毕业设计(论文)-垂直近地线状天线工程应用中问题研究.doc
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1、(输入章及标题)大学 毕业设计(论文) 垂直近地线状天线工程应用中问题研究学 院 年级专业 03级电信 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 2007-6-24 III大学毕业设计(论文)任务书学院: 系级教学单位: 电子工程系 学号0学生姓名专 业班 级电信2课题题 目垂直近地线状天线工程应用中问题研究来 源工程实际主要内容垂直近地线状天线是应用最广泛的天线(举典型例)。该类型天线方向性分析。工程应用中的问题:架设距地表高度的影响,天线有效高度,地表电性能的影响及对策。基本要求概念清楚正确,令人信服的理论分析。对不同架设高度,推导出方向函数作出方向图。熟悉掌握MATLAB绘图程序参考资料
2、殷际杰,微波技术与天线,电子工业出版社,2004。刘志成等,天线原理,国防科技大学出版社,1989周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容阅读教材相关章节理论分析。上机绘图。起草论文,定稿。准备答辩。指导教师:殷际杰系级教单位审批: 摘要摘 要在长、中波波段,由于波长较长,天线架设的电高度h/受限,若采用水平悬挂的天线受地面的负镜像的作用,天线的辐射能力很弱。此外,在此波段,主要采用地波传播方式,当波沿地表面传播时,水平极化波的衰减很大,要求天线辐射垂直极化波。鉴于以上因素,在长、中波段主要使用垂直于地面架设的天线,这种天线还广泛应用于短波和超短波波段的移动通信电台中,一般用
3、一节或数节金属棒或金属管构成节间可以用螺接、卡接或拉伸等方法联接。由于此波段天线的长度并不长,外形像鞭子,故又称为鞭天线。至于在长、中波波段,天线的几何高度很高,除用高塔(木杆或金属)作为支架将天线吊起外,也可直接用铁塔作为辐射体,称为铁塔天线或桅杆天线。关键词天线;高度;极化;辐射61AbstractThe long, harmonious band, the wavelength is longer, erection of the antenna height - h / restricted, the use of flags of the antenna level. Ground
4、by the negative image of the role of the radiated weakness. Moreover, in this band, used mainly to the wave propagation, when the wave spread along the surface, the level of polarization wave attenuation great, Antenna radiation requirements of vertical polarization wave. In light of the above facto
5、rs, the long, the band mainly use perpendicular to the ground to set up the antenna, This antenna is also widely used in shortwave and FM-band mobile radio communications, general or with a few sections of metal pipe or rod form. Section that can be used Lo Next, card access methods such as tensile
6、or connectivity. As the band antenna length is not long, whip outside image, it is also known as the whip antenna. As for the long, AM-band antenna height of the geometric high, Using high tower (Wood or metal) as a scaffold to lifting the antenna, but also the direct use as a radiation-tower, known
7、 as the antenna tower or antenna mast. Keywords antenna height polarization radiation目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 天线的发展和在无线通信中的作用11.2 直立天线的应用2第2章 直立天线的理论分析52.1 分析直立天线的基础知识52.1.1 电流元的辐射场52.1.2 行波天线的辐射场82.2 对称振子102.2.1 对称振子上的电流102.2.2 对称振子上的电流102.3 直立天线132.4 本章小结14第3章 垂直天线在工程中的问题153.1 垂直天线架设距地表高度的影响153
8、.2 有效高度193.3 地表电性能的影响及对策223.4 本章小结25结 论26参考文献27附录1 开题报告29附录2 文献综述35附录3 外文译文及外文复印39附录458致谢59第1章 绪论第1章 绪论1.1 天线的发展和在无线通信中的作用人类之间的通信最早是通过说话的声音来完成的。为实现远距离通信,先出现了鼓等器具,然后出现了旗话、烟火等可视方法,这些光通信方式当然都利用了电磁波谱中的光波部分。直到近代无线电波电磁波谱中可见光以外的部分才在通信中得到应用。天线是任何无线电系统中的基本组成部分。天线是一种用来发射或接收电磁波的器件。换句话说,发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”
9、波,接收天线则与此相反。于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输,可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。人类最大的自然资源之一就是电磁波谱,而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。天线的理论基础是麦克斯韦方程组,由詹姆斯克拉克麦克斯韦(James Clerk Maxwell,18311879)1864年提交给英国皇家学会,它将电学和磁学统一到单一的电磁理论中。麦克斯韦还预见地指出光可以用电磁波来解释,并且光和电磁扰动具有相同的传播速度。1887年,德国物理学完赫兹(Heinrich Hertz,1857一1894)用实验证明了麦克斯韦关于电磁波运动通过空气传播的预言.马可尼(
10、Guglielmo Marconi,18741937)在1901年第一次跨越大西洋的无线电通信中使用的发射天线,有一个70kHz的火花发射器连接于一个由50条导线组成的系统和地之间,构成一个48m高的单极天线,图11 早期天线天线的早期发展受到信号发生器实用性的制约,采用镕福雷斯待三极管产生高达1Mh的连续波信号后,1920年左右,可调节物理长度的谐振天线(例如一个半波振子天线)成为现实。就在第二次世界大战前夕,微波速调管和磁控管信号发生器以及波导管得到了发展,这些促进了喇叭天线的发展。第一部商用微波无线电话系统1934年在英国和法国间开始运营,工作频率为18GHz。战争中对雷达的需求产生了许
11、多“摩登”天线,如大反射面天线,透镜天线和波导阵列大线1。1.2 直立天线的应用天线是个看似很专业的名词,其实天线的基本原理并不复杂,天线可以是任何的导线或者是导体,此一导线或导体可以通过脉冲或者是交流讯号电流。这一电流通过导线或者是导体时,会产生电场及磁场,而这些电磁场就与通过导线的电流节奏一样,假如在旁边有另一导线通过这电磁场,便会感应出电流,而此电流就与另一条产生电磁场的导线上之电流一样,只是电流规模会小很多。假如产生电磁场的导线很长,比如长到大约一个波长左右,那么由这导线所产生出的电磁场辐射,就可延伸达到很远的距离。图1-2 基本的四分之一波长鞭状天线最简单的垂直天线就是鞭状天线(WH
12、IP),参看图1-2所示。所谓的鞭状天线指的就是一根长四分之一波长的导管或导线站立在接地面上,最普遍的例子就是汽车上用的天线,以及做为广播接收天线、市民波段天线、及业余无线电用天线,甚至是大哥大的天线。鞭状天线的发展可以追朔到1890年代,当时马可尼进行无线电波实验,使用的就是鞭状天线,当时马可尼希望能够印证无线电波可传递到很远的地方。 为了达成这个理想,他把一根天线延伸得很长,而且高耸在地面上,因为当时试验用的频率很低,波长相当长,所以天线的长度也就很长,马可尼于当时得到一个结论,就是天线离地面越远,接收的效果越好。 天线与其它电子零件一样,最少也要有两个接线端点,鞭状天线也不例外,除了天线
13、主体外,接地面就是其中的一个接线端,也许是所谓的接地面并不明显,它可能是线路板的接地铜箔,甚至可能只是干电池的负端。 由鞭状天线主体及接地面才能组成一个完整的天线,因为天线必须要透过主天线体与接地面之间才能建立起电磁场,这样有了交流讯号的通路,才能算是完整的电路。标准的接地面必须要延伸出四分之一波长以上,在环境或空间不允许之下,接地面可能会较小,这虽然照样可以正常运作,但是性能会有很大的折扣。 四分之一波长鞭状天线的尺寸并不小,对于1MHz的AM广播波段而言,四分之一波长大约是75公尺左右,但是对于FM广播波段而言,比如是100MHz,则四分之一波长大约是75公分,这种四分之一波长的尺寸会随着
14、频率的上升而逐渐缩小。例如频率到了1000MHz,四分之一波长就只剩下7.5公分,如果以公分为单位的话,四分之一波长就是以7500去除以频率(MHz)。但这算出来的长度只是一个参考基准点,因为实际应用时,天线长度可能需要长一些,也可能需要短一点。如天线主体肥胖时,可能就要短一些,或者不是从天线底端做馈送点,可能要短一些;至于天线体所摆放的接地面太小时,那么天线体可能就要适度地加长了。 天线的长度要从靠近真正的接地面算起,或者从发射机的输出阜算起。如果有这么一只鞭状天线装在盒子内,而且采用一般的接线连接到发射机,那么从发射机到天线盒之间的接线也会成为天线体的一部份。 为了确保天线可以正常调谐工作
15、,采用外接天线时,记得要使用同轴缆线来连接天线,对于一般的双面线路板,可以使用一面接地板另一面布置铜箔线的方式来模拟同轴缆线。之所以强调要采用同轴缆线,一方面是为了要确保天线的正常运作,另一方面也可确保讯号在传输过程当中,会有最小的损失。同时更要注意天线体不能太靠近接地面,否则会变成传输线而不是天线体。直立天线在工程中广泛的应用,同样也出现了常见的问题,大概有三种问题,如下(1)直立天线架设距地表高度工程应用中直立天线一般离地都有一定的高度,而了便于研究直立天线,都不考虑其离地表高度,这样直立天线的方向图比较规则,在工程应用中对直立天线的研究就必须考虑它离地高度对天线方向性的影响。(2)直立天
16、线的有效高度在长、中波波段,由于天线的电高度不可能很高,因此其辐射电阻很低,要在不增加高度h的条件下增大辐射电阻,惟一的办法是提高天线的有效高度。(3)地表电性能的影响在对直立天线理论分析时,大多数把地表考虑成理想导电体,但对于用于广播发射台的铁塔天线,因其辐射功率很大(可达数十千瓦,乃至数百千瓦),这样地面的损耗就比较大,影响天线的效率。第2章 直立天线的理论分析第2章 直立天线的理论分析2.1 分析直立天线的基础知识天线的问题首先是要分析研究发射天线所产生的辐射波(辐射场)在空间的分布规律,这对实现不同目的的无线电信是非常重要的。例如,移动通信的基站天线应具有辐射最强方向沿地表且在水平方向
17、上方向相同(水平全向)的辐射波分布。而对于点对点的无线电信,辐射波应具有“针状波束”的分布,这既节省了发射功率,同时也减少了对其他无线电信系统的干扰(连续波干扰)。求解发射天线的辐射场问题,属于电磁场理论中由已知场分布求其场在空间的分布问题,符合人们分析研究问题的习惯和规律(即顺向思维),因此我们讨论天线问题应从求解发射天线的辐射场入手并作为讨论的重点。至于接收天线问题,则是在研究发射天线的基础上,借助于电路理论中的互易定理建立天线发射与接收状态之间的关系而获得所需要的结果。由空间一点处电磁场的规律,即麦克斯韦方程的微分形式: (2-1) 可知,作为场源的存在形式有传导电流密度J、电荷密度(在
18、时变的情况下,它是与J相关的),还有时变的电场 (位移电流密度)和时变的磁场 (对应于电场的情况,也可称之位移磁流密度)。那么,流有时变电流的金 属导线就是一种发射天线;而内有时变电场或时变磁场分布的口经面(如 波导壁面上开槽、波导终端开口面等)也是一种发射天线形式。2.1.1 电流元的辐射场从直观和更为具体的角度考虑,我们研究发射天线的辐射场分布问题,从载有时变电流的金属导线线状天线入手。线状天线可以看做是无穷多电流元的连接组合,那么空间任一点处这无穷多电流元所产生的场之和(一般地说这是不同矢量方向、不同幅值和相位的矢量之和),这也正是我们研究电流元辐射场的意义所在。电流元是为分析线状天线而
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