就会很大，如果还是用原来的办法控制50欧姆的特性阻抗，那么顶层的走线必须很宽。例如我们假设板子的厚度是
一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文
摘要 超宽带天线广泛应用于如电视、调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等领域中。尤其是近年来兴起的超宽带无线通信技术，使此类天线成为当今通信领域的研究焦点。 本文设计并研究了两种类型的超宽带天线，一种是带两个对称臂的矩形平面单极子天线，另一种是弯折结构的平面单极子天线。 所研究的第一种天线实现了在工作频率范围内回波损耗都在-10dB以下，基本满足了超宽带通信的要求，天线的工作频带是 2.7-9GHz。回波损耗与频率的关系曲线产生两个低峰值，特别适合于双频带通信使用。文中研究了通过改变切口尺寸、介质损耗对低峰值频率位置的影响关系，还讨论了端口大小对仿真准确度的影响，得到系列结论。 所研究的第二种天线实现了真正意义上超宽带天线，天线结构简单，易于构建，小尺寸、低剖面，能够在回波损耗小于-10dB条件下有效地工作在2.8~9.5GHz的频率范围。 天线采用热转印法自制了实验模型，并通过矢量网络分析仪测量了回波损耗与频率的关系曲线，测量结果与仿真结构基本吻合。 两种天线的研究还包含了增益和方向图等，从而对天线性能进行了全面分析。 关键词: 超宽带天线；单极子天线；有限元法；电磁仿真；热转印法
Abstract UWB antenna is widely used in television, FM radio, telemetry, aerospace and satellite communications fields. In particular, with the rise of ultra-wideband wireless communications technology in recent years, making such antennas become the focus of communication research field. This paper studies two types of ultra-wideband antenna, one is a symmetric planar monopole antenna with two symmetrical rectangular incision, the other is bent planar monopole antenna structure. The first designed antenna can satisfy the demand of UWB communication that the Return Loss of the antenna in the scope of working frequency, which is between 2.7-9GHz, is below -10dB. Return loss vs. frequency curves generated two low peaks, which is particularly suitable for dual-band communications. A study of the incision by changing the size of the low dielectric loss peak frequency position of the relationship between port size also discussed the impact on simulation accuracy, get series conclusion. The study of the second antenna to achieve a truly ultra-wideband antenna, the antenna structure is simple, easy to build, small size, low profile, can be less than-10dB return loss under the conditions of effective work in the 2.8 ~ 9.5GHz frequency range. Antenna made by heat transfer method of the experimental model, and vector network analyzer by measuring the return loss versus frequency curve, the measurement results and simulation of structure of the basic agreement. thermal transfer printing technology The study also includes two antenna gain and pattern, etc., and thus a comprehensive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation
正交半波振子天线 开题报告
开题报告 一 选题的依据和意义 正交半波振子天线是由两个形式相同且相互正交的对称振子构成的天线，其对称振子上的激励电流大小相等，相位相差π／2，天线的有效长度相当于所接收电波的半个波长,又称为旋转场天线。最常用的对称振子是半波振子，也可以用环天线（磁偶极子）或短天线（电偶极子）等形式。这种天线最初是作为超短波调频广播天线于1936年出现的。后来采用各种宽频带对称振子（例如林登布莱德振子、白劳德面振子和蝙蝠翼形振子等）构成的正交振子天线，广泛用作电视广播发射天线，其中以蝙蝠翼形振子用得最多。 由两个短天线构成的正交振子天线，在以短天线所在平面为参考面的θ方向和时间t 时()θω-t E cos 。它是电场在某一方向θ于某一时刻t 时可达到的最大值。因此，天线辐射电场的有效方向图是一个圆。在某一时刻，天线的方向图呈8字形，与单个短天线的相同,在一个周期内,该8字形绕天线的中心杆旋转一周，因而这种天线也称为绕杆式天线。 对正交半波振子天线进行优化设计，可以使其在相控雷达天线阵中做阵元，避免盲区的出现。在旋转抛物面天线中做馈元。半波振子天线的方向图是“8”字形，无副瓣，在一般性应用中，有一定优势。当长度超过半波长时，线上出现反相电流，使得天线的方向性下降，增益降低。使用半波振子天线可以很好的拟补这一缺点。 二 选题研究的基本内容 1. 学习对称振子天线的相关理论。 2. 推求正交半波振子天线的辐射电场及方向函数。 3. 利用计算机辅助设计最佳比例因子（佳A ），以使min F 最大。 4. 仿真相应的方向性系数。 5. 设计（最佳）天线系统结构尺寸。 通过给定的技术指标，中心波长λ=30cm ，天线与发射机间距l =20cm ,馈电（主）同轴线外导体内直径d =1cm 。利用如下几组典型值：
一种频率可重构短波宽带鞭状天线设计
DOI ：１０．７４９５／j ．i ssn ．１００９‐３４８６．２０１９．０１．００９ 一种频率可重构短波宽带鞭状天线设计 收稿日期：２０１７‐０６‐２１；修回日期：２０１７‐１０‐２４。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１５０１１９５）。 作者简介：王衡峰（１９９２－），男，博士生，主要研究方向为短波通信和天线设计。 通信作者：柳 超（１９６３－），男，教授，博士生导师，Henvin ９９９＠１６３．c om 。 王衡峰，柳 超，吴华宁 （海军工程大学电子工程学院，武汉４３００３３） 摘 要：针对目前１０m 短波鞭状天线存在的低频段增益和效率低的问题，基于入侵性野草（invasive weed op ‐timization ，IWO ）算法和分波段加载匹配网络重构技术，设计了一款分波段短波宽带鞭状天线；然后，采用IWO 算法对每个分波段内天线的加载网络和匹配网络分别进行了优化，设置了不同标称阻抗、传输线变压器变比以及下加载点的位置；最后，进行了仿真分析，结果表明：所提方法使低频段天线增益最多提高了６dB ，有效解决了该天线低频段的增益缺陷。 关键词：鞭状天线；短波；宽带；分波段；加载；匹配网络；重构技术 中图分类号：T N ８２２．３ 文献标志码：A 文章编号：１００９－３４８６（２０１９）０１－００４１－０５Ｄｅｓｉｇｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｓｈｏｒｔｗａｖｅｂｒｏａｄｂａｎｄｗｈｉｐａｎｔｅｎｎａ WANG Heng ‐feng ，LIU Chao ，WU Hua ‐ning （College of Electronic Engineering ，Naval U niv ．of Engineering ，Wuhan ４３００３３，China ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：T he research is expanded from the problems of small gain and low efficiency at low frequen ‐cy in １０m high frequency （HF ）broadband w hip antenna ．To begin with ，a sub ‐band HF broadband w hip antenna is designed based on the sub ‐band loading ，matching and reconfiguration technology ，as well as invasive weed optimization （IWO ）algorithm ．T hen ，the loading and matching netw ork of the antenna in each sub ‐band is optimized through the IWO algorithm ．As it turns out ，by changing the nominal impedance ，the ratio of transmission ‐line transformer and the location of low er loading point ，the antenna gain at low ‐frequency is increased by ６dB ，effectively solving the gain defect in low fre ‐q uency band of the antenna ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：w hip antenna ；shortw ave ；broadband ；sub ‐band ；loading ；matching network ；reconfigu ‐ration 鞭状天线是一种在水平方向具有全向性的特殊天线，因其结构简单、质地坚固、适合在移动载体上安装使用等特点而得到了广泛的应用［１］。由于跳频、扩频等技术在短波通信系统中的广泛应用，调谐天线已经满足不了当今的通信要求，因此短波鞭状天线宽带化愈显重要［２］。然而，短波鞭状天线的工作频段为３～３０M Hz ，频带非常宽， 达到了１０个倍频，在整个短波段，对于电流呈驻 波分布的鞭状天线来说，其工作频带的限制主要 是由它的阻抗特性引起的，也就是说鞭状天线的 宽带化是比较困难的。因此，文献［３］设计了一副 双加载舰用短波宽带鞭状天线，该天线驻波比基 本上小于３∶１，在中高频段的平均增益大于 ２dB ，然而在低频段，天线增益较差，最低达到 第３１卷 第１期 ２０１９年２月 海军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERING Vol ．３１ No ．１ Feb ．２０１９ 万方数据
P波段小型化锯齿缝隙超宽带天线设计-易迪拓培训
第15卷第3期 空 军 工 程 大 学 学 报(自然科学版)Vol.15No.3 2014年6月 JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY (NATURAL SCIENCE EDITION ) Jun.2014 收稿日期:2013-11-22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61271100);陕西省自然科学基金资助项目(2010JZ010;2012JM8003) ;国家重点实验室基金资助项目(20131007) 作者简介:郭 蓉(1990-),女,陕西咸阳人,硕士生,主要从事微带天线研究.E -mail :ber y fl y in g @https://www.wendangku.net/doc/171896483.html, *通信作者:曹祥玉(1964-),女,教授,博士生导师,主要从事天线与电磁兼容二电磁超材料等研究.E -mail :gjgj 9694@163. com 引用格式:郭蓉,曹祥玉,李思佳,等.P 波段小型化锯齿缝隙超宽带天线设计[J ].空军工程大学学报:自然科学版,2014,15(3):66-70.GUO Ron g ,CAO Xian gy u ,LI Si j ia ,et al.A desi g n of P -band miniaturized saw -tooth -ed g ed ultra -wideband antenna [J ].Journal of air force en g ineerin g universit y :natural science edition ,2014,15(3):66-70. P 波段小型化锯齿缝隙超宽带天线设计 郭 蓉, 曹祥玉, 李思佳, 张 昭, 徐雪飞 (空军工程大学信息与导航学院,陕西西安,710077) 摘要 设计了一种P 波段小型化超宽带天线三该天线采用微带线对五边形辐射单元进行馈电, 接地板上蚀刻了锯齿形边沿的矩形宽缝三通过天线参数的仿真优化,最终实现了相对带宽约95%二尺寸为0.27λ?0.17λ(λ为低频点的自由空间波长)的超宽带P 波段小型化印刷天线三仿真结果表明:天线的工作频带为300.5~848.8MHz ,带内回波损耗均在-10dB 以下,整个频段内天线的增益均在3dBi 以上,天线为全向辐射三该天线具有平面结构,形状简单,易于共形的特征三最后制作了天线样件并进行了测试,测量结果与仿真结果吻合较好三关键词 印刷宽缝天线;小型化;P 波段; 超宽带DOI 10.3969/j .issn .1009-3516.2014.03.016中图分类号 TN82 文献标志码 A 文章编号 1009-3516(2014)03-0066-05 A Desi g n of P -band Miniaturized Saw -tooth -ed g ed Ultra -wideband Antenna GUO Ron g ,CAO Xian g -y u ,LI Si -j ia ,ZHANG Zhao ,XU Xue -fei (Information and Navi g ation Colle g e ,Air Force En g ineerin g Universit y ,Xi ?an 710077,China )Abstract :A miniaturized ultra -wideband antenna is desi g ned in P band.The antenna is fed b y a p enta g on cou p led feedin g structure.An im p roved rectan g ular slot with saw -tooth ed g e is etched on the g round.The results of p arameters show that the bandwidth of the desi g ned antenna is 293.4~830.3MHz with relative bandwidth 95%and the return loss is less than -10dB.The size of the antenna is (is the wavelen g th of the lowest fre q uenc y ).The avera g e g ain is over 3dBi in the o p eratin g ran g e and the antenna is a kind of omni antenna.The antenna is a p lanar construction and is sim p le in sha p e and eas y in conformation.A sam p le antenna is fabricated and tested.The ex p erimental results are in g ood a g reement with the simula -tion results.Ke y words :p rinted wide -slot antenna ;miniaturization ;P band ;ultra -wideband 工作于P 波段的超宽带雷达(UWB SAR )具有很强的叶簇穿透能力,并能够探测地表下的隐蔽物三国际上至今已有多个P 波段的机载SAR 系统,如 FOA 的CARABAS [1],SRI 的FOLPEN [2] 系列等三 国内也进行了P 波段轨道超宽带SAR 和机载超宽 带SAR 的研究和实验[ 3-4] 三目前,工作在P 波段(230~1000MHz ) 的天线主要形式有蝶形天线二印刷偶极子天线二印刷单极子
阻抗匹配
天线的输入阻抗与天线的几何形状、尺寸、馈电点位置、工作波长和周围环境等因素有关。研究天线阻抗的主要目的 为实现天线和馈线间的匹配。欲使发射天线与馈线相匹配，天线的输入阻抗应该等于馈线的特性阻抗。欲使接收天线与接收机相匹配，天线的输入阻抗应该等于负载阻抗的共轭复数。通常接收机具有实数的阻抗。当天线的阻抗为复数时，需要用匹配网络来除去天线的电抗部分并使它们的电阻部分相等。 阻抗匹配及其作用 终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。 阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。 引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。 要减弱反射信号对通讯线路的影响，通常采用噪声抑制和加偏置电阻的方法。在实际应用中，对于比较小的反射信号，为简单方便，经常采用加偏置电阻的方法。 阻抗匹配（Impedance matching）是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。 大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuit matching），另一种则是调整传输线的波长（transmission line matching）。 要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。 改变阻抗力 把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。重覆以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。 调整传输线 由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配
短波天线的选型与安装要求-20110215A
短波天线的选型与安装要求 （技术初稿，设计要求为主，方案为副） 一、短波天线简介 天线在通信链路中起能量转换作用（能量转换器）。发射天线是将高频电能转换成为电磁波的装置；接收天线则是将电磁波转换成高频电能的装置，因而天线在无线电通信中占有极其重要的地位。天线质量如何，对保证通信质量的好坏起着重要的作用。 1.1、短波天线分类 短波天线分地波天线和天波天线两大类，地波天线包括鞭状天线、倒L形天线、T形天线等。这类天线发射出的电磁波是全方向的，并且主要以地波的形式向四周传播，故称全向地波天线，常用于近距离通信。典型地波天线和波瓣分布如图1和图2所示。地波天线的效率主要看天线的高度和地网的质量。天线越高、地网质量越好，发射效率越高，当天线高度达到1/2 波长时，发射效率最高。 图1、典型地波(T形)天线结构示意图 图2、典型地波天线垂直波瓣分布图 天波天线主要以天波形式发射电磁波，分为定向天线和全向天线两类。典型的定向天波天线有：双极天线、双极笼形天线、对数周期天线、菱形天线等，它们以一个方向或两个相反方向发射电磁波，用天线的架设高度来控制发射仰角，其典型波瓣分布如图3、图4和图5所示。典型的全向天波天线有：角笼形天线、倒V形天线等。它们是以全方向发射电磁波，用天线的高度或斜度来控制发射仰角。
图3、典型天波天线（双极天线）结构示意图 图4、典型天波天线水平波瓣分布图 图5、典型天波天线垂直波瓣分布图天波天线简单的规律为：天线水平振子（一臂的）长度达到1/2波长时，水平波瓣主方向的效率最高；天线高度越高，发射仰角越低，通信距离越远；反之，天线高度越低，发射仰角越高，通信距离越近；天线高度与波长之比（H/λ）达到二分之一时，垂直波瓣主方向的效率最高。1.2、衡量天线性能因素 天线是无线通信系统最基本部件，决定了通信系统的特性。不同的天线有不同的辐射类型、极性、增益以及阻抗。 A.辐射类型：决定了辐射能量的分配，是天线所有特性中最重要的因素，它包括全向型和方向型。 B.极性：极性定义了天线最大辐射方向 电气矢量的方向。垂直或单极性天线（鞭天线）具有垂直极性，水平天线具有水平极性。 C.增益：天线的增益是天线的基本属性，可以衡量天线的优劣。增益是指定方向上的最大辐射强度与天线最大辐射强度的比值，通常使用半波双极天线作为参考天线，其它类型天线最大方向上的辐射强度可以与参考天线进行比较，得出天线增益。一般高增益天线的带宽较窄。
超宽带天线设计与研究详解
超宽带天线的研究与设计 中文摘要 近几年来，超宽带天线的研究已经成为热潮。本文的思想也是研究小型化超宽带平板天线，让其在生活中的硬件设计产品中满足超宽带天线的技术需要。因为超宽带天线在WiMAX和WLAN的窄带系统和装载切口天线设计结构上产生的影响。实现WiMAX和WLAN频带的双凹槽在超宽带天线结构设计。在设计过程中主要是使用HFSS软件进行天线结构的仿真优化。主要利用了HFSS软件仿真和天线结构的优化设计过程。我们针对其超宽带天线的性能参数，相应的提升平面单极子天线的基础研究。传统平面单极子天线与狭槽，狭槽装载方法的横截面，提出了几种平面单极子天线从频域和时域研究，从而从单极子天线的相关性能参数出发，研究平面单极子天线在频率范围为3.1GHZ-11GHZ，使超宽带天线能够达到市场对硬件方面的应用需求。 关键词：平面单极子天线；超宽带；HFSS仿真 I
Research and design of ultra-wideband antenna Abstract In recent years, the research of ultra-wideband antenna has become a boom. Thought of this paper is to study ultra-wideband planar antenna miniaturization, let the life in the hardware design of the product satisfy the need of ultra-wideband antenna. Because of ultra-wideband antenna in WLAN and WiMAX narrowband systems and the impact loading of incision on the antenna design. Both WiMAX and WLAN band grooves in the ultra-wideband antenna structure design. In the design process is mainly using HFSS software for simulation of antenna structure optimization. Mainly using HFSS software simulation and optimization of the antenna structure design process. We according to the performance of ultra-wideband antenna parameters, the corresponding increase of planar monopole antenna of basic research. Traditional planar monopole antenna and the slot, slot loading method of cross section, and puts forward several planar monopole antenna from frequency domain and time domain research, thus starting from the related performance parameters of monopole antenna, the planar monopole antenna in the frequency range of 3.1 GHZ - 11 GHZ, the ultra-wideband antenna can meet the market demand for hardware applications. Key words: Planar monopole antenna; Ultra-Wideband; HFSS simulation 目录 I
超短波天线及阵列技术研究与设计
目录 摘要.....................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II 目录....................................................................................................................................III 第一章绪论.. (1) §1.1研究背景及意义 (1) §1.2国内外研究动态 (1) §1.3本文主要工作及章节安排 (3) 第二章超短波宽带电小天线基本理论 (5) §2.1带宽基本概念 (5) §2.2电小天线基本理论 (6) §2.3鞭天线宽带小型化的主要技术 (7) §2.3.1天线自身结构及材料 (7) §2.3.2采用粗直径振子 (8) §2.3.3宽带匹配技术 (11) §2.3.4加载技术 (14) §2.4Hilbert分形天线理论 (17) §2.4.1Hilbert小型化空间填充线构建和机理 (18) §2.4.2Hilbert分形结构天线的特性分析 (19) §2.5本章小结 (22) 第三章Hilbert分形结构超短波天线的设计与实现 (23) §3.1天线的基本结构 (24) §3.2一阶Hilbert分形结构分析 (24) §3.3传输线变压器 (26) §3.4匹配网络的分析与设计 (28) §3.4.1无耗集总匹配网络 (28) §3.4.2分形结构天线的嵌入式匹配 (30) §3.5天线样机测试、调试 (32) §3.6本章小结 (34) 第四章超短波螺旋天线阵列研究与设计 (35) §4.1螺旋天线原理 (35) §4.2螺旋天线单元及阵列基本结构 (37)
线天线辐射及散射
摘要：矩量法是将连续方程离散为代数方程组的方法，此方法对于求解微分方程和积分方程均适用，本文以半波振子天线为例，系统的阐述了半波振子天线的海伦积分方程的建立，利用矩量法求解海伦积分方程而得半波振子天线上的电流分布，并进一步根据电流肺部，求解半波振子天线的方向图。 关键字：半波振子天线；海伦积分方程；矩量法 1 引言 电磁辐射和散射问题的分析方法一般可以分为两大类，即解析方法和数值方法，而实际中只有极少数集合形状特别的电磁问题才能通过解析方法求解，大部分只能用数值方法获得近似解。矩量法则是求解微分方程和积分方程的一种重要的数值分析方法，它从函数空间和线性算子的观点来处理问题，具有计算效率高、处理灵活、快速而精准、不限定物体几何形状、理论基础较健全等诸多优点，因而在电磁场数值计算方面得到了广泛的应用。同时，由于线天线在实际中应用广泛，而且是分析其它天线的基础。 在矩量法分析过程中，有多种不同的积分方程可供选择，如双位积分方程、Hallen积分方程、Pocklington积分方程、Schelkunoff积分方程、响应积分方程等等，而前3种应用最为广泛，因此本文采用Hallen积分方程对半波振子天线进行深入的数值分析，并用matlab编程仿真。 2 矩量法的基本原理 2.1 矩量法的概念 矩量法是将一个算子方程化为矩阵方程，然后求解该矩阵方程的方法。在历史上把采用基函数和检验函数离散化的积分方程的数值方法称为矩量法。矩量法是一种基于泛函分析理论的积分形式的数值方法，这种方法具有计算结果准确且误差小、处理过程灵活、分析目标不限定物体几何形状和理论基础健壮等优点。 如果非齐次方程为 （2-1） L f g ()
天线阻抗匹配原理
阻抗匹配是无线电技术中常见的一种工作状态，它反映了输人电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗匹配常见于各级放大电路之间、放大器与负载之间、测量仪器与被测电路之间、天线与接收机或发信机与天线之间，等等。例如，扩音机的输出电路与扬声器之间必须做到阻抗匹配，不匹配时，扩音机的输出功率将不能全部送至扬声器。如果扬声器的阻抗远小于扩音机的输出阻抗，扩音机就处于过载状态，其末级功率放大管很容易损坏。反之，如果扬声器的阻抗高于扩音机的输出阻抗过多，会引起输出电压升高，同样不利于扩，音机的工作，声音还会产生失真。因此扩音机电路的输出阻抗与扬声器的阻抗越接近越好。又例如，无线电发信机的输出阻抗与馈线的阻抗、馈线与天线的阻抗也应达到一致。如果阻抗值不一致，发信机输出的高频能量将不能全部由天线发射出去。这部分没有发射出去的能量会反射回来，产生驻波，严重时会引起馈线的绝缘层及发信机末级功放管的损坏。为了使信号和能量有效地传输，必须使电路工作在阻抗匹配状态，即信号源或功率源的内阻等于电路的输人阻抗，电路的输出阻抗等于负载的阻抗。在一般的输人、输出电路中常含有电阻、电容和电感元件，由它们所组成的电路称为电抗电路，其中只含有电阻的电路称为纯电阻电路。下面对纯电阻电路和电抗电路的阻抗匹配问题分别进行简要的分析。 1．纯电阻电路 在中学物理电学中曾讲述这样一个问题：把一个电阻为R的用电器，接在一个电动势为E、内阻为r的电池组上（见图1），在什么条件下电源输出的功率最大呢？当外电阻等于内电阻时，电源对外电路输出的功率最大，这就是纯电阻电路的功率匹配。假如换成交流电路，同样也必须满足R=r这个条件电路才能匹配。 2．电抗电路 电抗电路要比纯电阻电路复杂，电路中除了电阻外还有电容和电感。元件，并工作于低频或高频交流电路。在交流电路中，电阻、电容和电感对交流电的阻碍作用叫阻抗，用字母Z表示。其中，电容和电感对交流电的阻碍作用，分别称为容抗及和感抗而。容抗和感抗的值除了与电容和电感本身大小有关之外，还与所工作的交流电的频率有关。值得注意的是，在电抗电路中，电阻R，感抗而与容抗双的值不能用简单的算术相加，而常用阻抗三角形法来计算（见图 2）。因而电抗电路要做到匹配比纯电阻电路要复杂一些，除了输人和输出电路中的电阻成分要求相等外，还要求电抗成分大小相等符号相反（共轭匹配）；或者电阻成分和电抗成分均分别相等（无反射匹配）。这里指的电抗X即感抗XL和容抗XC 之差（仅指串联电路来讲，若并联电路
半波振子基本知识
1 什么是天线 WLAN作为一项无线技术，其信号以电磁波形式在空气中传播。而能够有效的向空间中某个方向辐射电磁波，或者能从空间某特定方向接收电磁波的器件，我们称之为天线。天线是发射和接收电磁波的设备，是WLAN的基础。 2 天线相关技术点 2.1 振子 当导线上有交变电流流动时，就可以形成电磁波的辐射。辐射的能力与导线的长短和形状有关。如图1 所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。通常将此装置称为振子。 两臂长度相等的振子叫做对称振子，对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线。每臂长度为四分之一波长、的振子，称半波对称振子，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
图2：半波对称振子组成的经典天线 2.2 方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；在水平面上各个方向上的辐射一样大。 若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。
也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。 2.3 增益 天线通常是无源器件，它并不放大电磁信号。天线的增益是指：将天线辐射的电磁波进行聚束以后，比起理想的参考天线，在输入功率相同的条件下，在空间同一点上接收功率的比值。增益定量地描述了一个天线把输入功率集中辐射的程度。 一般，增益的定义是：增益＝输出功率（W）/输入功率（W），是一个无量纲参数。 dB是增益取对数底再乘以10的结果：增益（dB）＝10×log（增益）。 天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定了信号电平。增加增益就可以在一个确定方向上增大网络的覆盖范围。 表征天线增益的参数为：dBi和dBd。 dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，即天线相对于点源天线的增益。一个天线与各向同性辐射器相比较的增益，可以用“dBi”来表示。dBd是指天线相对于对称振子Dipole 的功率能量密度之比，即相对于对称阵子天线的增益。一个天线与对称振子相比较的增益，可以用“dBd”来表示。