硕士学位论文-应用于物联网的定向高增益天线的研究.pdf

单位代码：10293密级：硕士学位论文论文题目：应用于物联网的定向高增益天线的研究Y002090807吴玉宁张业荣教授电磁场与微波技术无线通信与电磁兼容工学硕士二零一二年二月二十日学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将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、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：_日期：_研究生签名：_导师签名：_日期：_南京邮电大学南京邮电大学南京邮电大学南京邮电大学硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要学科、专业：工学电磁场与微波技术研究方向：无线通信与电磁兼容作者：吴玉宁指导教师：张业荣教授题目：应用于物联网的定向高增益天线的研究英文题目：ResearchonDirectionalHighGainAntennaAppliedinTheInternetofThings主题词：物联网，天线阵，微带天线，阵因子，高增益Keywords：TheInternetofThingsAntennaArrayMicrostripAntennaArrayFactorHighGainI摘摘摘摘要要要要物联网（TheInternetofThings）技术是一门集传感网、射频识别（RFID）、传统互联网于一身的新兴技术。随着物联网产业的迅猛发展，作为一个重要组成部分，物联网天线也必然会受到越来越多的关注和研究。由于天线的性能影响着整个系统的性能，因此需要设计性能优良的物联网天线来满足各种场合的应用，以便更好地支撑产业的发展。本论文以物联网相关知识作为开始，在分析了天线阵和微带天线的优点后，建立了微带阵列天线的仿真模型。根据模型，实际加工出了两款天线实物，并将实测数据和基于HFSS的仿真结果进行比较，从而验证模型的可行性。本论文研究的主要内容如下：1.首先概述了物联网的相关知识以及物联网天线的国内外研究现状，主要从高低频和微波频段两个方面综述了物联网天线的研究现状；其次对天线的基础理论以及天线参数作了简明扼要地阐述。2.讨论了天线阵的相关内容，阐述了方向图乘积原理，并借助Matlab重点分析了阵因子随各种因素的变化情况。3.分析了微带天线的技术特性以及优缺点，并且给出了清晰的微带天线设计流程。4.根据理论分析结果，建立了应用于物联网的具有高增益的微带阵列天线模型，并对模型进行了HFSS仿真。然后根据模型加工出天线实物，并进行了实测。最后根据实测数据和仿真数据的对比，验证理论模型的可行性。关键词关键词关键词关键词：物联网，天线阵，微带天线，阵因子，高增益IIAbstractTheInternetofThings(IOT)isanemergingtechnologywhichcontainssensornetworkradiofrequencyidentification(RFID)andtraditionalInternet.AlongwiththeviolentdevelopmentoftheindustryofIOTasanimportantpartoftheInternetofThingstheIOTantennawillreceivemoreandmoreattentionandresearch.Sinceantennasperanceaffectstheperanceofthewholesystemitisnecessarytodesigntheantennaswithhighperancetomeetvariousapplicationsalsoinordertobettersupporttheindustrysdevelopment.ThisthesisstartinginknowledgerelatedtheInternetofThingsintheanalysisofadvantagesoftheantennaarrayandthemicrostripantennaestablishesthesimulationmodelsofmicrostripantennaarray.AccordingtothemodelstworealantennasareproducedandthemeasureddatacompareswiththesimulationresultsbasedonHFSSwhichverifiesthefeasibilityofmodels.Thecontentsofstudyinthethesisaregivenasfollows:1.ThisthesisoutlinestheknowledgerelevanttheInternetofThingsandtheresearchsituationathomeandabroadaboutIOTantenna.Secondlythebasictheoryonantennaandsomeantennaparametersareintroducedbriefly.2.ThecontentsofantennaarrayarediscussedandtheprincipleofpatternmultiplicationiselaboratedwhichfocusesontheanalysisofthechangesofarrayfactorwithvariousfactorsbyMatlab.3.Thethesisanalyzesthecharacteristicsandadvantagesanddisadvantagesofmicrostripantennaandgivesacleardesignprocessonmicrostripantenna.4.Basedontheresultsoftheoreticalanalysistwomodelsofthemicrostriparrayantennamodelswithhighgainareestablished.Thenaccordingtothemodelstworealantennasaremadeandmeasured.AtlastaccordingtothecomparisonthemeasureddatawiththesimulationresultsbasedonHFSSthetheoreticalmodelsareverified.KeyWords:IOT(TheInternetofThings)AntennaArrayMicrostripAntennaArrayFactorHighGain.III目目目目录录录录摘要.IAbstract.II目录.III第一章绪论.11.1物联网的发展历程.11.2应用于物联网的天线的研究现状.31.2.1低频及高频天线.31.2.2微波天线.41.3本论文的组织结构.6第二章天线的基本理论.82.1基本原理.82.1.1基本辐射源.82.1.2辐射机理.92.2天线类型与参数.102.2.1天线类型.102.2.2天线的基本参数.122.3天线的极化.142.3.1线极化.142.3.2圆极化.152.3.3极化损耗因子.16第三章阵列天线.173.1阵列天线介绍.173.2方向图乘积原理.183.2.1等幅二元阵列.193.2.2四元二项阵列.203.3阵列天线的特性.213.3.1阵列因子.213.3.2互耦效应.25第四章基于物联网的天线研究.264.1设计目标的确立.264.2微带天线的设计.264.2.1特性.264.2.2输入阻抗.304.2.3方向性.324.2.4设计流程.334.3定向高增益微带阵列天线的设计.344.3.1应用于2.45GHz的天线.344.3.2应用于5.8GHz的天线.364.4仿真结果与测试结果的对比.384.4.12.45GHz天线.384.4.25.8GHz天线.46第五章总结.525.1全文工作总结.52IV5.2未来工作的展望.53致谢.54参考文献.55南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论1第一章第一章第一章第一章绪论绪论绪论绪论随着人类的进步、科技的发展，传统的人与人之间的通信也会发展成人与物以及物与物之间的通信，这就是物联网的目标。本章首先简要地介绍了物联网的发展历程，接着综述物联网天线的国内外研究现状，最后给出了本文的组织结构。1.1物联网的发展历程物联网的发展历程物联网的发展历程物联网的发展历程物联网（IOT：TheInternetofThings），顾名思义，就是物与物之间的互联以组成一个通信网络，它将传统的人与物之间的通信拓展到全面的物与物之间的通信。一般认为，TheInternetofThings最先是由MITAuto-ID中心的Ashton教授在研究RFID时最早提出来的1。其定义为：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网是从早期的传感网的概念上演化而来的。早在1999年，中科院就开始了传感网的研究与开发工作，它是由各种传感器、通信节点和数据处理单元通过自组织的方式构成的无线网络23。传感器负责收集各种数据，然后通过通信节点将数据传递给数据处理单元进行数据处理。在2001年，中科院上海微系统所成立了微系统研究与发展中心，并联合其他研究所与高校，初步建立了传感网络系统研究平台，深入研究传感网方面的相关课题，并于2004年9月，相关成果在北京进行了大规模的外场演示。在2005年11月17日突尼斯举行的信息社会峰会上，物联网的概念正式出现在国际电信联盟（ITU）发布的ITU互联网报告2005：物联网中4。物联网是在互联网的基础上，通过射频识别（RFID）技术将各传感器的信息连接到传统的互联网上，从而构造一个全面覆盖人与物的“TheInternetofThings”。在这样的一个网络中，物品与物品之间能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享5。2008年11月，第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”在北京大学举行，会上提出了移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并将促进社会各方面的变革。2009月1月，美国新任总统奥巴马与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，IBM的首席执行官SamuelPalmisano首次提出了“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。同年8月，国务院总理温家宝在中科院无锡物联网产业研究所视察时，提出了“感知中国”的口号，物联网被正式南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论2列为国家五大新兴战略性产业之一，写入政府工作报告中。值得一提的是，南京邮电大学在物联网研发方面走在了全国前列的位置上。2009年8月，在温家宝总理提出要推进中国的物联网建设后，南京邮电大学随即展示了物联网在相关领域的研究成果。同年9月，南京邮电大学成立了全国首个物联网研究院、物联网学院，并且建立了南邮无锡物联网、传感网研究基地，承担了无锡国家传感信息中心的总体规划工作。2010年7月，南京邮电大学物联网科技园在物联网大会上挂牌成立，其主要职能包括人才培养、科学研究和服务社会，有力地推进了物联网技术以及产业的发展。物联网涉及传感网技术、射频识别（RFID）、两化融合及M2M等领域。典型的物联网四大技术及应用如下图所示67。图1-1典型的物联网四大技术以及应用目前，物联网产业在全球范围内的实践主要集中在三个方面：1.“智慧尘埃”，主张实现各类传感器设备的互联互通，形成智能化功能的网络。2.基于RFID技术的物流网，主张通过物品物件的标识，强化物流及物流信息的管理，同时通过信息整合，形成智能信息挖掘。3.数据“泛在聚合”意义上的物联网，认为互联网造就了庞大的数据海洋，应通过对其中每个数据进行属性的精确标识，全面实现数据的资源化，这既是互联网深入发展的必然要求，也是物联网的使命所在。毫无疑问，物联网将是下一个社会发展的重要推动力！南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论31.2应用于应用于应用于应用于物联网物联网物联网物联网的天线的天线的天线的天线的的的的研究现状研究现状研究现状研究现状物联网主要涉及到RFID等无线通信技术。无线通信系统的一个关键组成部分就是天线。可以说，天线的性能好坏决定了整个系统的性能，一个好的天线设计往往能显著提升系统的性能。关于RFID天线的研究，国内外已有大量的成熟模型。根据应用环境的不同，RFID使用不同的工作频段，因而采用的通信天线技术也是不同的。RFID主要有三个应用频段：低频LF、高频HF和超高频UHF。对应的，RFID天线可以分为低频天线、高频天线、微波天线。另外根据工作模式，RFID天线又分为读写器天线和电子标签天线。1.2.1低频及高频天线电磁场理论告诉我们，电磁波的波长与频率是成反比的，当频率很低时，波长必然很长。如果想要有效地辐射电波，天线的尺寸必须达到波长的四分之一左右，这就是远场辐射问题。对于低频电波，天线的尺寸必然很大，现实中并不可取。即使是高频，要想远场辐射电波，天线的尺寸也是相当大的。在RFID应用中，往往要求天线的尺寸要小。所以，对于低频和高频来说，天线设计要另选方案。除了远场辐射，天线还可以通过近场耦合进行信息的传递，这就是所谓的NFC（NearFieldCommunication）。NFC主要采用线圈环形天线，阅读器和电子标签之间通过线圈互感耦合传递信息。线圈环的形式可以多种多样，典型的有矩形和圆形。RFID低频段主要指的是125kHz至400kHz之间，在这个频段，信息主要是靠天线的电感耦合进行互通的，类似于变压器原理，阅读器线圈产生的磁通量通过电子标签线圈感应出电压，通过控制磁通量的变化就能控制电子标签线圈上的电压，反过来，电子标签线圈上的电压变化转化成电流的变化从而也会在阅读器线圈上产生感应磁场进而转变成电流的变换量，这样就完成了信息的双向传递。关于低频天线的设计比较简单，目前已经成熟地应用于各种非接触卡中。例如台湾瑞新电子产的宠物芯片注射式RFID芯片中的近场天线，工作频率在134.2kHz。这类天线一般作用距离都比较小，功耗低。RFID的高频天线主要指的是工作频率在13.56MHz的NFC天线，其主要也是线圈天线。NFC天线是近年来发展迅速的一门天线技术，应用范围非常广泛，代表之一就是用于手机支付的NFC系统。例如Nokia的6280就内置了NFC天线以支持手机支付功能，此外，SonyEricsson的K750i的手机背壳也放置了一款NFC天线8。一般，NFC天线是在PCB或FPC上蚀刻几圈铜线制成，圈数及材料的选取会影响天线的参数，包括天线的谐振频率、南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论4品质因数Q以及作用距离，其中作用距离是NFC天线的关键参数。例如SonyEricsson的K750i，天线线圈的圈数为8，介质材料选用0.25mm厚的TDKFlexieldIRL0，天线的谐振频率为12.8MHz，Q值为1.4，作用距离达到45mm。美国Microchip公司设计的microID13.56MHzRFIDSystem中的RFID天线MCRF450451452455也是一种性能优越的高频天线9。除此之外，一种90nm的NFC收发器，也是工作在13.56MHz，它是由SteveMorris和AlastairLefley在2009年设计发明的，基于90nmCMOS工艺制成的，结构小巧，功耗非常低10。典型的应用于手机支付的13.56MHzNFC天线如下图所示。图1-2工作频率为13.56MHz的NFC天线1.2.2微波天线当频率上升到超高频段时，电波长度就会变得很小。此时，天线的尺寸也可以相应的缩小用来远场辐射电磁波。典型的RFID微波应用频段为2.45GHz和5.8GHz，这个频段的天线设计就是所谓的微波天线设计。微波RFID天线的设计与低频及高频天线的设计有本质上的不同，因为它们采用的工作机制不同。由于微波RFID天线采用的是远场辐射方式，所以其传输距离相比较近场通信天线要远的多，一般，其作用距离大于1m，典型值在110m范围内。微波RFID天线是物联网天线的主要形式，其结构多样，可以采用振子天线、微带天线或是阵列天线。微波天线的设计需要考虑天线的结构、材料、尺寸，以便得到想要的方向性、增益以及作用距离等参数。振子天线又称偶极子天线，是微波RFID中常用的天线形式，为了缩短天线的尺寸，常采用弯曲结构。在纵向延伸方向上经过多次折返，使得天线具有两倍多的导体段，每两个导体段之间通过一个垂直的连接段进行连接，这样，天线能够合南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论5理的利用空间。偶极子天线包括传统的弯折偶极子、钳形偶极子以及新型的稳定偶极子天线11-15。相比传统的偶极子天线，稳定偶极子在不同介电常数背景材料的应用场合中，其辐射特性更稳定。微带天线也是微波RFID中常采用的一种天线类型。微带天线属于平面型天线，具有很多优点而被越来越多地应用于各种场合，例如结构小巧、容易集成、制作成本低、可以批量生产。微带天线主要包括微带贴片天线和微带缝隙天线两种，其中，贴片天线应用的较多。根据贴片的形状，又可以分为矩形贴片、圆形贴片以及环形贴片；根据激励方式，又可以分为微带激励和同轴线激励。微带天线的优点显而易见，但是缺点是带宽较窄16-32。然而，一种新型的微带缝隙贴片天线，由K.Kumar和N.Gunasekaran设计发明的，具有非常宽的带宽16。阵列天线是为了克服单个天线方向性较窄的问题而设计出来的。阵列天线是一类由两个以上的天线单元按照一定的排列顺序组合在一起，通过适当的激励以便获得期望的辐射特性的天线。阵列天线的方向性非常好，增益较大243133-41。常见的偶极子天线、微带天线及阵列天线如下图所示。图1-3常见形式的微波天线在物联网应用方面，除了通过远场辐射外，有些超高频天线依然用近场耦合的方式进行通信。一种UHF近场通信天线克服了效率低下的问题，采用区间段式的导线组成矩形环状天线，环线上电流保持同相，从而在天线的近场区产生强大的磁场分布，其工作频段为840960MHz，具有良好的阻抗匹配特性和较宽的带宽42。此外，一种应用于2.45GHz近南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论6场RFID系统中的标签天线，采用片上天线的形式，将天线直接与芯片集成，使得系统的功耗极低43。1.3本论文的组织结构本论文的组织结构本论文的组织结构本论文的组织结构物联网产业是一门新兴的具有广阔前景的技术产业，其中所用到的技术大多已成熟。然而物联网天线的设计到目前为止还是比较新颖的，其与应用的场景以及技术特点有关，具有多样性。本论文以传统的天线理论为基础，结合物联网的特点，建立了适合应用于物联网的天线模型，并且加工了两款天线实物，通过实际测量天线参数，然后比较模型的仿真结果，从而验证了根据理论原理建立的模型的正确性。本论文的组织结构如下：第一章绪论部分，简要地介绍了物联网的相关知识，包括物联网的概念、发展历程、涉及到的相关技术以及主要的应用实践。第二小节探讨了应用于物联网的天线的研究现状，从高低频和微波频段两个方面综述了物联网天线的国内外研究现状。第二章和第三章讲解了天线相关的理论知识。其中第二章论述了天线的基本理论。从最基本的概念出发，简明扼要地阐述了天线的辐射机理。这是学习天线、设计天线的基础知识，为更好地设计性能优良的天线奠定了坚实的理论基础。第二小节简述了天线的类型与参数。天线的形式多种多样，每种类型的天线都有着各自的优缺点，根据应用的场合，选择合适的形式，这也给天线工程师灵活设计天线提供了方便。不同类型、不同形状的天线要想公平地衡量它们的性能，必须要有一个统一的度量标准，而天线的各种参数就是用来衡量天线的性能优劣的，典型的主要参数包括衡量天线辐射能力的辐射强度U、衡量方向性的方向系数D、功率传输效率、增益G、两种波束宽度HPBW与FNBW以及衡量辐射电磁波空间指向的极化。第三小节重点论述了天线极化的相关知识。依据电场空间轨迹划分，有三种极化：线极化、圆极化和椭圆极化。实际天线设计过程中，要考虑极化匹配，尽量将极化损耗减至最小。第三章阵列天线，主要论述了天线阵相关方面的理论知识。首先对阵列天线总体特性作一个简要描述。阵列天线最大的优点就是空间方向性好、增益大，其缺点就是设计相对较复杂。其次介绍了阵列天线的方向图乘积原理，其阐明了天线阵与阵元之间的关系。所谓方向图乘积原理，就是天线阵总的方向图等于参考阵元的方向图乘以阵因子，即南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论7=AFEEvv阵列参考阵元。接着详细讨论了阵列因子的特性以及阵列天线设计过程中必须考虑的一个因素：互耦效应。接下来第四章基于物联网的天线研究，主要是结合前面几章的理论基础并依据物联网的特点，设计了两款具有高增益的定向物联网天线。首先依据物联网的要求，确定天线的设计目标。由于微带天线的种种优点，本论文选用微带天线作为天线的设计形式。第二节就是简要地介绍微带天线的特性以及设计流程。通过其工作频率确立天线的尺寸，然后考虑各种匹配问题。然而微带天线的一些不可避免的缺点，例如方向性较差、增益不高、频带较窄，使得实际天线设计中必须要加以解决。考虑到阵列天线的优点，本论文将微带天线与天线阵形式结合起来，最终选定微带阵列天线作为物联网天线的设计形式，这样充分利用了微带天线与阵列天线的优点，使得所设计的天线性能优越。第四小节将天线模型的仿真结果与根据模型加工出的天线的实测结果进行比较，从而验证了模型的正确性，也说明设计思路的可行性。最后一章总结部分，首先对全文做了一个较细致的概括，然后是对未来工作的展望。随着物联网产业的蓬勃发展、应用领域的扩展，物联网天线的设计也会越来越多样化。如何设计出性能优良的天线以适应物联网的发展，还有很多问题需要深入研究。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论8第二章第二章第二章第二章天线天线天线天线的基本理论的基本理论的基本理论的基本理论什么是天线？根据Webster字典的解释，天线是一个辐射和接收电磁波的装置，通常用金属制成。本质上，天线是一个能量形式转换器，工作在辐射模式和接收模式两种状态下。2.1基本原理基本原理基本原理基本原理那么，天线是如何工作的？换句话说，天线是如何将馈线上电流变换成电磁波然后辐射出去或是怎样获取空间中的电磁波并将它耦合进馈线中。要回答这个问题，首先要了解辐射是怎样产生的，然后说明天线是如何进行辐射的。2.1.1基本辐射源考虑一个长的细导线，如图2-1所示。图2-1长直细导线导体内自由电子做无规则运动，当外加激励源时，强迫电子做定向运动，这就产生了电流。假定导线横截面积为A，体积为V，导线内总的电量为Q，均匀分布在导线内，则它的体电荷密度vQqV=。当电子沿着z轴以匀速zv做定向运动时，形成的电流密度为vJ。vIJA=(2-1)QIt=(2-2)南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论9zVvAt=(2-3)vvzJqv=(2-4)如果导线是由理想电导体组成，电荷集中在表面，那么其表面电流密度sszJqv=(2-5)其中，sq为面电荷密度。进一步假设导线的厚度非常薄，近似为0，则其线电流密度zlzIqv=(2-6)其中，lq表示单位长度的电荷量。再次假设电流是时变的，对式(2-6)进行求导，可以得到()lzdItqadt=（zzdvadt=表示加速度）。如果线长l，上式两边同时乘以l，则上式可以重新写成()lzdItllqadt=(2-7)这就是电磁辐射的基本公式44。它表明，电荷的变速运动产生时变电流，从而能够辐射能量。为了使电荷加速或减速运动，导线内必然有个过渡点，通过这个过渡点，电荷的运动速度发生变化。过渡点可能发生在导线的弯曲处或不连续面上或是与其他介质交接处。了解了辐射是怎样产生的，下面我们要阐明电磁波是怎么脱离天线进入自由空间中传播的。2.1.2辐射机理电磁波辐射类似于水波，当在一个平静的水面滴下一滴水时，就会产生一个水波，并向外扩散。电磁波也是由电子扰动引起的，当这个扰动持续存在时，新的电磁波就会源源不断的产生并向外辐射。即使扰动消失，产生的电磁波也不会立刻消失，它还会向外辐射，直到能量耗尽。为了阐明电磁波是怎么脱离天线的，也就是电场线是怎么脱离导线进入空间形成闭合的环，我们分析偶极子天线，如图2-2所示。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论10图2-2偶极子天线辐射机制在偶极子天线馈源上加正弦电流，天线两臂上产生电场线。在第一个四分之一周期内，电荷密度达到最大，此时电场线向外扩散了四分之一个波长的距离。第二个四分之一周期内，电荷密度逐渐减小，可以认为有等效负电荷在逐渐中和正电荷而正电荷密度保持不变，负电荷产生的电场线与第一个四分之一周期内产生的电场线密度相同，方向相反。在第二个四分之一周期结束时，正电荷产生的电场线总共向外扩散了半个波长的距离，负电荷产生的电场线向外扩散了四分之一个波长的距离。此时，天线上没有净电荷，电场线必须脱离天线，两种电场线整合在一起形成一个闭合的环。同理，在第二个半周期内，相反方向的闭合环形成。当电流持续加在馈点上，就会不断地有新的电场线脱离天线形成闭合环并向外扩散。最终，天线完成了能量的辐射。2.2天线类型与参数天线类型与参数天线类型与参数天线类型与参数天线的种类繁多，从最早的偶极子天线到1953年微带天线概念的提出17再到近几年用于移动通信的智能天线，天线领域得到了极大地发展。2.2.1天线类型天线的分类的方式多种多样。例如，按照工作模式划分，天线分为发射天线和接收天线；按照方向性划分，有全向天线和定向天线；按照天线结构来分类，有线天线、孔径天线、微带天线、反射面天线、透镜天线和阵列天线。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论11线天线是最简单的也是最常见的一类天线，形式主要有三种：直线型、环形、螺旋形，如图2-3所示。图2-3各种线天线孔径天线是一类较线性天线复杂的天线，其工作频率主要在微波频段45-47，多用于空间应用中。几种形式的孔径天线如图2-4所示。图2-4各种孔径天线微带天线是近30年发展起来的一种新型天线，因其成本低廉、性能优越，得到了越来越多的应用。微带天线通常是在一块介质基板上蚀刻上一个贴片来进行辐射电磁波的，贴片的形状主要包括矩形和圆形，如下图所示。图2-5两种形状的贴片天线南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论12随着人类开发外太空的热情日益高涨，深空通信就成为一个不得不解决的问题。反射面天线就是用来进行超远距离通信的4849。典型的反射面天线如图2-6所示。图2-6常见的两种反射面天线根据光学透镜原理制成的透镜天线因具有良好的方向性而用于微波中继通信中。依据制作材料的不同，透镜天线分为金属加速透镜天线和介质减速透镜天线50。典型的各种透镜天线如下图所示。图2-7各种透镜天线2.2.2天线的基本参数天线的基本参数能全面地描述天线的性能。这些参数包括：辐射强度、方向图、效率、增益、波束宽度、带宽、极化、输入阻抗等。点辐射源在给定方向上的辐射强度定义为：单位立体角内的天线辐射功率。假定辐射南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论13源的辐射功率密度为radw，那么相距辐射源为R处的辐射强度2radURw=（Wsr）（2-8）天线的方向图是其方向性函数的图形表示，以便能够直观地了解其辐射特性。而方向性函数是天线辐射特性关于空间坐标的数学表达式。在方向图中，可以看到各种波瓣。其中，主瓣指的是辐射量最大的那个方向上的波瓣，剩下的称为旁瓣，旁瓣中辐射量最大的称为副瓣，通常其紧靠着主瓣。有时候，主瓣方向相反的方向上也会出现波瓣，称为后瓣。主瓣与后瓣辐射量强度之比定义为前后比。典型的天线方向图如图2-8所示。图2-8方向图中的波瓣及波束宽度天线的效率主要是指功率辐射效率。它定义为：辐射功率与输入功率之比。数学表达式可以写成radinPP=（2-9）评价天线性能的一个关键指标就是它的增益。天线增益定义为：在相同输入功率情况下，天线在某一方向上的辐射强度与全向天线在该处的辐射强度之比。显然，增益与方向性有着密切的关系。事实上，增益GD=（2-10）其中，表示效率，D表示方向性系数。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论14波束宽度定义为：按照一定的准则，方向图上两个辐射强度相同点之间的角度差。在一个方向图上，有一系列的波束宽度，其中最主要的两个是半功率点束宽（HPBW）和第一零点束宽（FNBW）。HPBW表示方向图上功率密度是最大功率密度的一半的两点之间的角度差，FNBW表示方向图上主瓣与副瓣边界点之间的角度差。如图2-8所示。天线的带宽（BW）定义为：能够保持天线性能在一定的标准内的频率范围。一些天线的参数是频率的函数，随着频率的改变，天线的性能有可能急剧恶化。往往，我们希望天线的各项参数在一个相当大的频带内基本保持不变，这就是宽频天线。近几年，人们设计出了一种称为非频变天线，它的带宽和中心频率比高达40以上51。天线的极化指的是天线辐射出的电磁波的极化，描述了辐射波的空间指向。在天线设计中，要考虑极化匹配以便功率传输效率最大化。天线是由金属或介质制成，必然含有一定的阻抗。天线的输入阻抗定义为天线的馈电端上电压与电流的比值或是电场与磁场分量的比值。在天线设计过程中，阻抗匹配是一项重要的工作。2.3天线的天线的天线的天线的极化极化极化极化天线的极化也就是天线辐射出的电磁波的极化，其方向指的是电场分量的指向。不同于水波，电磁波并不受地球引力的影响，因而电场矢量有可能指向任何垂直于波传播方向的方向上。电场矢量随时间变化而形成的空间轨迹就称为极化。轨迹形状有线形、圆形以及椭圆形。2.3.1线极化为了分析简便，一般将电场矢量Ev分解为x分量和y分量，其瞬时表达式为()()()xxyyEzteEzteEzt=+vvv（2-11）其中0()cos()xxxEztEtkz=+（2-12）0()cos()yyyEztEtkz=+（2-13）通过三角变换公式并进行归一化，上式（2-12）和（2-13）可以写成南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章天线的基本理论150()cos()cossin()sinxxxxEzttkztkzE=（2-14）0()cos()cossin()sinyyyyEzttkztkzE=（2-15）将式（2-14）与（2-15）分别乘以siny和sinx并进行想减，利用积化和差公式可以得到00()()sinsinsin()cos()yxyxxyxyEztEzttkzEE=（2-16）同理，将式（2-14）与（2-15）分别乘以cosy和cosx，可以得到00()()coscossin()sin()yxyxxyxyEztEzttkzEE=（2-17）然后将