通信工程毕业设计（论文）-仿真设计吸顶天线.doc

北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世纪学院 毕业设计毕业设计(论文论文) 题 目 仿真设计吸顶天线仿真设计吸顶天线 学 号 学生姓名 专业名称 通信工程 所在系(院) 通信与信息工程系 指导教师 2012 年 6 月 1 日 北京邮电大学世纪学院毕业设计北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文论文)任务书任务书 姓名学号专业通信工程系(院)通信与信息工程 设计(论文)题目仿真设计吸顶天线 题目分类 工程设计； 工程技术研究； 软件工程(如 cai 课题等)； 专题研究；艺术设计； 其他 题目来源 自然科学基金与部、省、市级以上科研课题； 企、事业单位委托课题； 院级课题； 自拟课题 其他 指导教师(指导教师组 组长及成员姓名) 职 称工作单位备注 副教授通信与信息工程系组长 教授通信与信息工程系组员 讲师通信与信息工程系指导老师 助教通信与信息工程系组员 毕业设计(论文)的内容和要求： 注意：选题尽量与实际应用需求相结合。要求写明本设计(论文)所涉及的分析方法或技术 手段(如定性、定量分析的方法)；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤和 技术指标。 对于宽频带系统，一个很重要的问题就是宽带天线的研究。因为相对于传统的窄带天线， 宽带天线需要有几个倍频程的带宽，而且要求天线在整个频带中都有稳定性能。 随着现代无线和移动通信的发展，迫切需要一种全向宽带的天线来覆盖尽量多的通信频 段。双锥天线最早由 schelkunoff 提出并作为研究天线辐射特性的模型，由于其自身具有渐 变结构形式和水平旋转对称的特点，而具有天然良好的宽频带特性和全向特性。 熟悉电磁波辐射特性、天线参数、微带天线理论等相关内容，利用仿真软件 ansoft hfss 设计锥形天线，进而很好的理解和掌握电磁波的传播、天线的结构参数、设计指标等。 利用仿真软件设计指标如下： 1端口的特性阻抗 50 欧姆 ； 2方向图全向性; 3电压驻波比l 0 的外部空间则称为外域。 图 4-1 有限长双锥天线示意图 在简谐情况下用赫兹电矢量的一个分量和赫兹磁场矢量的一个分量来表 er mr 示自由空间中的场。在球坐标系中，这两个标量函数满足波动方程： (式 4-1)0)(sin sin 1 2 0 22 2 er er k rr er (式 4-2)0)(sin sin 1 2 0 22 2 mr mr k rr mr 其中为自由空间波数。 0 k 将麦克斯韦方程组的解分成独立的两组：tm 波和 te 波，并分别用和 er 来表示， mr 对 tm 波有： 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 22 (式 4-3) r er r e 2 sin 1 0 r h 对 te 波有： (式 4-4) r mr r h 2 sin 1 = 0 假设天线由理想导体制成，根据图 4-2 边界条件可写成： r=l,时， (式 4-5) 0 0= 0 r,时， (式 4-6) , = 0 = 0= 0 r=l 时， (式 4-7) (内)= (外)(内)= (外) (式 4-7)说明在 r = l 的球形边界处电磁场是连续的，此外当 r 时场还应该 满足辐射条件。 由于天线旋转对称，和与 无关，且磁场仅有 分量，即, = = 0 。代入(式 4-4)则磁场分量都为 0，由于式(式 4-4)是麦克斯韦方程组的一个 0 独立解，其电场也必然都为 0，因此，te 波不存在，而对于 tm 波，(式 = 0 4-3)只剩下、和三个分量即： (式 4-8) r er rr re 2 1 ),( 这样求出(式 4-1)的解就能完全确定有限长双锥天线的辐射特性。 研究表明，对于有限长宽角双锥天线，在内域中可仅用 tem 波近似所有场量。在 下面的讨论中我们就可以作这样的近似。 求天线输入阻抗的思路是：先令(式 4-8)中 rl 得到天线边界球上的电磁场， 进一步可求得边界球上的电压和电流，已知电压和电流后就可以定义终端阻抗， 并通过边界条件确定(式 4-8)中的未知常数，最后由传输线理论得到天线的输入阻抗。 边界球上电压为： v(r)= (式 4-9) - 0 0 e() (,) 电流为： i(r)=2 (式 4-10) 0() (,0) 定义终端阻抗： 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 23 = (式 4-11) = v(l) i() (0 0 + 0 ) (0 0 0 ) 其中 ，是无限长双锥天线的特性阻抗。 = 120 0 2 最后由传输线理论可得到有限长双锥天线的输入阻抗： (式 4-12) = v(0) i(0) = + 0 + 0 电压驻波比为： (式 4- = |+ 0|+ | 0| |+ 0| | 0| 13) 其中为传输线的特性阻抗。 0 4.1.2 自相似原理 双圆锥天线属自相似结构天线。所谓自相似结构是指天线的形状按任意比例尺 变换后，仍相似于它原来的结构形状。其它自相似结构天线还有梯形对数周期天线， 对数周期振子天线，等角螺旋天线等。自相似结构天线是按照相似原理设计的，这 一原理是:“若将天线的所有尺寸按波长成比例的变化，则天线的工作特性不变” 。 如把相似原理应用到同一天线上，则可叙述为“若天线以任意比例尺变换后，仍相 似它原来的结构形状，则其性能将与工作频率无关” 。 举例来说，有两个尺寸成比例的天线，后者是前者的 倍。现将两天线置于不 同坐标系下讨论，并设 为常数， = 0。天线 1 的场方程为： 、 (式 4-14) = 引入新单位制讨论天线 2，新单位制中长度单位是天线 1 中单位制的 倍， 而其它单位不变。那么，天线 2 的场方程为： (式 4-15) = 显然，由于单位制不同，在数值上有和。如果在数值上有下列条件成 = = 立： (式 4-16) = / 则(式 4-16)变为： (式 4-17) = (式 4-16)和(式 4-17)形式相同，而且有数值上相等的常数，因此，只要边界条 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 24 件相同，两式将在数值上有完全相同的解，因而两天线有完全相同的特性。(式 4- 16)表明：当天线尺寸增加 倍，为了保持两天线有相同的场，激励天线的频率必 须减少 倍，或波长增大 倍，即天线尺寸和电源波长以相同比例变化。 4.1.3 双锥天线的仿真与改进双锥天线的仿真与改进 (1)典型双锥天线的分析与仿真 普通振子天线的输入阻抗随电长度而变化的剧烈程度主要取决于天线特性阻抗。 特性阻抗越大，输入阻抗随电长度的变化就越剧烈，天线的阻抗带宽就越窄；反之， 特性阻抗越小，天线的阻抗带宽就越宽。振子天线的特性阻抗主要取决于长细比 ， =2 ln(2 l / a)，其中 a 是天线振子臂的长度，l 是天线臂的振子天线的 半径。 越大，天线的特性阻抗就越大。因而，在同样的长度的条件下，粗振子 天线具有较宽的工作频带。但由于架设上的困难，仅仅采用加粗天线直径的办法获 得较宽的工作频带是不现实的。因此要采用一种有别于普通圆柱状振子天线的宽带 天线，即双锥天线。 无限长的双锥天线具有良好的宽频带特性，而实际中的双锥天线都是有限长的， 有限长的双锥天线由于端面的反射，内域场为沿径向正负两个方向传播的 tem 波 和高次模的叠加，因此其阻抗带宽受到一定的影响而减小。由理论分析可知，双锥 天线的带宽受半锥角的影响很大，在半锥角较大时，双锥天线的特性阻抗很低， 0 所以大锥角的双锥天线会有很好的宽频带特性！ 大锥角双锥天线输入阻抗的实验值，可以用无限大导电平面上的单圆锥天线的 实验值乘以 2 得到。导电面上的单圆锥天线的输入阻抗实测值如图 4-2 所示。其 中(a)为单圆锥天线的输入电抗，(b)为其输入电阻。从图中可以看到，小锥角时无 论是输入电阻还是输入电抗随电高度的变化都很快，这里 h 是圆锥的高度。如 0 果锥角足够大，圆锥天线的输入电阻和输入电抗随的变化都十分平缓。尤其是 0 在 2接近时，这种天线的输入电抗在以后几乎为零，其输入电阻接 0 90 0 /2 近于 50 ，因而这种天线会具有很宽的阻抗带宽。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 25 图 4-2 单圆锥天线输入阻抗图 4.2 双锥天线的设计 为了实际分析双锥天线的性能，本文利用 ansoft 公司开发的高频电磁仿真软 件 hfss10.0 对天线进行了数值仿真，来研究天线的各参数特性。 在 hfss10 里创建一个典型双圆锥天线模型，模型如图 3.3 所示,圆锥上下结 构是对称的，其中 a、b 分别为上锥体底部和顶部的半径，h 为上锥体的高度，m 为上下锥体顶点间的距离，这样整个天线的模型也就确定了。对天线的馈电采用 50 同轴线馈电，馈电点设在天线的中间，也就是上下锥体之间。 由理论分析可知双锥天线的带宽受锥角影响较大，在锥角为接近时宽带特 90 性良好，而在实际仿真中发现间隔 m 对带宽也有影响，而锥体长度主要影响天线带 宽的上下截止频率。因此仿真时经过优化选取了带宽特性较好的一组参数： b=65mm，a=5mm，h=60mm，m=3mm。这样得到的天线的驻波比曲线如图 4-2 所示。由 图可以看出天线在 1.53.3ghz 左右的频带范围内驻波在 2 以下，中心频率约为 4ghz，宽带性能还是较为良好的。 而天线的方向图也由仿真得到，在中心频率 4ghz 处天线 h 面和 e 面的方向图 如图 4-3 所示。由图可以看到，h 面为全向的，而 e 面为标准的 8 字形。 图 4-3 典型双锥天线模型 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 26 图 4-4 典型双锥天线的驻波比仿真曲线图 (a)h 面剖面图 (b)e 面剖面图 图 4-5 典型双锥天线的仿真方向图 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 27 5.吸顶天线仿真和绘制 5.1 吸顶天线绘制： 5.1.1 双锥天线基础配置 图 5-1 双锥天线基础模型 建立出双锥天线基础模型，圆锥上下结构是对称的。 其中 a、b 分别为上锥体底部和顶部的半径，h 为上锥体的高度，m 为上下锥 体顶点间的距离，因此仿真时经过优化选取了带宽特性较好的一组参数： a=5mm，b=65mm， h=60mm，m=3mm。 5.1.2 双锥天线的材料选取 图 52 双锥天线材料设置 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 28 双锥天线材料设置，圆锥上下选取铜作为材料。 5.1.3 馈电设置 图 5-3 馈线设置 图 5-4 双锥天线馈线设置 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 29 馈线设置，馈线的端口的特性阻抗 50 欧姆 。 图 5-5 馈电设置完成 5.1.4 辐射设置过程： 图 5-6 空气盒子绘制参数设置 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 30 图 57 绘制结果 5.1.5 创建辐射边界表面 图 5-8 空气盒子材料设置 创建一个长方体，其顶点坐标为（ -315，-315，-250） ，长方体的长 宽 高为 630630623，长方体模拟自由空间，因此材质为真空，长方体命名 为 air。创建好这样一个长方体之后，设置其四周表面为辐射边界条件。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 31 5.1.6 辐射方向设置 图 5-9 空气盒子材料设置 辐射设置方向和范围为全向辐射，即与 x 轴夹角（phi）是 0 到 360 度，与 z 轴夹角（theta）-180 到+180 度。 5.1.7 设置中心频率 图 5-10 中心频率设置 设置中心频率为 4ghz。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 32 5.1.8 辐射范围设置 图 5-11 频率范围及计算步长设置 频率设置：起始频率 1.5ghz，结束频率 3.3ghz。最小间隔为 0.01ghz。 5.1.9 检查错误和结果 图 5-12 检查错误 确认无误，开始计算 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 33 图 5-13 创建报告 创建仿真计算结果报告。 5.2 双锥天线仿真计算结果 5.2.1 三维增益辐射图 图 5-14 空气盒子材料设置 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 34 图 5-15 3d 增益辐射图 从 3d 增益方向图中可以看出该双锥天线满足全向辐射，最大增益约为 4.0db。 5.2.2 e 面和 h 面平面方向图 图 5-16 e 面解剖图绘制结果 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 35 图 5-17 h 面解剖图绘制结果 e 面和 h 面平面方向图 5.2.3 电压驻波比 图 5-18 vswr 计算结果 在电压驻波比 的报告图 中，中心频率为 4hz，并且在频率范围为 的 3.005.00ghz 频段间， vswr1.60。满足任务书要求 。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 36 6.结论 宽带全向吸顶天线天线具有体积小，重量轻，外观美观，信号辐射小，易 与安装在室内等诸多优点，从研发以来就得到了室内分布系统的广泛研究与 应用，以上所仿真就是满足端口的特性阻抗，中心频率 f=4ghz，电 50 0 z 压驻波比，增益：，极化方式：圆极化， 辐射方向：全向，2vswrdbg5 这些条件的适用于 在室内分布系统中的宽带全向吸顶 天线。但通常的 双锥结 构天线占地面积大 ，相对带宽较窄。同时，随着通讯技术的发展，带宽的应用 越来越受到重视，新的标准相继提出，通讯产品越来越小型化，物理空间的限 制成为系统设计必须考虑的重要因素，因此天线的小型化成为天线设计的又 一研究热点。如何设计出同时具有小型化、覆盖性能好以及宽频带的锥型天线 是当前吸顶 天线设计的难点与重点。 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 37 致谢 感谢老师为我指导本次论文。在以前关于微波、天线的课程就是由杨慧春老师 讲解的，所以很多原来的知识都能够很好的应用上。 在研究吸顶天线的理论基础上，遇到了不少忘记的或者不熟悉的公式，包括以 前也没有接触过的，需要参考教科书和在网络上寻找答案的，这时杨慧春老师给了 我很大的支持，帮助我能解决这些困难。 在进入仿真设计时，杨慧春老师在我的设计思路上提出了建议，使我很能步入 正轨，避免了不少弯路。而在调试的过程中出现了很多在与设计上的差异，导致模 型不能够按照预期建造，这时的问题非常棘手，不知道在整个系统中哪里的计算出 现了差错，哪个点设置错了坐标。指导老师在这时给了我很大的鼓励，才使我平静 下来慢慢分析，最终找到了问题所在，并总结失败的教训。 正是在各位指导老师和同学的帮助下才使我成长起来，完成这次论文只是一小 部分，是他们陪伴了我在人生中最为精彩的大学四年时光。再次感谢杨慧春老师、 翟应斌老师、任国芳老师对我细心的帮助！ 最后，感谢评阅本论文和参加最终答辩的各位老师付出了辛勤的工作表示衷心 感谢！ 北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文） 38 参考文献 1 王新稳,李萍.微波技术与天线m.北京:电子工业出版社，2005：350. 2 廖承恩.微波技术基础m.西安:西安电子科技大学出版社，1995：100330. 3 吴万春,梁昌洪，微波网络及其应用m.北京:国防工业出版社，1980：50150. 4 吴明英,毛秀华，微波技术m.西安:西北电讯工程学院出版社，1979：240. 5 李明洋,刘敏，hfss