考研1cst文件1.1UW B超宽带技术的背景介绍及研究意义

设计总说 绪 UWB超宽带技术的背景介绍及研究意 超宽带天线的研究现 的内容及结 天线的基本知 天线基本振子概 电基本振 磁基本振子的辐 天线的基本参 几种超宽带天 超宽带天线具有的特 实现非频变特性的条 设计非频变天线的要 平面等角螺旋天 平面等角螺旋天线的结构和工作原 平面等角螺旋天线的电性 螺旋天 变形体天 设计与仿 CST仿真软件介 visio介绍 HyperSnap6介 螺旋天线变形体的仿真过 选择仿真环 选择模 创建工作平 设置单 设置背景材 结构建 设置频率范 设定边界条 端口设 设置宽带远场监视 设置边界条 设置求解 螺旋天线变形体的仿真结果分 回波损 驻波 增益 圆 方向 平面辐射 各个参数的优化过 天线的制作与测 5.1螺旋天线的变形体的制 用到的工具和材 底片的制 热转印过 蚀 脱 涂敷、裁减、钻孔、焊 5.2螺旋天线的变形体的测 网络分析仪的介 天线的测 设计总结与展 参考文 致 这门就已经了解了天线的任务了，即将发射机输出的高频电流能量转换成电磁波辐射出去，或将空间电波信号转换成高频电流能量送给。天线作为一种电磁辐射的发送与件，是无线电通信、电导航、、遥测门等各种无线电系统中必不2050中还详细介绍了用CST真软件CST可通过散射参数使电磁场元件结合在一起，把复杂的系统分离成更小的子通过这次超宽带天线的设计以及其仿真结果的分析可以得到螺旋天线的 ResearchandDesignofUWBAsweallknow,theantennaisanimportantfront-enddeviceofanyradiocommunicationsystemsareinseparable.Welearnlessonsantennathisdoorhasbeenlearnedaboutthemissionoftheantenna,thehigh-frequencycurrenttransmitteroutputpowerisabouttobeconvertedintoelectromagneticradiationout,ortoconvertthespaceintoahigh-frequencyradiosignalstothereceivercurrentenergy.Antennaasatransmissionandreceptionofelectromagneticradiationdeviceisaradiocommunications,electricitynavigation,radar,radioemetryandotherremotedoorsystemsessentialequipment.Withtherapiddevelopmentofradioand evisionandaerospacetechnology,broadbandantennadesignis productionneeds,avarietyofbroadbandsystemsemerged,particularlyinthelate1950s,humanityhasenteredthespaceage,toputforwardanumberofnewantennarequirements,withit,manynewantennas,suchasnon-frequency-dependentantennaThispaperfirstintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofultra-widebandantennas,alsosaiditsresearchstatus.Thendiscussthebasisofyzingthevariouselectricalparametersoftheantenna,theantennaleadstothenon-frequency-dependent,withemphasisonnon-frequency-dependentantennatheorywereyzed.Alsoachievenon-frequency-dependentcharacteristicconditionsanddesignrequirementsfornon-frequency-dependentantennamadeabriefintroduction,sonaturallyweshouldmentiondetailsnarequiangularspiralantennaandtheArchimedeanspiralantenna.Generalcharacteristicsofthehelicalantennahavingwideband,smallsize,lightweight,structuralstabilityandsoon.narequiangularspiralantennaisacommonlyusednon-frequency-dependentantennaisanultra-widebandantenna.Thebasicstructureconsistsoftwosymmetricalarmscomposedofmetal,havingaself-similarityofthearms,whichmaybesubstantiallystableelectricalpropertiesoverawidefrequencyband.Thereisaneffectiveradiationarea,wavecurrenttransmissionlineonitsarms.Itspolarizationiscircularpolarization.Archimedeanspiralantennacanbeequivalenttodoublethetransmissionline,itsmainradiationisconcentratedinacircumferenceofaboutλspiralringbeltwiththechangeinfrequency,theeffectiveradiationbeltsalsochange.Inthestudyofantennatheoryandnarequiangularspiralantenna,baseontheArchimedeanspiralantenna,thisdesignprincipleArchimedeanspiralantennafromstarting,theuseofbroadbandnarspiral,presentsandyzesdemonstrateakindofspecialultra-widebandantennadeformationantenna-Archimedeanspiralantennadeformablebody.Theantennaiscomposedoftwometalarmswindingsintoasquareconfiguration,thehelicalantennaArchimedesprincipleissimilar,butitalsohasmanywidebandcharacteristic,smallsize,lightweight,structuralstabilityandPaperalsodetailsthesoftwareusedtobuildthemodelandCSTsimulationprocess.ThesimulationsoftwareusedinthedesignofCSTcanmakeelectromagneticcomponentstogether,theseparationofcomplexsystemsintosmallersub-unitsthroughthescatteringparametersofthesystemthroughadescriptionofthebehaviorofeachunitS-parameterscanquicklyyzeandreducesystemmemoryrequired.Inyzingthecomplexstructureoftheantenna,CSTcanbequicklyandaccurayprovidecomprehensivesimulationcapabilitiesantennaandsystemdesign,accuratesimulationofvariousantennaperformance.Thus,CSThavemoreadvantagesthantheHFSSinthisregard.ThroughthedesignandysisofthesimulationresultsoftheultrawidebandantennacanbedeformedArchimedeanspiralantennaintheantennaheightis0.035,thewidthof1.5intervalof14,theinnerradius10,thenumberofturnsof6,aflatrateto6hasawidebandwidth,smallchangesinthebeamdirectivityisnotstrong,thesideswillhavedifferentpolarizationcharacteristics.Therefore,thestudyofthedeformationbodyhelicalantennahasaveryimportantpracticalsignificance.Inaddition,duetothesmallsizeofthedeformablebodyantenna,lighter,makingthedifficultyisnottoocomplicated,soinactualphysicalconditionoftheantennacanbemade,andthenuseanetworkyzerforrealtestbycomparingthesimulationresultsandtestitoutinkindtheperformanceoftheantennaofthecurve,suchasreturnloss,VSWR,pattern,etc.,errorssourcescanbe yzed.Drawnfromtheinfluenceofvariousfactorsontheperformanceoftheantennaproductionandtestingprocess.:UWBultrawideband;non-frequency-dependentantenna;Archimedeanspiralantennadeformablebody;CSTsimulation;physical自从1873年麦克斯韦（Maxwell）从理论上了电磁波的存在，并于1897年由技术的发展，极大程度的复用频谱资源，UWB超宽带技术成了通信领域研究的一UWB超宽带技术的背景介绍及研究到20世纪90年代之前，它主要应用于军事方面，如在、定位、以及低截获率、低侦测率的通信设备中使用，1990年国防部高级计划局（DARPA）开始对UWB技术进行验证到了2002年2月14通信FC（FederalCommunicationsCommission）批准UWB可用于民用，并将3.1—10.6GHz的超宽带（UltraWide–Band)频段划分给了民用，这使得UWB无线通信技术引起了世界各国的关注[1]。1Gbt/s途：一时近距离的高速无线传输，二是类的用途。在具体的民用方面，FCC按照超 来，而平面等角螺旋天线由于其独特的物理结构及性能，是很有可能应用于一种新型超宽带天线的研究2050年代之前，天线的带宽一般不大于2：1。50年代在宽频带天线的发展上出现了一个突破，这就是由拉姆西（V.HRumsey）于1957年与频率无线的研制成功把天线的带宽扩展到了40：1甚至更大。目前在短波、超短波波段以及作为微波天线馈源等方面，对数周期天线都得到了广泛的应用。到了20世纪50年代至80年代，宽频带天线曾有过较大的发展。天线学界对宽频带天线的原理以及实现天组合等技术实现天线的圆极化、宽频带特性，近年来还出现了“光电子带隙”PGB技而如今开放的UWB早已经不仅仅是局限于当初的脉冲通信了，而是囊括了不管是军事方面、还是民用的各种使用该超宽频谱的通信方式，比如定位、20Mbps以上的告诉无限局域网、高度计、防碰撞、无线、工业射频以及在公安、救援、医疗、测量等诸多领域。虽然UWB至此在各个领域已经进行了众多应用研④多用户环境下脉冲产生的用户间干扰（系统干扰⑤共用频率（共存系统）之间产生的系统间干扰[4]的内容及本文分别对UWB超宽带天线——平面等角螺旋天线和螺旋天线的基本理论和特性进行了深入的探讨，以螺旋天线的变形体为研究对象，并在CST仿第三章：基于超宽带天线和非频变天线的基本理论介绍，重点分析了平面等角螺旋天线和螺旋天线的工作原理，并对本次设计的螺旋天线的变形体的能量送给。为了能很好的实现上述目的，要求天线具有一定的方向特性，较高的就是求解满足特定边界条件的方程的解，然而其求解过程是极其复杂繁琐的。天线基本振子概电基本振子（ElectricShortDipole）又被称为电流元，它是指一段理想的高频电流直导线，其长度L远小于波长λ,其半径a远小于L，同时振子沿线的电流I处处等幅同2-1-1O沿z轴放置的电Hr H Ilsin(jkH

)e

r Er

4

cosr

)e r r

E

k jkr sin(j jE

EErerEeHH

式中，EV/m；HA/mr、θ、φ表示球坐标系中矢量的各分量；er,eθ,eφr、θ、φ增大方向去了时间ejωt。

2,为自由空间相移常数，λ项组成，它们与距离r 变化，电场和磁场之间存在π/2的相位差。远区场 ，有能量沿如下图2-1-2所示，设想一段长为l（l<<λ）的磁流元Iml置于球坐标系原点II,Q m0 图2-1-

天线的基本天线的各种特性都需要一些参数来描述，称为天线带电参数(asc AntnaPratr)，又称电指标。它们是定量衡量天线性能的尺度。大多数天线电参数是针对发射状态规定的，以衡量天线把高频电流能量转变成空间电波能量以及定向辐射的能力，所以不管是研究天线还是实际中选择天线都很有必要去知道天线的一些电参数。下面介绍射线的要参—方函数方图、向参数方系、天效增系、位角φ）的关系，如图2-1-3所示。若天线辐射的电场强度为E(r,θ,φ)，把电场强度E(r,

r

f(

2-1-3f(,)f()l

1-将方向函数用曲线描绘出来，称之为方向图(FieldPattern)。方向图就是与天线等距于归一化方向函数F(θ,φ)=|sinθ|，因此其立体方向图如图2-1-4所示。2-1-4图2-1-5电基本振子E平面方向 图2-1-6电基本振子H平面方向瓣和后瓣，如图2-1-7所示。用来描述方向图的参数通常有：H表示E、H面，下同②半功率点波瓣宽度（HalfPowerBeamWidth,HPBW）2θ0.5E2θ0.5H:指主瓣最SLL10lgSav,max220lgEmax2 式中，Sav,max2和Sav,max分别为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；Emax2和Emax分别为同一距离及相同辐射功率的条件下,某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax（或记为D。用表示如下 Dma ma

rrS0rr

E EPr、Pr0分别为实际天线和无方向性天线的辐射功率。无方向性天线本身的方向系数为1。的有效程度。天线效率定义为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比，记为ηA，即Smax(或场强|Emax|的平方）和理想无方向性天线(理想点源)S0（场强|E0|的平方）之比，记为GSG

PinPin

22

P

inin式中Pin、Pin0分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。理想无方向性天线本身的增益系数为1。 ma 图2-1- (以z轴为方向图2-1- 味着功率损失。为衡量这种损失，特定义极化失配因子νp（PolarizationmismatchFactor0—1之间。样。为了衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度(EffectiveLength)Imlem。在天线的设计过程中，有一些专门的措施可以加大天线的作频率偏离中心工作频率f0时，天线的电参数将变差，其变差的容许程度取决于天线设频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。若天线的最高工作频率为fmax，最低工作频率为fmin，对于窄频带天线，常用相对带宽，即［(fmax-fmin)/f0］×100%来表示其频带宽度。而对于超宽频带天线，常用绝对带宽，即fmax/fmin来表示其频带宽度。数等等[5]。研究天线除了要分析、研究天线的方向特性和阻抗特性外，还应该考虑它的使用超宽带天线具有的UWBUWB天线在整个工匹的参数，要求在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小，还要在UWB脉冲源输出端再安装一个器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。要UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。在工作带宽内天线还宽较之原始信号带宽远远超过10倍，再如通信侦察等领域均要求天线具有很宽的带频变天线。这是在20世纪50年代末60年代初，伊利诺伊大学西教授等人2：1。我们已经知道，天f到τff和τf实现非频变特性的角度条件是指天线的几何形状仅仅由角度来确定，而与其它尺寸无关。例如无限向特性将与频率无关，仅仅决定于圆锥的张角。要满足“角度条件”，天线的结构需有限长天线有一工作频率范围，工作频率的下限是截断点处的电流变得可以忽略的频率，而存在频率上限是由于馈电端不能再视为一点，通常约为1/8高端截止波长。设计非频变天线的平面等角螺旋天平面等角螺旋天线（narEquiangularSpiralAntenna。图3-4-2为平面等角螺旋天线(narEquiangularSpiralAntenna)示意图，是V.H.Rumsey一种角度天线，双臂用金属片制成，具有对称性，每一臂都有两条边缘线，均为等角螺旋线。等角螺旋线如图4―2―2所示，其极坐标方程为rr 4-式中，r为螺旋线矢径；φ为极坐标中的旋转角；r0为φ＝0°时的起始半径；1/aarctan

3-4-2a，若一条边缘线为rrea，则只要将该边缘旋转δ角，就可得该臂的另一边缘线rrea() 180rrea(

rea()。由于平面等 线臂的边缘仅由角度描述，因而满足非频变天线对形状的要求。如果取2一个波长后就迅速衰减到20dB以下，终端效应很弱。角，则方向图可近似表示为cosθ90°由于两侧各有一个宽波dBi。因为平面等角螺旋天线是双向辐射的，为了得到单向辐射，可采用附加反射（或吸收）腔体，也可以做成等角螺旋天线(ConicalEquiangularSpiralAntenna)，如图3-4-3所示。阻抗特性：如前所述，当δ＝π/2时天线为自补结构，自补是互补的特殊情于导体片的有限厚度和同轴馈线的存在，实测的输入电阻值低于理论值，对工作于ZZ金属=02

=18 4-4金 缝隙=3-4-2所示平面等角螺旋天线沿纸面对外的方向辐射右旋r0和最外缘的半径R决定。实际的圆极化等角螺旋天线，外径R≈λmax/4，内径r0≈(1/4～1/8)λmin1.5圈～3a=0.2211.5圈螺旋时，其方向图Rre0.221(38.03r4rre0r/4 maxmax/48.04r0 4- min/4 对带宽有可能达到20∶1。螺旋螺旋天线(ArchimedeanSpiralAntenna早在1954年就由特纳（Edwinr1r0r2r0a( 图3-5-1螺旋天尽然。为了明显地将两臂分开，在图3-5-1(b)中分别用虚线和实线表示这两个臂。研究P、P′点处的两线段，设PO=QOPQ为两臂上的对应点，对应线段上的电流相位差为π+(2π/λ)πr。若设r=λ/2πP和P′点相位差为2π。因此，若满部分功率已主辐射带射了。严的说，螺旋线并不是个真正意上01或更螺旋内经2r0影响最高工作频率和阻抗匹配2r0h/ 5-式中λh是最短工作波长。螺旋外径2rM取决于最长工作波长λ1，一般取周2rM1.2152rM成背腔式螺旋天线(BackedArchimedeanSpiralAntenna)，可得到单一主3.6变形体天形一圈一圈绕圈而来的，该变形体天线是由圆形变化为方形的，其模型图如下图3-6-1图3-6-1变形体天带馈电线，具有良好的宽频带特性，但其馈电方式为非平衡馈电。本次设计也采用CST真软件介Technology品的三维全波电磁场仿真软件。CST成立于1992年，总部位于德国达姆斯塔特市。其软件产品是CST——专门面向3D电磁场设计者的一款最有效的、精确的三维全波全电磁场频段的时域频域全波仿真软件。CST软件现已成为一个套装软件，CSTMICROWAVESTUDIO（简称CSTMWS（中文名称CST微波）是CST公司的CST套装软件之一，是CST软件的旗舰产品，广泛应用于通用高频无信号完整性电源完整性SI/PI、TDR和各类天线/RCS仿真。CSTMICROWAVESTUDIOEDAPC机Windows环境下的仿真软件。它主要应用在复杂设计和更高的谐振结构。CST通过散个单元行为的S参数的描述，可以快速的分析和降低系统所需的内存。CST它考虑将受到大幅度的影响。像CST的3D仿真软件克服了这种限制，可以解决任意几何形状的下所建立的方程，包括复杂的材料模式。CSTMICROWAVESTUDIO集TL和MORSPICE提取；支持各类二维和三维格式的导入甚至HFSSPBA六面体网格，四面体网格和表面三角网格；内嵌EMC国际标准，通过FCC认可的SAR计算。CST套装包含以下几个子软件，并集成在同一平台上，分别是、CST印刷版/CSTPCB、CST电缆/CSTCABLE、CSTMS/CST、CST电磁/CSTEM、CST设计/CSTDESIGNSTUDIOCST的主要特点有：④内置的VBA（VisualBasicforApplications）兼容宏语言，带有功能完整的开发环境，通过VBA宏命令可方便对CST仿真进行控制。Visio介绍Visio是一个图表绘制软件，它有助于创建、说明和组织复杂设想、过程和系统的业务和技术图表。使用Visio创建的图表能够将信息形象化，也能够将难以理解的复杂文本和表格转换为一目了然的Visio图表。HyperSnap6螺旋天线变形CST①主菜单（File、Edit、View等②CST4-4-1单单位设置背背景材料结结构建模频频率设置边边界条件端端口设置预预设网网格设置4-4-1CST其中很有必要单列出来提的就是历史记录（Edit->HistoryList）这一项，它里面包Undo、Redo操作。CST4-4-2CSTMICBOWAVESTUDIO，然后点击OK按钮进入下一步；4-4-2仿真环境图启动CST设计环境后，请选择创建一个新的CST微波项目，此时系统会要space（vacuum图4-4-3CST微波选项点击Edit选择Workingneproperties,在弹出的框里输入以下参数：size=300width=300、snapwidth=0.1，然后点击OK首先选择菜单Solve>Units，因模板设置满足我们需要（，GHZ，Denson选择mm，Frequency选择GHz，Time选择ns。点击OK完成设SolveBackgroundMaterial，因模板设置满足我们需要（Vacuum）Normal（ε=1，μ=1）OK①点击Macros→Construct→Coils→RectangularSpiral②在出现的框里依次输入Height=0.035mm；Width=1.5mm；Gap=14mmInnerRadius=10mm；NumberofTurns=6。点击OK按钮，然后出现如下界面：4-4-5创建好的天线平面图③在界面的左侧点击Componente下选PEC然后右击选择Transform,在出现的界面里选择Rotate、copy,在Z框里输入180点击OK即可；4-4-6④接下来用同样的方法分别旋转soild1和soild1_14-4-7天线模型图Solve>Frequency，根据天线的要求设置频率，将上频（Fmax）选择菜单Solve>BoundaryConditions，设置边界条件，因为是自由空间中的天线问题，所以所有的边界设定为Open（addspace）注意：Open与Open（addspace）的区别在于，Open是在边界上加PML模拟Open（addspace）Open的边界类似但增加了额外馈入能量和吸收返回能量的作用。离散端口分为电压/电流源和S参数源，S参数源特PickedgecenterDiscreteportsProperties里的Impedance188.5Ohms。点击OK完成设置。点击solve→FieldMonitors出现如下4-4-8在E-Field模式下面的Specification里面选择 ，Frequency的中H-FieldSpecificationFrequency，Frequency的中心频率设置为3.5GHz，点击Apply完成设置。选择Far-field/RCS模式，同样选择Specification里面的Frequency，Frequency的中心频率设置为3.5GHzApply完成设置。最后点击OK完成设点击Macros→Far-field→Broad-bandFar-fieldMonitors，出现如下框4-4-9边界条件设置设置frq-low1GHz、frq-high6GHz、frq-stepsize0.5，设置完成后点击OK按钮进入下一步；SolveTransientSolverParameters，默认S-parameterssettings为50Ohms（50欧姆的情况下驻较高，根据Smith圆图在此修改为241欧姆的情况下驻小于2，天线性能较为稳定Sourcetype选项中选择Port1，然后点击Start开始场分螺旋天线变形体的仿真结果那么该信号的回波损耗就是10dB。从数学角度看，回波损耗为10log（反射功率/入射功率由图4-5-1和图4-5-2可知，回波损耗的波形图与驻的波形图是一一对应的。也就是说，驻越小回波损耗也越小。图4-5-1中在中心频率3.5GHz处的回波损耗为 4.4GHz。这也印证了回波损耗和驻之间一一对应的关系4-5-1回波损耗曲线图驻仿真完成后在选择Results→S-ParameterCalculations→CalculateVSWR来计算驻。然后点击左侧1DResults下的VSWR来查看结果，如下图所示；电压驻是指在均匀无耗传输线上，电压的最大振幅值与电压的最小振幅值之射出去，这样天线才能有效辐射能量，这是比较理想的情况。通过不断地改变天线的6圈，线宽1.5，间隔为14时仿真的VSWR如图4-5-2所示。在整个频段内的驻都低于2.6，其中大部分的频段驻是低于2的，这是满足阻抗匹配的要求的，其中在中心频率3.5GHz处的VSWR为1.2左右，结果是比较理想的。驻小于2的频段是1GHz到4.4GHz，所以可用带宽是3.4GHz，满足超宽带天线的要求。天线在某方向某点产生的场强的平方与点源天线在同方向同一点处产生的场强的平方的比值称为天线的增益。由下图453可知天线在中心频率.5GHz时的增益为

4-5-3天线增益图图4-5-4圆454Ipdaethng）问题上，目的是达到所有高频的微波信号都能传到负载点上而不会有信号反射回到源减少负载的阻抗值，图表上的点会沿着代表实数电阻的圆的四周转动。数，即我们经常说的S11。确定阻抗在圆图上的对应点，找到与此阻抗对应的反情况，是描述天线方向性的重要表示方法之一。天线的三维方向图如下图4-5-5所示。Z绿色部分表示辐射强度低）由于天线一般为空间的立体辐射，通过3D模式来观察，更4-5-53D4-5-6E4-5-7H激励区基本没有辐射。在“非激励区”，由于辐射区的对称振子处于谐振状态，振子各个参数的优化过内半径10mm，频率设为2GHz到7GHz，仿真结果如下所示：图4-6- 图4-6- 4-6-34-6-42GHz2.5GHz62GHz7GHz4-6-54-6-62GHz2.5GHz频段内有个凸起不符合参数要求，并且高频段性能不是很好。最后将天线的参数设置为:高0.035mm、宽1.5mm、间隔14mm、内半径10mm、圈6、频率设1GHz6GHz，经仿真后发现结果比上述几种情况要理想的PCB的原理是完螺旋天线的变形体的制在Visio和HyperSnap6绘图软件中画好所要制作的天线模型的平面图上，最后再转印在介质板上，下图5-1-1所示为天线的底片图。5-1-1把通过喷墨打印出来的图纸贴在铜板上，注意把喷墨的一面紧贴着铜板。把热转移打开预热一会，等到温度达到170度左右，就可以把贴着热转印纸的铜板放在上打印，过程如图5-1-2所示。5-1-2通过热转移可以把图纸上天