超宽带盘锥天线的特性分析与研究.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 超宽带盘锥天线的特性分析与研究 Analysis and reasearch of Ultra-wideband dish cone antenna characteristics物理与信息工程 学 院 电子信息科学与技术专 业07级1班学生姓名 王剑飞 学 号 070303012 指导教师 余燕忠 职 称 副教授（博士）完成日期 2011-4-3 教务处 制超宽带盘锥天线的特性分析与研究物理与信息工程学院 电子信息科学与技术 070303012 王剑飞指导老师 余燕忠 副教授（博士）摘 要：近年来，随着通信技术的迅猛发展，超宽带( Ultra-Wide Band, UWB)通信技术以其低功耗、高带宽、低复杂度等优点而倍受重视。超宽带天线已成为目前天线领域的一大研究热点。盘锥天线由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成，因此其结构简单；盘锥天线是一种垂直极化全向天线，具有极宽的工作频段，且全向均匀性好。可用于与宽带梳状波发生器组成电场辐射发射测试项目的比对装置。关键词：超宽带；盘锥天线；全向天线目录第一章：引言41.1 超宽带天线的发展41.2 HFSS功能简介41.3 本文研究的内容及意义4第二章：盘锥天线的设计52.1 盘锥天线的演变过程52.2 盘锥天线的尺寸设计规律5第三章：盘锥天线的锥角对天线性能的影响53.1 锥角对天线方向图的影响53.2 锥角对天线输入阻抗的影响73.3 锥角对天线电压驻波比的影响8第四章：盘锥天线的其它参量对天线性能的影响94.1 变量S对天线性能的影响94.1.1 变量S对天线方向图的影响94.1.2 变量S对天线输入阻抗的影响114.1.3 变量S对天线电压驻波比的影响114.2 变量D对天线性能的影响124.2.1 变量D 对天线方向图的影响124.2.2 变量D对天线输入阻抗的影响144.2.3 变量D对天线电压驻波比的影响154.3 变量Cmin对天线性能的影响164.3.1 变量Cmin对天线方向图的影响164.3.2 变量Cmin对天线输入阻抗的影响184.3.3 变量Cmin对天线电压驻波比的影响184.4 变量Cmax对天线性能的影响194.4.1 变量Cmax对天线方向图的影响194.4.2 变量Cmax对天线输入阻抗的影响214.4.3 变量Cmax对天线电压驻波比的影响22第五章:总结23致谢24参考文献25第一章：引言1.1 超宽带天线的发展超宽带技术1是目前被广泛研究的一种新兴的无线通信技术，主要由于超宽带通信技术具有高数据率、功耗低、低复杂度等特点，为通信技术的发展开辟了新机遇。但是超宽带又因为要占用极宽的带宽与其他通信系统同享频段，会造成信号干扰，又给超宽带技术的研究带来了新的挑战。在1898年，Oliver Lodge提出了球形偶极子、正方形偶极子、双锥极子、三角形偶极子甚至包括领结形偶形极子天线和单极天线的概念。后来随着短波通信发展的需求和宽带技术的进步，人们对这些天线进行了深入的研究 。在设计超宽带天线使其结构简单、价格低廉、容易加工等特点的基础上，对领结形天线、单极天线、盘锥天线2-3等这些置于平板上的天线，通过调整天线缝隙和形状来实现超宽带。超宽带天线4是与UWB技术共同发展的，是UWB系统的重要组成部分，超宽带天线的性能好坏直接影响UWB系统的功能。对超宽带天线的分类有多种分法，根据天线增益可分为低增益天线和高增益天线，根据天线的方向性可分为全向天线和定向天线等。虽然超宽带天线目前有了很大的发展，但是还远不能满足人们的需求，主要在于超宽带天线的设计还面临很大的挑战。随着微波集成电路的发展，超宽带天线的研究与应用也会更快地变为现实。目前，利用集成电路方式进行馈电，制作出超宽带平面槽天线等多种形式的超宽带天线，其特点是能产生对称波束，利用平衡超宽带馈电，具有超宽带特性。1.2 HFSS功能简介HFSS软件5由Ansoft公司开发，是三维电磁场仿真软件，它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗。可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。广泛应用于天线、馈线、滤波器、功分器、光电器件、隔离器的设计和电磁兼容、电磁干扰、天线局部和互耦等问题的计算。1.3 本文研究的内容及意义本文采用Ansoft公司的电磁场高频仿真软件HFSS进行仿真设计，在常规盘锥天线设计的基础上，对盘锥天线的结构进行优化设计，在较宽的频带内实现良好的阻抗匹配，从而使得天线具备驻波低、全向均匀性6好的特点。第二章：盘锥天线的设计2.1 盘锥天线的演变过程盘锥天线7的演变过程可认为是有双锥天线演变成下半个锥体用金属圆盘代替的锥形天线，由此可见，盘锥天线是由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成。圆盘与馈电同轴电缆的内导体相连接，圆锥的锥顶与同轴线外导体相连接。图（1）为盘锥天线的结构图，盘锥天线的斜高为L，下底板是半径为D圆形金属板，上锥体为不带帽的空心锥，锥体的半张角为，锥底的半径为Cmin，锥顶半径为Cmax，锥底与圆盘之间高度为S。 图（1）盘锥天线的结构图2.2 盘锥天线的尺寸设计规律盘锥天线的斜高L8应稍大于下限频率对应的波长的四分之一，L与关系如公式（1），其中为比例系数，取值范围在1.11.3，是下限频率对应的波长。L与圆盘半径D应取锥顶半径Cmax的0.7倍左右；盘锥天线的锥角的选择与斜高L有关，为了有足够的阻抗过渡空间，当锥角较小时，斜高L应取大些；圆盘与圆锥之间的距离S几乎与斜高L和锥角无关。 （1）第三章：盘锥天线的锥角对天线性能的影响3.1 锥角对天线方向图的影响图（2）为半锥角9取不同值时，盘锥天线对应的E面方向图。图（3）为半锥角取不同值时盘锥天线对应的H面方向图。（a）=15 （b）=30（c）=45 （d）=60图（2）盘锥天线的E面方向图（a）=15 （b）=30（c）=45 （d）=60图（3）盘锥天线的H面方向图由图（2）可知，随着半锥角的增大，天线的辐射10更趋于全向。由于盘锥天线的结构具有对称性，因而在H面内其辐射是全向性的的，由图（3）可知，盘锥天线的H面方向图为圆。3.2 锥角对天线输入阻抗的影响图（4）为半锥角取不同值时，盘锥天线的输入阻抗与频率的关系曲线。（a）=15 （b）=30（c）=45 （d）=60图（4）盘锥天线的输入阻抗盘锥天线优良的阻抗宽频带特性11主要得益于它的特殊的几何结构。盘锥天线可以看成下锥体半张角为90,上锥体半张角为的双锥天线，具有很低的特性阻抗。盘锥天线的特性阻抗近似为：（） （2）根据上式可以看出盘锥天线的输入阻抗跟半张角成反比，随着半张角的增大，盘锥天线的输入阻抗在减小。3.3 锥角对天线电压驻波比的影响图（5）为半锥角取不同值时，盘锥天线的电压驻波比与频率的关系曲线。（a）=15 （b）=30（c）=45 （d）=60图（5）盘锥天线的电压驻波比根据图（5）四个盘锥天线电压驻波比图可以得看出，随着半锥的增大，在相同驻波要求下，天线的带宽变得更好。第四章：盘锥天线的其它参量对天线性能的影响4.1 变量S对天线性能的影响当D、Cmin、Cmax取值不变时，通过改变S来考察S取不同值时对天线方向图、输入阻抗、电压驻波比的影响。4.1.1 变量S对天线方向图的影响图（6）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，S取不同值时天线的E面方向图；图（7）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，S取不同值时天线的H面方向图。（a）S=0.5mm E面方向图 （b）S=1mm E面方向图（c）S=1.5mm E面方向图图（6）（a）S=0.5mm H面方向图 （b）S=1mm H面方向图（c）S=1.5mm H面方向图图（7）由图（6）和图（7）可知，圆盘与锥底之间的间隙S对天线的方向图影响很小。4.1.2 变量S对天线输入阻抗的影响图（8）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，S取不同值时天线的输入阻抗。（a）S=0.5mm 输入阻抗 （b）S=1mm 输入阻抗（c）S=1.5mm 输入阻抗图（8）由图（8）可知，圆盘与锥底之间的间隙S不影响盘锥天线的输入阻抗，有公式（2）可以看出，盘锥天线的输入阻抗只与盘锥天线的锥角有关。4.1.3 变量S对天线电压驻波比的影响图（9）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，S取不同值时天线的电压驻波比（a）S=0.5mm 电压驻波比 （b）S=1mm 电压驻波比（c）S=1.5mm 电压驻波比图（9）由图（9）可知，圆盘与锥底之间的间隙S对盘锥天线的电压驻波比影响较小。综上所述，圆盘与锥底之间的间隙S对天线的影响较小，在一定条件下可忽略S对天线性能的影响。4.2 变量D对天线性能的影响当S、Cmin、Cmax取值不变时，通过改变D来考察D取不同值时对天线方向图、输入阻抗、电压驻波比的影响。4.2.1 变量D 对天线方向图的影响图（10）为S=1mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，D取不同值时天线的E面方向图；图（11）为S=1mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，D取不同值时天线的H面方向图。（a）D=8.5mm E面方向图 （b）D=17mm E面方向图（c）D=25.5mm E面方向图图（10）（a）D=8.5mm H面方向图 （b）D=17mm H面方向图（c）D=25.5mm H面方向图图（11）由图（10）、图（11）可知，圆盘半径D的大小对盘锥天线的方向图影响较大。若半径D过大，会减小水平方向处的场强。4.2.2 变量D对天线输入阻抗的影响图（12）为S=1mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，D取不同值时天线的输入阻抗。（a）D=8.5mm 输入阻抗 （b）D=17mm 输入阻抗（c）D=25.5mm 输入阻抗图（12）由图（12）可知，圆盘的半径D对天线的输入阻抗没有影响，有公式（2）可以看出，盘锥天线的输入阻抗只与盘锥天线的锥角有关。4.2.3 变量D对天线电压驻波比的影响图（13）为S=1mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，D取不同值时天线的电压驻波比。（a）D=8.5mm 电压驻波比 （b）D=17mm 电压驻波比（c）D=25.5mm 电压驻波比图（13）由图（13）可知，圆盘半径D 对盘锥天线的电压驻波比没有太大影响。综上所述，圆盘半径D 的大小只对盘锥天线的方向图有较大影响，为了盘锥天线有较好的性能，圆盘的半径D不宜太大，也不能太小。根据盘锥天线的尺寸设计规律，圆盘半径通常取锥顶半径Cmax的0.7倍左右。4.3 变量Cmin对天线性能的影响当S、D、Cmax取值不变时，通过改变Cmin来考察Cmin取不同值时对天线方向图、输入阻抗、电压驻波比的影响。4.3.1 变量Cmin对天线方向图的影响图（14）为S=1mm，D=17mm， Cmax=24mm， Cmin取不同值时天线的E面方向图；图（15）为S=1mm，D=17mm， Cmax=24mm， Cmin取不同值时天线的H面方向图。（a）Cmin=1mm E面方向图 （b）Cmin=2mm E面方向图（c）Cmin=3mm E面方向图图（14） （a）Cmin=1mm H面方向图 （b）Cmin=2mm H面方向图（c）Cmin=3mm H面方向图图（15）由图（14）、图（15）可知，盘锥天线的锥底半径Cmin对天线方向图没有太大影响。4.3.2 变量Cmin对天线输入阻抗的影响图（16）为S=1mm，D=17mm， Cmax=24mm， Cmin取不同值时天线的输入阻抗。（a）Cmin=1mm 输入阻抗 （b）Cmin=2mm 输入阻抗（c）Cmin=3mm 输入阻抗图（16）由图（16）可知，锥底半径Cmin对天线的输入阻抗没有影响，有公式（2）可以看出，盘锥天线的输入阻抗只与盘锥天线的锥角有关。4.3.3 变量Cmin对天线电压驻波比的影响图（17）为S=1mm，D=17mm， Cmax=24mm， Cmin取不同值时天线的电压驻波比。（a）Cmin=1mm 电压驻波比 （b）Cmin=2mm 电压驻波比（c）Cmin=3mm 电压驻波比图（17）由图（17）可知，盘锥天线的锥底半径Cmin的大小对天线的电压驻波比没有太大影响。综上所述，盘锥天线的锥底半径Cmin的大小对天线的方向图、输入阻抗、电压驻波比没有太大影响。4.4 变量Cmax对天线性能的影响当S、D、Cmin取值不变时，通过改变Cmax来考察Cmax取不同值时对天线方向图、输入阻抗、电压驻波比的影响。4.4.1 变量Cmax对天线方向图的影响图（18）S=1mm，D=17mm，Cmin=2mm，Cmax取不同值时天线的E面方向图；图（19）S=1mm，D=17mm，Cmin=2mm，Cmax取不同值时天线的H面方向图。（a）Cmax=12mm E面方向图 （b）Cmax=24mm E面方向图（c）Cmax=36mm E面方向图图（18）（a）Cmax=12mm H面方向图 （b）Cmax=24mm H面方向图（c）Cmax=36mm H面方向图图（19）由图（18）、图（19）可知，锥顶半径D越大，盘锥天线的辐射的全向性越小，水平方向出的场强也会减小。4.4.2 变量Cmax对天线输入阻抗的影响图（20）S=1mm，D=17mm，Cmin=2mm，Cmax取不同值时天线的输入阻抗。（a）Cmax=12mm 输入阻抗 （b）Cmax=24mm 输入阻抗（c）Cmax=36mm 输入阻抗图（20）由图（20）可知，锥顶半径Cmax对天线的输入阻抗没有影响，有公式（2）可以看出，盘锥天线的输入阻抗只与盘锥天线的锥角有关。4.4.3 变量Cmax对天线电压驻波比的影响图（21）S=1mm，D=17mm，Cmin=2mm，Cmax取不同值时天线的电压驻波比。（a）Cmax=12mm 电压驻波比 （b）Cmax=24mm 电压驻波比（c）Cmax=36mm 电压驻波比图（21）由图（21）可知，盘锥天线的锥顶半径Cmax对盘锥天线的电压驻波比没有太大影响。综上所述，盘锥天线的锥顶半径Cmax对盘锥天下的方向图有较大影响，对天线的输入阻抗和电压驻波比没有太大影响。第五章:总结通过对不同结构盘锥进行仿真，得出了不同结构的盘锥对应的方向图、输入阻抗、电压驻波比。再对仿真结果进行比较，可以看出在=30，S=1mm，D=17mm，Cmin=2mm， Cmax=24mm为最优的设计尺寸，在这尺寸下的盘锥天线的输入阻抗、立体方向图、E面方向图、H面方向图、电压驻波比如图（22）所示。该天线在2-18GHz的频带范围内具有良好的驻波特性；H面辐射方向具有全向性。盘锥天线的结构简单，易于加工制照，可用于与宽带梳状波发生器组成电场辐射发射测试项目的比对装置。（a） 输入阻抗 （b） 立体方向图（c） E面方向图 （d） H面方向图（e） 电压驻波比图（22）致谢本次设计的完成是在余燕忠老师的细心指导下进行的，在设计过程中遇到问题时余老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了余老师很多的宝贵时间和精力，在此向余老师表示衷心地感谢！参考文献 1 张倩，刘运林，李智勇等.一种改进的小型化超宽带平面倒锥缝隙天线J.电讯技术，2010,11(6):231-234.2 王琪，阮成礼，王洪裕.任意锥角有限长双锥天线电磁特性的仿真研究J.电波学报，2003,12(2):46-49.3 杨恩耀，李思敏.一体化双盘锥天线的研制J.电子学报，1996,21(12):225-231.4 张春青，王均宏，邹卫霞.一种低轮廓超宽带天线的设计与分析J.济南大学学报，2010, 24(3):324-326.5 谢拥军，王鹏，李磊等.Ansoft HFSS基础及应用M.西安电子科技大学出版社，2007,8.6 汪漪，徐勤，吴志锋.一种超宽频带双圆锥全向天线的设计J.雷达与对抗，2005， (1):25-27.7 宋挣，张建华等.天线与电波传播M.西安电子科技大学出版社，2003.79-80.8 雷晓军.超宽带盘锥天线的HFSS仿真研究与设计J.微计算机信息，2008,25(6):212-214.9 汪梅芳，肖金祥，张金生.任意锥角盘锥天线的研究J.微计算机信息，2008，24(11):266-268.10 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