【天线基础理论综述7100字】

天线基础理论综述目录TOC\o"1-3"\h\u14738天线基础理论综述 1152361.1天线基本概念 256651.2天线辐射特性参数 215041.1.1天线的带宽 253951.1.2天线的效率 3298511.1.3天线的增益 3300281.1.4天线极化 43311.1.5天线的前后比 4121071.3天线的电路特性参数 5314311.3.1天线的输入阻抗 5300961.3.2反射系数与驻波比 652291.4天线需求优化的方法 7218521.4.1小型化技术 762551.4.1.1弯曲折叠技术 7251531.4.1.2分形技术 775771.4.1.3加载技术 7274811.4.2多频段技术 8256461.4.1.1开槽技术 8284521.4.1.2附加谐振枝技术 8232471.5仿真软件简介 9274801.5.2CSTMicrowaveStudio 10293371.5.3FEKO 101.1天线基本概念天线的本质是一种绝大部分由导电金属所制造的转换器。例如当一个天线正常工作时，能够把在传输线上流动的引导行波重新转换为在无界的媒体中正常传播的电磁波，或者是与之相反地通过接受外部媒体中所传播的电磁波并将其重新转换为在天线上正常流动的引导电波。同样在对于无线电设备整体结构的定义中，用来向外部发射和接受无线电波的部分设备也被统称为天线。而从其功能上看，天线则是为传送终端与传播介质之间进行信息的传递提供了必要的耦合。而且天线有可逆性。天线如果能发射某个信号，那一定可以完全以同样方式接受处理该信号。而天线互易定理恰恰正是这样说明:同一个天线作为信号的发射终端和接收终端的各种基本性能参数完全一致。天线的工作原理也可以用电磁场学很好解释：当金属导体通上高频电流时，其周围的空间就会产生电场与磁场。通过计算电磁场在空间范围内的分散特性，可将电磁场区分成近区、中间区和远区。设一点R为空间中与导体之间的平均距离，为电磁波的波长，R<</2的区域称为近区，在该平均频率区域内的电磁场和导体上的电流、电压之间有着紧密的关系。把R>>/2的区域我们称为天线遥感远区，在该区域内的电磁波能够离开导体并在外部空间进行传播，它的频率变化往往会比导体上的电流、电压滞后一小段时间。再远的话从天线上传播出来的电磁波就不再与遥感天线上的电流、电压之间有直接的关系了，而这样遥感区域的电磁场也被称为天线的辐射场。1.2天线辐射特性参数天线的辐射特性作为信号发射后的部分，是天线应用的本质，代表了天线能否有效应用的充分条件。1.1.1天线的带宽天线的带宽是指当天线的方向性增益系数大于-3db以下时所涵盖的整个天线运行频率区间的范围。天线在这个特定频率的范围内都有可能正常工作，在此之外，天线的各个功能都会发生严重的恶化，从而导致不能保持稳定地工作，甚至发生畸变。天线的信号带宽(bw)主要包括增益阻抗带宽和方向图带宽等不同的含义，若某种情况下同时对天线提出了要求，应该考虑选择其中最窄的一种带宽来作为天线的真实带宽。REF_Ref10489\r\h[14]若|S11|不大于-10dB，则天线的而绝对带宽是指最高频率fH和最低频率fL的工作频率之差，除此之外带宽任可以用多种其他方法来表达，例如通过天线在工作时的最高频率fH和最低频率fL的比值fH/fL表达，该数据称作天线工作的频程。还可以通过相对应的中心频率f0来对其进行描述。将其中心频率与带宽大小相比再用百分数表示就是天线的相对带宽REF_Ref25469\r\h[15]：1.1.2天线的效率在现代我国科学教科书中，对辐射天线的一个能量辐射效率值的定义是：作为一个辐射功率点的Pr和一个辐射输入点的能量辐射功率和绝对能量Pa比值，它也就是一种能量可以作为用来直接权衡一条辐射天线将被能量辐射的输入电磁波(或其逆过程)如何转化而成为可以导行输入能量的辐射电磁波(或者也被称为辐射空间)的有效能量程度：=PrPA在该系统中为使得天线效率进一步提高，将辐射功率电阻rloss的大幅度地降低与辐射功率电阻Rr的大幅度地提高也就是必不可少的。在天线系统当中可能产生的介质损耗、热量损耗以及传感器的电容率损耗都是影响其损耗和电阻优化的一个重要问题。因此在我们进行设计天线时，应该选择导电性能教好的金属材料、绝缘良好的介质材料等都可以有效地使得天线的损耗和电阻减小，提高天线运行效率。REF_Ref10489\r\h[14]1.1.3天线的增益增益控制是整个天线设计的核心参数。天线的增益电压可以代表天线在一定的方向上进行生天线的接收和发送信号的能力。例如它决定天线边缘的信号电平大小，该数值对通信系统的性能有着至关重要的影响。REF_Ref25469\r\h[15]在情况相同时，以各向同性的天线信号强度作为计算基准，所得到的信号强度变化即为信号增益。天线的方向性越强，电波所能传输的距离越远，能量集中于该角度的能力越强、增益系数也就越高，天线为特定情况下工作的性价比也就越高。当天线产生的电场辐射相似时，在一个天线内辐射能力最强的方向上某处，各天线内辐射方向一致的点源天线的输入功率P0和该点源天线的输入功率Pa之间的比值REF_Ref10489\r\h[14]：(4)用对数来表示：G(dBi)=10lgG(dBi)(5)因此，若基准天线不是理想的点源天线，例如采用对称的振子作为基准天线，单位就必须使用"dBd"，而不是使用"dB"这个简称。在进行工程实际的测量时，面对两个输入相同频率的信号情况，通过分别对待测的天线(AUT)和一个被认为是已知有效增益的信号进行辐射的最高频率和空间密度考察，就可以计算得出待测信号天线的实际有效增益REF_Ref10489\r\h[14]：Gain=G=Pmax(AUT)P1.1.4天线极化为表达天线辐射电场的方向关系，引入了天线极化（polarization）概念。电场强度方与地面呈方向垂直称为垂直极化波；电场强度方向与地面平行称为水平极化波则。由天线辐射的基本工作原理我们可知，若两个天线的主轴线之间是相互垂直的，那它们之间将不会接收得到彼此的任何一个信号。在现代移动通讯应用中，往往会采用一种垂直或极化的电波。此外，根据静态电场向矢量末端移动的痕迹，可将静态电波极化大致划分为线极化、椭圆性极化和半径性圆极化。在电子工程实践中的应用中，极化判定分布方式主要还是依赖于根据对天线上各种物体表面进行极化电流强度分布的判定方法不同来对其电流强度进行极化判定，电流强度分布的判定方法分配强度和电流极化强弱也可能会有所差别，不同分布的判定方式下电流强度进行极化后产生的电流强度也很有可能会差别很大。"主极化"是指天线主要的极化方式，"交叉极化"则是一种幅度相对较弱且正交的极化方式。线极化分析法上的"垂直极化"和"水平极化"及其相关者作为两个交叉极化的平均分量。一般而言，交叉极化时天线相对于交叉主线的极化越少，天线极化特性越好。1.1.5天线的前后比从天线对尾瓣抑制度的影响强弱可以由天线前后比(front-backratio)来检测，其中高压反射比指的是主瓣和尾瓣之间的最大高压电平比。在对陆地蜂巢移动的通信进行切换中，若是选择前后比低的移动天线，尾瓣极其有可能会直接导致引起不必要的跨越区域覆盖，使得相邻小区之间互相感到干扰从而直接导致切换关系混乱、造成无法进行通信的失败。通常情况下要求一个天线的前后比控制范围为25-30dB之间，优先考虑一个采用前后比控制器数值较大的天线。1.3天线的电路特性参数天线作为一种能量变换器，在接收到介质中的电磁辐射时将其转化成高频电能，传送到接收机的输入电路上。天线的电路特性参数包括天线阻抗（ZA）、天线噪声温度（TA）、频率特性。本节讲述天线电路参数的测量中两种常见的性能指标。1.3.1天线的输入阻抗天线的输入阻抗(inputimpedance)存在于对天线与电路进行匹配的应用。所以当一个天线与回流电路相互匹配时，每有一个入射的信号被反射回了信号源，电路里的所有入射信号电流都会被输送至一个天线上的接口处，这样的状态是很多天线在现实中都难以达到的，只有尽可能地降低回流电路的入射信号电流之比。REF_Ref25469\r\h[15]输入阻抗参数是一般指直接输入输出电压和直接输出输入电流的两个绝对值参数之比，其中的阻抗参数绝对值主要是它依赖于对一个天线自身的工作介质、类型、工作持续时间的各频段和对天线周围环境的直接影响。具体由辐射电阻电抗Rr、损耗辐射电阻电抗Rloss和损耗辐射内阻电抗X三个大部分共同元素相加而成的构成：天线特性阻抗相互特性匹配方法主要就是尽量减少或最大化有限度地区分去掉辐射电阻的特性分量R和X，使得辐射电阻的特性分量X和Rr的特性取样数值更加精确接近于特性阻抗，让其特性阻抗更加平缓地随着天线频率而发生波动。此外，若其电抗值的数值为正数，则代表它们都一定是具有敏感性的，磁场所有存在量和储能也一定会需要占据其中的主导地位;反之则它们是容性，电场所在存放量和储能在其中所需要占据的也是主导地位。1.3.3方向特性与波束宽度线的不同方向辐射图(radiationpattern)天线是一种用来精确描述一个方向天线在各个不同方向的天线辐射场数特性，通常每一个方向天线在不同方向辐射场数和方向上的天线辐射场数和强度都不同。方向天线图函数指的也就是天线俯仰角(elevationangle)θ、方位和偏角(azimuthangle)φ的角度函数，是一个三维立体方向图，它几乎可以很直观地为你展现出一条天线从周围物体内部到周围空间内部所运动产生的电磁辐射和周围电磁场的角度分布方向图。而二维波瓣辐射图则主要是一种指沿着最大方向辐射力学方向以波为中心轴进行划分的立体最大方向辐射图，截取两个天线彼此之间相互垂直的辐射平面所结合组成的二维最大方向辐射图，用来精确描述一条发射天线的最大辐射性能，正如图中下图所示。在介绍描述定向天线时，经常会使用得到波束的宽度（beamwidth，又称为波瓣宽度）性能参数，它是指在天线的方向图上低于峰值电平一定数值时形成夹角的宽度，将3dB波束宽度内的波束称为主波束。如果天线能将能量大部分都集中在一个很小的角度范围内，那么它在主瓣内接受和辐射信号的能力就越强。1.3.2反射系数与驻波比衡量一个应用天线的回波匹配度和天线性能的四个优劣主要方法可以通过参考以下四个主要测量值的参数:反射回波比的损耗，反射系数，驻波比和行波损耗比，通常我们采用的测量是反射系数和驻波比。在目前的通信协议和实际应用中，输入阻抗都是规定50Ω作为特性阻抗的额定值，这主要是因为进入空气时相对于同轴线上的最低输入衰减功率条件和最高输出功率容限值的条件下对其进行测量折中考虑的。而反射电压与传输电压的比值我们称之为反射系数。Z0为特性阻抗，ZL为输入阻抗，表达式为：(8)用对数（分贝）的方式来表示就称其为回波损耗：(9)在通信工程中往往经常会用到采用各种回波反射损耗测量方法分析来进行判断和准确衡量其中所匹配的反射特性，取得的匹配值从0db逐渐变为无穷大，匹配得越好则它的回波反射损耗就越大，0db通常表示全部的反射。在目前的各种移动电信通讯技术应用中，往往对于回波信号损耗的最低要求也较为不见得低于14db。因为有限的返波动态检测范围，所以在我们进行工业实验室的仪器返波检测时，一般都尽可能的达到40db的返波损耗都完全没有任何技术参考价值。另一个经常被用来描述这种匹配特征的参数就是驻波比，该参数主要是指当由于阻抗不连续而导致的驻波状态，当电压最大与反射系数最小幅值之比，通常可以用如下式来定义驻波比与反射系数之间的相互关系：(10)它与行波系数呈现倒数相互关系，取得的值由1至无穷大。把驻波比和反射系数完全匹配时的值定义为1，把完全失配时，即完全反射时值定义为无限大。驻波比的数值愈来愈高，系统匹配的性能就会变得越差，极有可能会引起种种多余的反射而产生干扰，影响整个系统的性能及信号传输的质量。工程中，一般对驻波比的要求不宜少于1.5，实际使用中(例如电视系统)，更严格地要求驻波比低于1.2。1.4天线需求优化的方法本节通过对前者研究的具体案例分析，举例介绍几种天线多频化、小型化、实现形式，通过对他们的分析，理解该方法的工作原理，然后综合联系本次科研设计的具有多枝节加载的小型化宽带平面天线，引导最终设计模型。1.4.1小型化技术1.4.1.1弯曲折叠技术随着移动端设备尺寸的不断缩小，为了使天线贴片仍能到达谐振长度，在一维度长限制下只能考虑弯曲折叠技术。现代通信商品通常使用螺旋方法和蛇形线方法等。而弯曲折叠技术将一维的长度压缩至更高维度来扩展，从而有效减少天线外表面的面积。因结构紧缩，该技术通常有辐射效率较高的优点，但副作用是在谐振点处辐射阻抗会变得较低。1.4.1.2分形技术1975年，贝诺伊特·姆纳德勃洛特最早定义了“分形”概念。该数学定义划分出非整数维数的数据结构，但这种分析方法无法用欧几里何几何来轻松定义特性，例如现实生活中的平面液体周长、气体体积、植物茎秆等。分形曲线可以将冗长的二维曲线立体折叠塞进固定三维大小的空间里，从而使天线在固定空间的利用率大大高。该优化可以极大地增加辐射天线的电长度，将单位空间内的天线性能几何提高，从而使天线的小型化设计变为可能。1.4.1.3加载技术通过将天线上的电阻物或铁氧体介质加载到导体上以改变天线为导体的电流传递方向。集总加载天线的构建关键在于如何确定其合理的加载位置和阻抗大小。为实现多种工作协议，就需要同样多种的加载方式。频率不高时经常使用集总附件加载技术;当工作频率更高时就会使用分布式电阻进行加载。而当介质加载天线的电波通过相对介电常数和相对磁导率的材料时，波长缩短倍。天线的结构还有长度大小会对传播到介质中的电磁波波长有较大影响，而且会比在非介质加载下拥有其他小尺寸的功能。因为介质层的大小终归是有限的，加载枝节也会占有一定的体积，所以实际的缩小程度不会完全到达。1.4.2多频段技术1.4.1.1开槽技术在以前的研究中，人们常用贴片天线、偶极子天线、环天线、缝隙天线等均可实现电源双极化。REF_Ref2146\r\h[12]只要把一块大小合适的导体材料做成一个圆形平面，并在该平面的表面上钻上几个较小的开槽，然后对平面接上同轴线或者波导馈电，仅从定义上讲这样由所有槽组成的馈电天线就被我们称为圆形开槽式馈电天线，也有人称之为圆形裂缝式馈电天线。开槽式通信天线因为其结构简单，没有任何需要凸出的部分，因而尤其特别适合于在各种高速移动端口上使用，但也因此它最主要的一个缺点之一就是信号调谐较为困难。文献REF_Ref5535\r\hREF_Ref5535\r\h[7]用两个正交的偶极子来实现双极化天线，天线在-10dB以下的阻抗带宽高到53.7%，但天线剖面较高而且面积也不小。为了实现平面型双极化天线，人们常用贴片天线、环天线和缝隙天线这些天线形式。文献REF_Ref5568\r\h[8]的缝隙天线用一个紧凑的共面波导(CPW)馈电，在1.4GHz附近实现了双极化，但是天线尺寸仍然偏大。文献REF_Ref5588\r\h[9]的环天线同样拥有紧凑的馈电结构，在1.4GHz附近实现了双极化，天线结构也很紧凑。前面所提及的天线，虽然端口间都有较好的隔离度，但都只在一个工作频带实现了双极化。1.4.1.2附加谐振枝技术附加谐振的分支技术是实现多频带天线操作最常用的方式。使用附加分支结构生成两个（多个）条当前路径。每一个辐射单位都会具有很强的频率和电流分布，并且它们所服务于的频率下产生共振。在一个辐射分支主导一个特定的频带。平面单极天线是移动通信终端中常用的一种天线形式，具有良好的阻抗辐射特性。平面单极天线的设计原理都是根据微带理论所推理变化的，微带天线的多频带技术完全适用于平面单极子天线.采用多枝节加载结构，因为分支结构产生的多条电流路径，电流的路径在不同时间内流向自然会产生不同的谐振频率。采用多个枝节加载结构并共享同一馈电点，各个枝路可以在大致不同的频段上工作，从而产生多个谐振，而且每一个枝路都方便地对参数进行单独调整。REF_Ref10081\r\h[11]1.5仿真软件简介现代计算机企业专门开发使用的专业电磁运动模拟系统仿真技术设备和应用软件多种多样，它们的出现极大方便了天线设计试错的成本，为天线新式结构合计数的出现提供了极佳的沃土。而软件和设备各自都有着不同的优点长处和一些短处，对他们的特长进行分类。其中基于矩量法的电磁仿真软件有FEKO、AnsoftDesigner、MicrowaveOffice等。基于有限元法的软件有Ansys、AnsoftMaxwell等。时域有限差分法的电磁仿真软件有vCSTMicrowaveStudio、CFDTD、CSTEMStudio等。本文基于1.5.1所讲的Ansys电磁仿真软件平台，完成后续第三章所讲的仿真天线模型，在本节中，结合引用他人研究所使用的平台，介绍三种电磁仿真软件。1.5.1AnsoftHFSS（ANSYSElectronicsDesktop）HFSS(HighFrequencyStructureSimulator).本软件特色是当今国际市场上被普遍认为的三维流体结构图和电磁场物理模型的力学设计和仿真分析，作为技术仿真领域的一个世界性技术领先者，是当今乃至全球业内首款一个能够同时为用户提供三维流体结构图和电磁场力学模型设计仿真分析服务的大型专业仿真软件。目前美国ansoftys公司正在被作为美国ansys公司收购进行接管。由于HFSS主要利用有限元的方法作为分析主要依据来进行研究，因此特别适宜于仿真和解决与三维复杂建筑结构密切相关的微波工程问题。对于无线天线的设计，HFSS最明显的主要优点之一是，在开始仿真小规模和大型物体的同时，仿真精度不变的情况下，运算仿真结果显示结果会提前实时更新结果，减少了不必要的运算时间。对于封闭式仿真情况下，HFSS的开