【本科优秀毕业设计】垂直近地线状天线工程应用中问题研究

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2007624燕山大学毕业设计（论文）任务书学院系级教学单位电子工程系学号学生姓名专业班级电信2题目垂直近地线状天线工程应用中问题研究课题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ABSTRACTTHELONG,HARMONIOUSBAND,THEWAVELENGTHISLONGER,ERECTIONOFTHEANTENNAHEIGHTH/RESTRICTED,THEUSEOFFLAGSOFTHEANTENNALEVELGROUNDBYTHENEGATIVEIMAGEOFTHEROLEOFTHERADIATEDWEAKNESSMOREOVER,INTHISBAND,USEDMAINLYTOTHEWAVEPROPAGATION,WHENTHEWAVESPREADALONGTHESURFACE,THELEVELOFPOLARIZATIONWAVEATTENUATIONGREAT,ANTENNARADIATIONREQUIREMENTSOFVERTICALPOLARIZATIONWAVEINLIGHTOFTHEABOVEFACTORS,THELONG,THEBANDMAINLYUSEPERPENDICULARTOTHEGROUNDTOSETUPTHEANTENNA,THISANTENNAISALSOWIDELYUSEDINSHORTWAVEANDFMBANDMOBILERADIOCOMMUNICATIONS,GENERALORWITHAFEWSECTIONSOFMETALPIPEORRODFORMSECTIONTHATCANBEUSEDLONEXT,CARDACCESSMETHODSSUCHASTENSILEORCONNECTIVITYASTHEBANDANTENNALENGTHISNOTLONG,WHIPOUTSIDEIMAGE,ITISALSOKNOWNASTHEWHIPANTENNAASFORTHELONG,AMBANDANTENNAHEIGHTOFTHEGEOMETRICHIGH,USINGHIGHTOWERWOODORMETALASASCAFFOLDTOLIFTINGTHEANTENNA,BUTALSOTHEDIRECTUSEASARADIATIONTOWER,KNOWNASTHEANTENNATOWERORANTENNAMASTKEYWORDSANTENNAHEIGHTPOLARIZATIONRADIATION目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111天线的发展和在无线通信中的作用112直立天线的应用2第2章直立天线的理论分析521分析直立天线的基础知识5211电流元的辐射场5212行波天线的辐射场822对称振子10221对称振子上的电流10222对称振子上的电流1023直立天线1324本章小结14第3章垂直天线在工程中的问题1531垂直天线架设距地表高度的影响1532有效高度1933地表电性能的影响及对策2234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11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”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JAMESCLERKMAXWELL,183118791864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HEINRICHHERTZ，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GUGLIELMOMARCONI,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多“摩登”天线，如大反射面天线，透镜天线和波导阵列大线1。12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12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WHIP，参看图12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75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，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。EL（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21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（21）可知，作为场源的存在形式有传导电流密度J、电荷密度（在时变的情况下，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。0DROTHJTBEDIVDTBT211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设想的一个物理模型，它是一端具有微分长度、截面尺寸更小于其长度并流有正弦时变电流的天线微分分段，这样在其长度范围内我们可以认为其电流的幅值和相位都是恒定的。电流元也称为基本电振子或元电辐射体，因为它是为研究线天线而抽象出来的天线最小构成单元。电流元也被称为电偶极子，因为在正弦时变电流的情况下，它相当于位于两端面位置上的一对电量相等极性相反且随时间极性交变的点电荷。讨论天线辐射场问题宜采用球坐标系，图21就是把电流元置于球坐标系原点时，空间（球面上）任一点处其电场矢量的球坐标分量的表示。图21电流元分析图电流元在其周围空间区域产生的电磁波的表达式为（22）3221COS2IN41SIJRRJRJRIDLEJJERLJIDLHERZXYR0HER可见其场量幅值与距离R的关系是很复杂的。我们分析天线的远区场（即距离R的空间区域）辐射场更具有实际意义。当场点至天线的距离R远远大于波长时，式（22）中与项比较，及项均可略去，这样便得到电流元辐射场的足够精确的表达式可知，电流元辐射场只是和EH两个场分量，它们相互垂直、相位相同、幅值与距离成反比，它们所构成的坡印廷矢量，即电磁波的能量向R方向传11RE22CPRSEHA播。电流元的辐射场表达式为（23）下面我们可根据式（23）来进一步分析电流元产生的远区场即辐射场的一些性质（1）电流元辐射场的电场与磁场空间方向正交（相互垂直），且垂直于波的传播方向；它们在时间上同相位；幅值比为辐射波的波阻抗。这样当电流元在空间任一位置处20EH的辐射场的电场为已知时，这一点处的磁场的方向、幅值和相位也H就确定了。（2）电流元辐射场的相位随R的增大而不断滞后，其等相位面是以R为半径的球面，即电流元的辐射波是球面波。在R值极大的局部空间区域，电流元的辐射波可近似为平面波而且是TEM波。（3）辐射波的强度即场强的幅值或与比值正比。就是说载EH流导线即天线的长度（这里是）能与波长相比拟时才能产生有效的辐射。DL这就告诉我们，一般地说天线的工作频率越高其尺寸越小；低频信号难于建立有效的辐射，因为难于构造与其波长尺寸相当的天线。因此，在无线电信中对所欲传送的信号进行频谱搬移（调制），不只是为了信道复用，也是为了实现有效的辐射。1R2R31DL060SINSINI2JRJRJRIDLIDLJEELHJ（4）电流元辐射场的幅值（或）具有方向性，即电流元向不同EH空间方向辐射电磁波的强度不同。由式（23）可知，电流元辐射的幅值在R确定的情况与方位角无关（从对称关系考虑这是不难理解的），与俯仰角有关。我们把天线辐射场表达式中与方向有关的因子定义为天线的方向函数，记做。那么电流元的方向函数为,F（24）方向函数的图象就是天线的方向图，方向图更直观形象地表示出天线辐射的方向性。图22是用直角坐标（即标高图）和极坐标做出的电流元的方向图。前者因角度坐标不受限而可以细化，后者则更为形象和直观地表示辐射的方向性。在天线理论分析中更多的是采用极坐标方向图。ZZFF09Y1110000232223AB图22电流元方向图我们把天线辐射最强的方向定义为天线的主向，也就是天线方向09函数为最大值的方向。电流元主向为，即与电流元轴线垂直的方M向。由于电流元的辐射场为旋转对称分布，因此其主向不是单一方向而是环绕电流元轴线一周与其轴线垂直的所有方向。显然，若电流元垂直于地面（暂不考虑地面的影响）。它的方向图则与广播发射天线、电视发射天线及移动通信基站天线所要求的方向图大体上是吻合的。212行波天线的辐射场如图23所示，我们以流有行波电流的长直导线的辐射场分析为例，来说明电流元是怎样应用于线天线的分析研究中的。,SIN0RLZDE0DDZR载有行波电流的长直天线称为行波长线天线，令线长大于半波长，L线终端接匹配负载以保证线上为行波电流。为简化分析，暂不计地面影响，既行波长线天线工作于自由空间；不计沿线的欧姆损失和辐射损失，即沿线长电流辐值不变而只有相位滞后。这样行波长线天线上的电流为（25）其相移常数与自由空间中电磁波的相移常数相同。IZL0LRZ图23行播天线电路图把行波长线天线看做是无穷多的电流元沿天线轴线连接而成，如图24。取线上任一位置Z处的DZ线段，我们把它看做电流元（在DZ内线上电流幅值、相位均为恒定），它在空间任一点P处产生的辐射场（这里只写出电场记做，而无须再写出磁场）为DE（26）图24行波天线分析图整个长线长中无穷多个这样的电流元都要在P点处产生各自的辐射L0JZIE60SINJRIZJER场，它们叠加的结果就是整个行波长线天线的辐射场。22对称振子我们可以用分析行波长线天线那样，利用电流元和叠加原理来分析对称振子天线的辐射特性。为此必须首先确定对称振子上的高频电流分布的规律。在工程上采取近似的方法，把对称振子看成是终端开路的传输线两线张开的结果，并认为其上的电流分布规律仍和张开前的终端开路线规律一样。221对称振子上的电流现以对称振子的馈电点为坐标原点（参照图21），则可写出对称振子右臂（Z0）上的电流表达式（27）对称振子左臂（Z0,即L（35）从中可以得到垂直天线的方向函数（36）为研究垂直天线在不同的架设高度的影响，为了简单分析，我们作出H0，时的方向图进行分析（为简化，令，即半波振424LLHED60SIN2SINCOSLJRIJELHZZDSISISINCOLHJRLHIJLZZLZDS160SIINCOS1COINLHJRNLHLIJEZLHLZDLSS1COS160SICO1CO1SJRNLLHLIJELLL602COSCOSSINCO1CS1OSJRIJELHRLL12COSCOSCOS1SINCOSFLHLHL子情况）利用MATLAB画出方向图（程序附录4）图32H0直立天线的方向图图33H直立天线的方向图4图34H直立天线的方向图图35H直立天线的方向图H0，即为对称振子的方向图的一半，可以看出垂直天线的电磁波辐2射的方向是水平全向的。当H0，从图上可以看的出，垂直天线的辐射的方向不仅仅沿地表了，而且在斜上方也有电磁波的辐射，并且从四个图中可以看出副瓣的辐射的能量增加和副瓣在增加。还有从图中看出随着垂直天线高度的增加主瓣的宽度减少。鞭状天线一般离地面有一定的高度，我们已经看到了不同的高度的方向图了，它们副瓣的增加，也就相当于增加了干扰，例如手机就是用的鞭状天线，副瓣的增加，对信号的接受有干扰，对人大脑辐射增加了，同样车载天线也是属于鞭状天线，所以减少副瓣的增加和辐射强度是我们解决鞭状天线问题之一。32有效高度天线的有效高度（长度）是一个等效概念，它是把天线不均一的电流分布折算成均一分布的等效长度，其前提是天线的主向及主向辐射强度不变。有效高度是直立天线，特别是鞭状天线的重要参量。参考图36以直立天线的输入电流作为折算基准，天线上任意位置处的电流为0IIZ（37）图36天线的有效高度根据有效高度的折算概念，以为基准0I（38）经过整理（39）0SINSINIZHZHZHEZD1COSINEHHA2式中的相移常数。若直立天线的高度，特别是鞭状天线H/4时，地电流随Y的增大而增大；当H/4时，地电流则不随距离而变，但不论H为何值，随着Y的增大地电流都是趋向一个固定值。由此式可以看出，由两部分组成。大括号内的实部属于辐射场成分，它随Y的增大而增大，并趋向一确定值；大括号内的虚部用于感应场成分，它随Y的增大而减小，这两部分电流的相位差。在Y2附近，不09论H为何值都趋向一固定值，实际上己几乎完全是辐射场。所以，在Y2范围，地电流虽然还有相当大的数值，但这时地电流的损耗已用于电波传播的损耗。因此，在计算天线地损耗时只需考虑离天线底2的圆周范围内的地电流。YI1COSSINJRJAIJEHE11CSINJYIYJRYYIYI图310不同高度天线的地电流分布曲线由图310可以看出，当天线电高度较小时，天线底附近的地电流很大，所以特别需要良好的地面，尤其是短天线，因其辐射电阻很小，更需要接地良好以便降低地损耗，提高天线效率。为了减少地电流造成的损失，需要采取措施改善土壤的导电性能，通常是在地面以下铺设地网。地网就是以天线底部为中心的多根径向辐射状导线、地网的埋没深度一般为0205M，如果在耕地下面则应埋设较深，以免锄伤。线的根数可以从15根到350根，但一般不必超过120根，导线直径约为3MM，长度有半个波长就够了，但必须伸出天线顶在地而上的投影范围之外，有时在导线末端加地桩，并将周界线与各地桩连接起来，地桩的深度应在穿透深度以下。除了在地下埋设地网以减小损失以外，还可在地面上铺设地网，地面上的地网称为平衡网，其形状可以是正方形、长方形、正六边形等，内部可为方格形或三角形，周围各点可用绝缘子将其拉紧。对小功率发射台，平衡网距地面的高度为0515M，对大功率发射台来说为26M。平衡网离地面较高，能减小电流的损耗，但同时却降低了天线的有效高度，从而减小了天线的辐射电阻，所以需要全面衡量，选取一个适中的高度。从减少地损耗捉高效率考虑，在地下埋没地网效果比平衡网要好些，但埋设地网比较麻烦，移动电台一般都设平衡网。对于固定电台，当地质导电不良或为坚硬岩石时，也须采用平衡网。埋设地网后，计算地损耗时可以只计算土壤电流造成的损耗3。34本章小结本章介绍了直立天线在工程应用中常见的三种问题一，上章得到直立天线的方向函数，利用MATLAB画出了不同的离地高度的方向图，从中发现了一些问题。二，由于工作在长波和中波天线的高度与波长难于相当，需要给天线加顶负载，来增加天线的有效高度。三，在工程中，地面不是理想的导体，有一定的阻抗，需要铺设地网来减少阻抗，提高天线效率。结论现在移动通信事业以飞快的速度发展，离不开天线技术的快速成长。天线的种类各种各样，本课题研究的是直立天线，典型的直立天线几种，广播发射的铁塔天线，用于中小功率通信电台的伞状天线和“T”行天线，用于移动通信台的鞭状天线等。本课题研究的主要问题是直立天线在工程应用中的问题，在工程中，主要有三个问题其一，天线距地表架设高度对天线辐射的影响，通过推导和画方向图，了解到直立天线离地架设后，主瓣的宽度也随着离地高度的增加变窄，但产生了副瓣，并且离地越高其副瓣越大，所以消除副瓣或者减少，是发现问题的目的。其二，天线的有效高度，由于实际的直立天线很难做到高度与波长相当，需要增加天线的有效高度，具体办法一种是给天线加顶负载；另一种办法是给天线中间加感。其三，地表电性能的影响，对于实际，地表并不是理想的导电体，有一定的阻抗，通过铺设金属地网，来减少地面电阻，即减少地面的损耗，提高了天线效率。通过这次毕业设计，使我更加深入地了解了直立天线，更接触到在实际应用中的直立天线，且发现了几个实际问题。参考文献1王增和,卢春兰,钱祖平等天线与电波传播机械工业出版社2003,162殷际杰,微波技术与天线,电子工业出版社20043朱崇灿,黄景熙,鲁述天线武汉大学出版社1996,1401454刘志成等,天线原理,国防科技大学出版社19895李玉莹,徐晓文基于矩量法对导体板上单极天线特性研究,电波科学学报2002,046王春HF全向宽带小型化单极子天线的研究与实现电子科技大学20067彭宏利,张厚,刘其中一种新型结构的小型化双频手机内置天线西安电子科技大学学报2003,018吴丹,漆兰芬用于个人通信手机的微带天线与单极天线对人体辐射的比较分析无线电工1999,059杨明,浅谈手机内置天线电子世界2001,1110张戈,王淑菊无线发展天线先行无线电工程2003,0511郦息明,陆小明通信天线的特性和应用浅析江苏水利2004,0412陈胜兵,盛海强,焦永昌,张福顺,刘其中双频基站天线中的反射板形状设计,电波科学学报,2004,0613郭榕蜂窝移动通信双频基站天线设计,西安电子科技大学200714王媛,帅震清,冯林移动通信基站电磁辐射实例分析,四川环境2006,0615TSMMACLEANPRINCIPLESOFANTENNASWIREANDAPERTURECAMBRIDGEUNIVERSITYPRESS198616LEE,WCY,MOBILECOMMUNICATIONSENGINEERINGMCGRAWHILL,198217BACHANDERSENJANTENNASFORVHF/UHFPERSONALRADIOIEEETRANSVEHICULARTECHNOLOGYVOLVT26NO4NOV1992附录1开题报告燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称垂直近地线状天线工程应用中问题研究课题性质天线课题来源工程实际学院（系）里仁学院专业电子信息工程年级03电信2学生姓名申志亮指导教师殷际杰2007年4月10日一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义。垂直近地线状天线是应用广泛的天线，如广播，通讯，手机，汽车的方面都用垂直近地线状天线。我国的广播电视事业得到了飞速的发展，各省市都有电视台。各县市都有转播台，甚至不少乡镇都建有差转台。就是这些发射台转播台在全国担负着862的无线覆盖率任务。但我们广电系统长期以来重宣传、轻技术、技术行业中重播控、轻发射，发射行业中重发射机、轻发射天线。发射天线成为整个广播电视系统工程中的轻中之轻。在广播电视系统中，除了专业部门外很少有人重视、了解研究发射天线，因而天线系统中较普遍地存在着一些问题，从而造成了场型覆盖不好，发射效率变低、资源能源浪费严重。还有为了减少天线的占用空间，我们常常需要将天线的尺寸减少。那么怎样在天线尺寸减少的情况下，天线仍然能准确地产生谐振呢手机天线主要就内置及外置天线两种，内置天线客观上必然比外置天线弱。天线的架设都是尽量远离地面和建筑物的，天线接近参考地的时候，大部分能量将集中在天线和参考地之间，而无法顺利发射，所以天线发射，需要一个“尽量开放”的空间。而手机电路版就是手机天线的参考地，让天线远离手机其他电路，是提高手机天线发射效率的关键。车台天线的位置和辐射的问题。通过学习课本上的垂直近地天线的基础知识，并且学习和工程应用中的差距，发现一些工程应用中的问题。通过学习的理论知识对实际问题的解决，进一步对理论知识理解的加深，和实际问题相结合。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题垂直近地线状天线是应用广泛的天线，对该类型天线方向性分析。工程应用中的问题（1）架设距地表高度的影响工程应用中垂直天线一般离地都有一定的高度，而了便于研究垂直天线，都不考虑其离地表高度，这样垂直天线的方向图比较规则，在工程应用中对垂直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）天线有效长度在长、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。EL（3）地表电性能的影响在对垂直天线理论分析时，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。三、研究步骤、方法及措施资料的收集。理解设计课题题目的性质，查阅和收集相关的资料。相关知识的学习。深入理解所设计的课题内容，通过阅读教材相关章节，进一步学习垂直近地线状天线，结合实际问题对天线方向性的分析。对不同等设高度天线方向函数的推导，并且利用MATLAB绘制天线的方向图。四、研究工作进度14周阅读教材相关章节；58周理论分析；912上机绘图；1316周起草论文定；1718周撰写毕业论文五、主要参考文献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1989六、导师意见指导教师（签字）年月日七、审核意见审查结果1、通过；2、完善后通过；3、未通过负责人（签字）年月日附录2文献综述燕山大学本科毕业设计（论文）文献综述课题名称垂直近地线状天线在工程应用中问题研究课题性质天线课题来源工程实际学院（系）里仁学院专业电子信息工程年级03级学生姓名申志亮指导教师殷际杰2007年6月19日一、课题国内外现状为适应现代通信设备的需要，天线的研发主要朝几个方面进行，即小尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控制。二、研究主要成果短加载螺旋天线（SLH）是适用于固定设备的高性能小尺寸天线，它是从轴式螺旋天线演化而来的，极化方式为圆极化且增益较高。SLH使用了独特的几何结构，能够提供比轴式螺旋天线大的多的增益，而尺寸却缩到其四分之一。多频带天线通常要在两个或两个以上特定的窄频带上提供较好的阻抗匹配和性能。随着各种服务和频率的要求日益增多，多频带天线是一种比较经济的解决方法。还有智能天线，等等。三、发展趋势随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也越来越小，这就需要天线减少自身尺寸。在不影响天线的增益和效率的同时减少天线的尺寸是一项艰巨的工作。电子设备集成度的提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内支持两个或更多的无线服务，所以需要研究更宽接收天线也是一个发展的趋向。天线的功能增加的同时，也是智能化提高，并且现代通信的要求，天线的接收发射信息的精度更高，误差更小。四、存在问题天线的技术的飞速发展，必然会带来许多问题，由于自己的知识能力有限，所以只能对自己研究的课题，发现的几个问题，如下（1）架设距地表高度的影响工程应用中垂直天线一般离地都有一定的高度，而了便于研究垂直天线，都不考虑其离地表高度，这样垂直天线的方向图比较规则，在工程应用中对垂直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）天线有效长度在长、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。EL（3）地表电性能的影响在对垂直天线理论分析时，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。五、主要参考文献1袁晶移动通信终端天线的研究D西安电子科技大学,20072严丰庆,钱澄射频开关及其在通信系统中的应用J电子器件,2005,013吕晓德,高本庆,刘瑞祥低副瓣智能天线阵型研究J微波学报,2000,S14张戈,王淑菊无线发展天线先行J无线电工程,2003,055国内智能天线领域专利技术发展趋势J电子知识产权,2003,12附录3外文译文及外文复印天线基本概念CHRISTOFROHNER1引言天线是把载有新信息的导行电磁波转换成为辐射电磁波,反之亦然图11天线名字从动物学的领域获得,术语天线拉丁语是用来说昆虫长薄触角。现有最老的天线，例如在1888年HEINRICHHERTZ首次实验证明电磁波的存在,那时电磁波还没有完全从高频发电机功能和部分上分离,与当今谐振电路当作模型说明某些天线的特性。直到1900年后,天线在一个无线电通讯系统清楚地分离了,并且视为一个独立单位，作为信息传递和接收分别成立。现代天线和他们的祖先在其外表没有太大的差别,但通常的高度精心设计适合比赛中的应用研究。在无线电通信中,例如努力把一种波变成另一个以最小的损失。为测试天线，提供一个在天线场测量精确的电场强度的测试接收机,这一要求是没有多大意义。在这种情况下已知天线的物理特性是必要的。今天用各式各样的天线只有那些最好使用手提收音机和场强测量,可以在这里说明。这同样适用于浩如烟海的波传播方法。提供一个广泛的概观是为了确定了物理量来描述,并对天线的性质和电磁波的传播的展开。2天线特性正如在引言中,天线具有的功能是把一种波变成另一个波。与方向能量转换无关，至于工作原理及了解现况是有关的。因此，发射和接收天线被考虑为相同的想法互惠原则,下面说的参数同样对传输和接收有效的。这也适用如果在某些情况下只传送或接收参数是可测量,或者其规格似乎是有意义的只是其中之一方式。有源天线是唯一的例外是单纯的接收天线,它们都是非互惠的。除此之外,明确区分发射和接收天线必须作出举例说,假如，最大发射功率是必须考虑的。但是，其工作原理和特性是不相关的。磁场强度辐射波电场强度天线导电波接收机图11天线电磁变换器21辐射方向图天线的空间辐射是用辐射的方向图来描述的通常在远场。仅用一个各向同性辐射体就能获得各个方向的辐射，但是它却不能被用于精确极化。因此，它最适合做为一种参照标准或模型。而偶极子和磁单极是有方向性图21,引向天线只用于天线辐射集中在一个特定的方向上。在下面传输的情况下仅用互易定理第2条获得天线参数适用。图21单极垂直近地天线的辐射方向图A完美的,B实际平均的在定向方向图中可以看出电场强度如常见的做法或者能量大小与辐射角度有关，在能量图表中波瓣束窄和边峰值小于场强图。而球面或极坐标系中所使用的图21往往是首选,因为他们更直观,笛卡尔可能查对数表图表大多提供一个更为详细和准确对辐射特性的表示。对天线辐射特性一个完整而准确地描述有以下必须注明1组成的磁场强度作为和的一个功能角2组成的磁场强度作为和的一个功能角从幅度和相位。在很多情况下是足够,但为了显示期望的极化方向上巨大的磁场强度,这个数量通常被归到外地强度最高22方向系数定义天线的方向系数D为天线在主向R远处的辐射功率密度FMAX与相同辐射功率平均分配时该点处的辐射功率密度FI之比。辐射强度可以取代功率密度为代表的能流矢量如下所示SEHS与E垂直并且H远离S与E垂直的面功率密度在天线同一距离R上测量的，下列因此适用且23增益同方向系数,天线的增益G是天线在主向R远处的辐射功率密度FMAX与相同输入功率平均分配时该点处功率密度FI0之比。这将产生有相同的输入功率PT0无损耗的辐射体且相较于方向系数,天线效率是考虑到在上述方程自适用以下规则GDMAX0MAX0,EHCMAXIFD4TIPFMAX0IF04TIPF标准DIN45030除了界定的实际增益G。只有这种类型的增益可衡量,而获得上述定义,是基于理想配对,并有从实际的增益和巨大的反射系数R,按下列公式增益和方向系数往往体现在对数形式G10LGGDBANDD10LGDDB在某些情况下,违反有关规定和标准,增益是不指定参考各向同性辐射体或参考不同的主向辐射。在多数情况下是常见的做法虽然不太标准是明确的增益称为各向同性辐射体与假设的DBI,指的具有DBD的半波偶极子。24有效天线长度有效天线长度通常也简称为有效天线高度,是在天线终端和电场强度E的作用下最高开路电压的商,得到的最佳天线直线极化波见图22图22有效长度天线的有效长度是几何天线长度不相同的参见有效面积有效长度,可以在天线传输时通过对天线的电流分布IZQ从零到天线的几何长度LG的积分21PRACT000EFEFVHELA可以得到一个的半波振子极子的有效长度064L,例如由此可见,有效长度足以说明天线的有效长度为一个偶极振子需要的长度，实际应用中辐射体在主向上的辐射同样应用在均匀馈电见图23AI计算公式其中馈电阻抗AR图23为一个半波偶极振子有效长度25天线系数不同于有效长度,天线系数K是电场强度E和接收机输入的匹配电图24INV0GLQEFAZD210AWEFL图24高端接收机有50的阻抗,具有，所以50INOUTR012INVK2/EFL显然,磁场强度测量要有效天线长度或天线系数必须准确已知常常是,更方便使用的天线系数,尤其是在其对数形式上K20LGK作为传感器因素,因为在这种情况下,所要做的是把天线系数K和通过接收机电压水平PU表示,得到电磁场强度F为了完整起见,应当指出的高精度场强测量天线和接收机之间电缆损失必须加以考虑。而在场强测量中天线系数是常用的一个重要参数，一般测量天线时，增益和方向系数是特别指明的。公式描述天线系数和实际增益的关系,因此常常很有帮助作一个对数,这个公式的形式K298DB20LGF/MHZG3直立天线直立天线或单极天线的工作原理,事实是基于一个四分之一波长电天线,是由具有相同电流分布的半波偶极子获得的,如果天线的高度得到一个完整的半波偶极子是靠高导电板得到由于镜像效应见图38,四分之一波长的垂直天线安装在导电地面上，将具有相同的辐射模式天线，这样就得到了偶极天线当然在地面以下是无辐射的相对于偶极天线其输入阻抗减半相比，即值在30和40方向性因子增加51分贝111UVFDBPDBVKDMM973KGA图31镜像天线像偶极矩,单极天线有各种各样的应用尤其是在低频段,单极天线允许垂直极化波辐射长和超长波,单极型天线,也可以容易的实现宽带短波单极天线往往设计成架设天线对于镜像效应,安装单极振子的导电表面显得特别重要这是常见的做法并不可取,在地面的导电性差的地面例如干砂下安装地线网这是有利的,甚至超过当地平均电导率湿草甸。在甚高频/超高频范围,单极振子被用作垂直极化全向天线地面平面天线在这种情况下,可以容易用电线射频模拟导电地面。如果射线装置相对的四分之一波长辐射体的夹角为135度而不是在正确的角度将案件真实地面,馈电的阻抗将增加至50和60,排除需要使用更加复杂的测量为天线相匹配同轴电缆此外,平衡电压器需要单极天线作为不平衡天线,使他们可以在很多情况下是直接连接到馈线电缆。直立天线收发掌上电脑或手机,装置的底盘和人的容性耦合形成了机电平衡。汽车天线,但在另一方面，汽车金属屋顶是指提供接地。这些天线辐射模式大大不同于显示的图21和通常情况横向全方位辐射形态不再如此由于直立天线主向上辐射方向图形状的参见图21，直立天线设计的短波频率范围15兆赫至30兆赫,一般不适合短距离通讯。参考文献作者书名出版社BALANISANTENNATHEORYJOHNWILEYINTHISCASE,THECONDUCTIVEGROUNDCANBE