一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文.doc
《一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文.doc(46页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、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
2、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 2.89.5GHz 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 sate
3、llite 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 wi
4、th 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. freq
5、uency 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 conclu
6、sion. 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 o
7、f 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 comprehen
8、sive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指 导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和 致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也 不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而
9、使用过的材 料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了 明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的 规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校 有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服 务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以 赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下
10、独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学
11、校规定处理。 作者签名:日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 目目录录 第第一一章章 绪绪论论 . .1 1 1.1 引言 1 1.1.1 天线的地位 1 1.1.2 无线通信与天线的关系 2 1.1.3 研究现状 3 1.2 本文研究的主要内容 4 1.3 主要章节安排4 第第 2 2 章章 超超宽宽带带天天线线的的基基础础理理论论 . .4 4 2.1 超宽带天线的基本概念4 2.2 超宽带天线的特点 5 2.3 超宽带天线的主要参数 6 2.3.1 天线的输入阻抗 6 2.3.2 驻波比 6 2.3.3 方向图 7 第第 3 3 章章 基基于于有有限限元元法法的的电电磁磁场
12、场计计算算方方法法 . .7 7 3.1 有限元法原理介绍 7 3.2 有限元法的主要求解过程 8 3.3 有限元数值计算方法的主要特点 9 3.4 基于有限元法的电磁仿真技术-HFSS.9 第第 4 4 章章 一一种种超超宽宽带带单单极极子子天天线线的的设设计计和和研研究究 . .1 11 1 4.1 天线的设计 .11 4.1.1 天线的形状 .11 4.2 仿真模型的构建 .13 4.3 模型的仿真与运行 .20 4.3.1 模型仿真过程 .20 4.3.2 运行结果 .22 44 仿真结果的分析比较 24 4.4.1 介质板的损耗正切对天线性能的影响 .24 4.4.2 波导端口尺寸对
13、天线性能的影响 .24 第第 5 5 章章 新新型型超超宽宽带带单单极极子子天天线线的的创创新新研研究究 . .2 25 5 5.1 仿真模型的构建 .25 5.2 模型的仿真与运行 .26 5.2.1 模型仿真过程 .26 5.2.2 运行结果 .26 5.2.3 结果分析 .28 第第 6 6 章章 天天线线数数据据的的测测量量 . .2 28 8 6.1 天线实物模型制作过程 .28 6.2 天线模型的 S11 测量 .29 6.2.1 矢量网络分析仪的简介 .29 6.2.2 矢量分析仪的使用 .29 6.3 测试结果分析.30 第第 7 7 章章 总总结结与与展展望望 . .3 33
14、 3 参参考考文文献献 . .3 35 5 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 第 6 页 第一章 绪论 1.1 引言引言 1.1.11.1.1 天线的地位天线的地位 无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天 线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收 很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。可见,天线是发射和 接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。天线品 种繁多,以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。 对于众多品种的天线,进行适当的分类是必要的:按用途分类,可分为通信天 线、电视天线、雷
15、达天线等;按工作频段分类,可分为短波天线、超短波天线、 微波天线等;按方向性分类,可分为全向天线、定向天线等;按外形分类,可 分为线状天线、面状天线等 1。 随着科学技术的飞速发展,人们的生活日益现代化,有限的频率资源越来越 紧张,人们对无线通信的容量及传输速率提出了更高的要求。无论是军事通信 还是民用通信系统,不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息, 而且要求设备宽带化、小型化、共用化 2。天线作为辐射和接收电磁波的部件, 是无线系统中重要的组成部分。天线性能的优劣直接决定无线通信系统通信质 量的好坏。没有天线,就不可能建立起任何无线电系统,因此,与无线电设备 发展趋势相适应,宽频
16、带天线的研究也日益活跃,成为学科领域中一个重要的 研究分支。 在军事领域中,为了实现保密通信,消除干扰,多频段、多功能电台和宽带 调频电台将广泛应用。调频速率越来越高,调频范围越来越广,原有的窄带天 线已无法满足要求。另外,狭小的空间内密布多副天线,相互之间的干扰较为 严重,影响通信质量。为了解决上述矛盾,有效的解决办法就是研制高性能、 宽频带、小型化天线,以减少载体上天线的数目。在民用通信系统中,无线通 信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤为重要。其信道容量不断扩充、 传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此相适应,通信设备日趋宽带化, 台站设施也由最初的点对点、一点对多点发展到移动
17、和全球漫游。而天线作为 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 第 7 页 移动通信系统的发射和接收部件,其宽带化的研究显然有重要的现实意义 1.1.21.1.2 无线通信与天线的关系无线通信与天线的关系 随着无线电通信技术的发展,天线在各个领域得到了广泛的应用。主要使用 场合有:无线通讯技术,包括手机、蓝牙 (B1ueTooth)、无线局域网等终端;小 型化卫星通讯;多普勒及其它制式雷达;指挥和控制系统;导弹遥测;无线电 引信;环境检测仪表和遥感;复杂天线中的馈电单元;GPS卫星导航接收机; 生物医学辐射器等。 就天线的实际应用需求而言,宽频带和小型化是天线目前最主要的几个研究 方向。最近几十年
18、,随着无线通信技术的 迅猛发展 ,对天线技术提出了越来越 高的要求。由于普通结构的天线频带宽度十分狭窄,因此近年来发展了多种技 术来提高天线带宽,包括对天线的加载技术、分形技术、多谐振技术、有源天 线技术等。在对天线进行设计时 ,既要实现天线的宽带化,又要限制天线的尺 寸大小,而且还要满足天线的驻波、益等指标 ,类似这样的天线设计问题是十分 困难的。如何协调好上述关系以获得最佳天线结构,则成为宽带天线设计的核 心问题。天线是无线电通信和探测系统中必不可少的重要组成部分。从上世纪 初的单一点对点无线通信到世纪末覆盖全球的卫星通信系统,天线技术无疑承 担了最基本、最前端的角色。如今,天线结合微波技
19、术的各种产品比比皆是, 其影响小到人们的日常生活,大到国家的安全保障,其重要性是不言而喻的。 天线的功能是辐射或者接收无线电波。它把被导电磁波转变为自由空间的无线 电波(在发射系统中 ),或者做相反的变换 (在接收系统中 ),从而在任意两点 之间实现电磁信号的传递。天线的发明使得电磁频谱成为人类最大的可重复使 用的自然资源之一。随着社会的进步,科学技术的发展,无线电频谱不断地得 到开拓,无线电系统的带宽也不断地扩展,促进了二十世纪末一门新的学科 超宽带电磁学的诞生。超宽带电磁学指出,时域电磁波也是人类非常重要的 自然资源,而且是尚待开发、非常宝贵的自然资源。天线理论与技术已经有了 很长的发展历
20、史,无数的学者研制出了能满足各种无线电系统要求的天线。无 论无线电如何发展,天线都是不可替代的。超宽带无线电系统要求超宽带天线 来完成超宽带被导电磁波和自由空间无线电波之间的转变工作。超宽带脉冲无 线电传输技术是国际上最近正在蓬勃兴起的一种无线通信的革命性传输技术。 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 第 8 页 采用该技术的超宽带通信系统可以提供数字话音、数据和视频业务,可以在非 常复杂的多径环境中很好地完成定位和识别,可以在较高链路丢失环境中提供 存活通信手段。此外还能够满足飞速发展的消费类电子产品对无线通信提出的 更高的要求 :在功能上,存储容量不断增加,数据吞吐量也越来越大。超宽带通
21、信具有优良独特的技术特性和潜在的优势,并且可缓解日益紧张的频带资源要 求,使其成为现在国际和国内研究的热门课题之一,正越来越受到通信学术界 和产业界的重视。 1.1.31.1.3 研究现状研究现状 自从 1873 年麦克斯韦 (Maxwell)从理论上预言电磁波存在,并于 1879 年由马可尼 (Marconi)首次获得一个完整的天线电报系统专利以来,伴随着科学 技术的不断进步,人类对自然界广泛存在的电磁波这一物质形态的认识在不断 深化,创造了多种多样的电磁波工程系统 无线电通信系统。从电视、广播、 移动通信、到雷达、导航、气象、定位、卫星,再到军事领域中的制导武器、 电子对抗等领域取得了极为
22、丰硕的研究成果。 近半个世纪以来,电磁波与周期性结构间相互作用的研究一直没有间断。近 几年随着材料科学、特别是左手材料研究取得的新进展,关于周期性结构介质 对电磁波影响的研究再度升温,成为新的热点。 2003年,人们提出了一个方形贴片天线 3,它有两个阶梯状的馈线变换, 中间还开了个槽。这种天线可以工作在 3.2GHz到12GHz,而且具有准全向辐射 特性,群延时差值不到 0.5 ns。2004年出现了很多微带超宽带天线 :(1)印制 圆盘单极子超宽带天线,它的地平面和辐射元处在同一平面,因此适于集成在 印制电路板上,其匹配阻抗带宽为 2.78-9.78GHZ,并且具有全向辐射特性。 (2)共
23、面波导馈电式平面超宽带天线 4,它尺寸小, V形槽的长度可以适当调 整,在没有 V形槽的情况下其工作频带可从 2.8GHz到10.6GHz。(3)LTCC超宽带 开槽式天线 5,这种天线可以与其它射频电路共地,辐射元是椭圆状,它的阻 抗带宽为 3-10.6GHz,在低频处有准全向辐射特性。 2005年有人研究了一种带有分形调节柄的微带槽隙天线,其阻抗带宽为 2.66- 10.76GHz,具有全向辐射特性。接着出现了一种平面小型化渐变环型槽 南京工程学院毕业设计说明书(论文) 第 9 页 馈电超宽带天线,提供的阻抗带宽可从 4.84GHz到10.23GHz,它占有的空间小 并且在工作频段内具有几
24、乎一致的辐射方向特征。 2005 年出现了一种加载高介电常数陶瓷的缝隙螺旋天线 6,基板介电常 数分别提高到 30 和 90,在使用频率下降 27OMHz-564MHZ 的基础上使其面积减 小了 18%和 36%,采用倒锥形基板结构,用同轴巴伦进行馈线,通过改变基板 厚度来实现匹配,缺点是带宽较窄,制作困难。等角螺旋天线 7在 0.25GHz 到 6GHz 的频带内实现了大于 6dB 的圆极化带宽,但是尺 寸太大。 1.2 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 本文研究了用基于有限元法 8的仿真软件 HFSS 软件对超宽带单极子天线 进行仿真计算,研究天线的几何尺寸和宽频带特性,在合适的频率范
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一种 宽带 天线 设计 研究 毕业设计 论文
链接地址:https://www.31doc.com/p-3905566.html