仿真设计吸顶天线

1、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

2、导教师组 组长及成员姓名) 职 称工作单位备注 翟应斌副教授通信与信息工程系组长 李冠群教授通信与信息工程系组员 杨慧春讲师通信与信息工程系指导老师 任国芳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

3、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2； 4. 中心频率 4GHZ； 5. 频带范围:宽频带。 应完成的工作和提交材料要求(课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求)： 开题

4、报告：3000 字左右； 论文的中文摘要：200-300 字，包含关键词，并译成英文。英文摘要以 250 个左右实 词为宜； 毕业设计论文：正文不少于 15000 字，论文应由摘要、目录、前言、正文、结论、 参考文献、致谢和附录等几部分组成，要求项目齐全，概念清楚、语言流畅、文字 精炼、内容正确、条理分明、结构严谨，标点符号清楚、准确；对方案的分析与论 证，要观点鲜明、结论正确； 尽量结合课题，翻译 1500 汉字以上的有关技术资料或专业文献； 参考文献中，主要的文献应达到 10 篇以上，其中外文文献在 2 篇以上。 主要参考文献(参考文献不少于 4 篇，参考文献目录按 GB/T7714-20

5、05 的要求填写)： 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 谢拥军. Ansoft HFSS 基础及应用M. 西安：西安电子科技大学出版社 2000：30150. 3 宋铮.天线与电波传播M. 西安：西安电子科技大学出版社 2003：13150. 4 周朝栋. 天线与电波M. 西安：西安电子科技大学出版社 1999：33100. 毕业设计(论文)进度计划(从正式启动时间开始，以周为单位填写)： 第 1 周-第 2 周 课题调研、查资料、撰写开题报告 第 3 周 根据查询的资料确定总体设计思路，完成开题报告并上交. 第 4 周-第 7 周 毕业设计单元

6、部分研究,并设计出整体框架 第 8 周 完成论文中期检查报告 第 9 周-第 15 周 资料整理，撰写毕业论文；上交毕业设计论文，指导教师审查评阅设 计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改毕业设计 论文，准备答辩。 第 16 周 进行毕设答辩。 指导教师签字： 日期： 年 月 日 教 学 单 位 意 见 审核人签字： 系(院)(盖章) 年 月 日 学 院 意 见 审核专家签章 年 月 日 备注 1、由指导教师撰写，可根据长度加页，一式三份，教务处、系(院)各留存一份，发给学生一份，任务完 成后附在论文内； 2、凡审核不通过的任务书，请重新申报。 北京邮电大学世纪学院北京邮电大学世

7、纪学院 毕业设计毕业设计(论文论文)诚信声明诚信声明 本人声明所呈交的毕业设计(论文)，题目仿真设计吸顶天线是本人在指导 教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中 所罗列的内容以外，毕业设计(论文)中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 毕业设计毕业设计(论文论文)使用权的说明使用权的说明 本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学

8、校可以采用影 印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；学校可允许论文被查阅或借阅；学 校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容。 本人签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 题目 仿真设计吸顶天线 摘要 随着信息化的高速发展，人们对无线通信的要求越来越高，城市建筑物也越来 越高大，无限话务量在城区越来越密集，单一的室外宏站建设已经无法满足上述变 化，因此运行商开始寻求更灵活有效的室内覆盖方式。尤其是 3G 时代的到来，数 据业务主要发生在室内，针对目前室内网络覆盖，设计一种室内吸顶天线，采用双 锥结构，在理论分析的基础上，对传统的双锥天线结构进行了改进

9、，应用仿真软件 (HFSS)对天线结构尺寸进行了优化设计。 为了研究宽带全向天线，论文首先对天线的基本理论进行了介绍，对天线的效 率、方向性、频带特性等进行详细的阐述，采用 HFSS 设计和仿真了一种全向、宽 频带、中心频率 4GHZ、电压驻波比小于 2 等参数的吸顶天线。本课题通过对吸顶 天线的设计研究将通过 Ansoft HFSS 软件仿真出来，使天线达到最佳辐射。 关键词 室内网络覆盖 全向吸顶天线 双锥天线 Ansoft HFSS Title The Simulation Ceiling Antenna Abstract With the rapid development of in

10、formation technology, wireless communications requirements are getting higher and higher, more and more tall buildings in cities, unlimited increasingly dense traffic in urban areas, a single outdoor macro station construction has been unable to meet these changes are starting to seek more flexible

11、and effective indoor coverage. In particular, the 3G era, and data services indoors for indoor coverage, design an indoor ceiling antenna, a taper structure, on the basis of theoretical analysis, the taper antenna structure the application of simulation software (HFSS) the optimal design of the ante

12、nna structure size. In order to study broadband all-direction antenna, the basic theory regarding the antenna is introduced at the beginning of the paper, meanwhile, the antenna efficiency, directivity and frequency character are described. The paper designs and simulates a wide band ceiling antenna

13、 which is 4GHZ center frequency and has less two VSWR via HFSS. This project uses Ansoft HSS to simulate the model of the ceiling antenna, achieving the best situation of radiation of the antenna. Keywords Indoor coverage The whole antenna to the ceiling Taper Antenna Ceiling Ansoft HFSS 目录 1.前言 .1

14、1.1 引言.2 1.2 天线技术在通信系统中的意义和应用.2 1.3 国内外研究现状.4 1.3.1 国内研究现状 .4 1.3.2 国外研究现状 .4 1.4 仿真软件 ANSOFT HFSS 介绍.4 2. 天线的理论 .6 2.1 天线概述.6 2.2 发射天线的基本参数.6 2.2.1 天线的辐射方向图.6 2.2.2 天线效率 .7 2.2.3 天线的极化.7 2.2.4 天线的极化方向.8 2.2.5 天线的输入阻抗.8 2.2.6 天线的增益和增益系数.8 2.2.7 天线的有效长度.8 2.2.8 输入阻抗与辐射阻抗.9 2.2.9 频带宽度.9 3.双锥天线的原理和结构 .

15、10 3.1 双锥天线的概念 .10 3.1.1 双锥天线的理论概念 .10 3.1.2 在实际应用中的双锥天线 .11 3.2 有限长双锥天线的理论分析 .11 3.3 双锥天线的设计 .12 3.4 双锥天线的数据分析 .13 4.双锥天线的分析与模型 .21 4.1 双锥天线的数据分析结果 .21 4.1.1 双锥天线数据计算.21 4.1.2 自相似原理 .23 4.1.3 双锥天线的仿真与改进 .24 4.2 双锥天线的设计 .25 5.吸顶天线仿真和绘制 .27 5.1 吸顶天线绘制： .27 5.1.1 双锥天线基础配置 .27 5.1.2 双锥天线的材料选取 .27 5.1.3

16、 馈电设置.28 5.1.4 辐射设置过程：.29 5.1.5 创建辐射边界表面.30 5.1.6 辐射方向设置.31 5.1.7 设置中心频率.31 5.1.8 辐射范围设置.32 5.1.9 检查错误和结果.32 5.2 双锥天线仿真计算结果 .33 5.2.1 三维增益辐射图.33 5.2.2 E 面和 H 面平面方向图 .34 5.2.3 电压驻波比.35 6.结论 .36 致谢 .37 参考文献 .38 1.前言 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。作为全球广泛应用室内分布信号网络是近年来全球移动运营商的主要 业务发展的关键网络信号，由于

17、其复杂的信号技术及用户行为、无线传播环境等动 态性，其网络规划设计是降低其信号建设中风险不可或缺的重要方法，而其网络规 划设计中覆盖规划方案的设计是其重要组成部分。 采用该技术的通信系统可以很好的覆盖室内信号。其中包括提供数字语音、数 据和视频业务，可以在非常复杂的多路环境中很好的完成定位和识别。 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。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

18、都有 稳定性能。 天线是无线电通信和探测系统中必不可少的重要组成部分。从上世纪初的单一 点对点无线通信到世纪末覆盖全球的卫星通信系统，天线技术无疑承担了最基本、 最前端的角色。由于电磁场仿真软件不仅可以代替实验来获得天线性能指标，节省 大量的人力、物力和财力，而且可以大大缩短产品时间，从而在天线设计中得到了 广泛的应用。 天线的功能是辐射或接收无线电波，它把被传导的电磁波转变为无线电波(在发 射系统中)，或做相反的变换(在接收系统中)，从而在任意地方实现电磁信号的传 递。天线的发明使得电磁频谱成为人类最大的可重复使用的自然资源之一。 1.1 引言 天线是实现电磁波传播的必备器件 :信号发射端利

19、用天线实现电磁波辐射 ,信 号接收端利用天线实现电磁波感应。因此 ,不论何种通信系统 ,只要它采用无 线传输方式 ,就必须使用天线 ,而不论该系统采用的工作频率是多少 ,属于何种 频段,也不论采用什么多址技术或者什么调制技术。天线品种繁多，以供不同工 作频带、不同极化方式、不同覆盖范围、不同结构、不同功能以及不同用途等。 比较常用到的室内吸顶天线种类很多，常用的全向天线以轴对称天线居多，例 如利用匹配网络加载的偶极子天线、套筒天线、单锥天线、双锥天线。端部利用锥 形渐变加载的偶极子天线等。在整个射频系统中，宽频带天线是被设计用来满足系 统要求的特殊装置，它结合其他组件共同满足整个射频系统的要求

20、。假如天线性能 不好，系统的性能也将大幅度的降低。对于传统的工作在一个特定频带的窄带天线， 它的一些不足可以较为容易的用一个匹配滤波器来解决。同理，一个性能低的宽带 天线，它也可用匹配滤波器来提高性能，但更好的办法是设计具有良好阻抗特性的 宽带天线。当天线具有良好的阻抗匹配时，我们关心它工作成频谱滤波器。天线的 效率在系统设计中是一个很重要的指标。低效率的天线会降低整个系统的性能，且 不容易在系统中其它地方作出补偿。天线的方向性因素也对整个系统性能有着重要 作用。对于点对点的通讯方式，一个定向的，高增益的天线比全向天线有更好的性 能，但从利用率的观点来看，此类天线的性能会受到影响。 本论文的主

21、要工作就是研究宽频带全向吸顶天线的发展和实现形式。 1.2 天线技术在通信系统中的意义和应用 随着信息技术的发展，天线技术也在不断发展，以往简单的天线类型已经不能 够满足现在形形色色的产品需要，现代天线技术也在经历着巨大变革。 就现代技术发展来看对天线的要求不仅仅体现在电气性能上，对其他指标：结 构、质量、材料等很多方面的要求也都越来越苛刻。 在无线信号种类与需求如此多的情况下，就算频段相近可以共享天线，但智能 手机内的天线多支并存的状况已很常见，因此需要微型化缩小占用面积。微型化天 线实际上还是传统的偶极天线(Dipole Antenna)、只是将负辐射体移除，改置金属 接地面，接着改良成单

22、极天线(Folded Monopole)，接着再改良，目前在设计上， 微型天线多半为平行板型(Planar)设计，或利用多片平板而成的阵列平板(Array Planar)型，也有采行槽孔(Slot)型等设计。但是平板型天线有辐射效益衰减的问 题，现在越来越流行使用平面倒 F 型天线(PIFA)来解决此问题。 为适应现代通信设备的需求，天线的研发的主要方面有：减小尺寸、宽带和多 波段工作、只能方向控制等。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也越来 越小，这是天线对于整个设备就显得过大，这就需要天线减小自身尺寸。然后，在 不明显影响天线的增益和效率的同时减小天线的尺寸却是一项艰难的工作。电子设

23、 备集成度的提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个过更多的无限 服务，宽带和多波段天线能满足这样的需求。 图 1-1 室内吸顶天线 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内研究现状 随着经济的发展，城市中高楼密度不断增大，地下设施也不断增多。导致移 动通信的信号传播受到严重影响。从而形成移动通信的许多盲区和死区。为扩 大基站覆盖范围，提高移动通信的质量，室内覆盖系统相继在各个城市建立起 来。不管是光纤 , 还是天线系统的室内覆盖系统，吸顶天线是系统不可缺少的 重要组成部分。 2011 年国内已经采用了全向吸顶天线应用技术。针对于传统的全向吸顶天 线高频信号快速衰减和信号不均匀、不稳

24、定等缺陷，中国联通自主研发出宽带 广覆盖新型全向吸顶天线，使高频信号覆盖范围更广，信号分布均匀、稳定， 解决了 2G、3G 无线网络的覆盖不同步的问题，改变了 “小功率、多天线 ” 的 3G 室内分布覆盖设计原则，并且工作频带更宽。 新型天线提高了高频段的技术性能，降低了低辐射角增益，提高了辐射角增 益，改善了覆盖边缘的不圆度，工作带宽扩展到了3GHz。 1.3.2 国外研究现状 本课题题在国内外的研究现状关于吸顶天线最早的工作是由美国的 J.Q.Howell 和 R.E.Munson 完成的。1973 年，R.E.Munson 提出了一种微带天线单元的设计。 1974 年，J.Q.Howel

25、l 对基本的微带贴片天线(矩形和圆形)进行了研究和设计。从 20 世纪 80 年代开始，微带天线理论以及应用的深度和广度有了长足的发展，并逐 渐趋于成熟。近几年来，人们研究和设计了许多改进型的微带天线，如在微带贴片 和接地金属板间加入一根很细的金属连接针，或在介质板或接地板上蚀刻出周期性 结构从而产生出电磁带隙等等。时至今日，吸顶天线已取得了长足的发展，在室内 信号方面有着大量的运用。 1.4 仿真软件 Ansoft HFSS 介绍 Ansoft HFSS 是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真 任意三维无源结构的高频电磁场，可以直接得到特性阻抗、传播常数、S 参数及电 磁场

26、、辐射场、天线方向图等结果。该软件广泛应用于无线和有线通信、计算机、 卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航空航天等领域，以帮助客户设计世界一流 的产品。 它可以计算天线参量，例如增益、方向性、电场方向图剖面、3D 图和 3dB 带宽； 绘制极化特性，包括球形分量、Ludwig 第三定义场分量和轴比。使用 HFSS，(1)可 以计算基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；(2)端口特性阻抗和传 输常数；(3)S 参数电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题；(4)结构的本征 模或谐振解。而且，由 Ansoft HFSS 和 Ansoft Designer 构成的 Ansoft 高频解决 方

27、案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直 指部件的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。 论文的仿真使用的软件版本是 Ansoft HFSS 10。 图 1-2 Ansoft HFSS 10 2. 天线的理论天线的理论 2.1 天线概述 天线是一种用来发射或接收无线电波或更广泛来讲电磁波的电子器件。 天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。天线通常在 空气和外层空间中工作，也可以在水下运行，甚至在某些频率下工作于土壤和岩石 之中。从物理学上讲，天线是一个或多个导体的组合，由它可因施加的交变电压和 相关联交变电流而产生辐射的电磁场，或

28、者可以将它放置在电磁场中，由于场的感 应而在天线内部产生交变电流并在其终端产生交变电压。 天线是联系自由空间和发射机或接收机的重要设备。为了有效的将功率馈送到 天线上或天线所接受的功率传送到接收设备中去，天线是一个阻抗匹配网络器件。 为了节省发射功率或提高接收系统的信噪比或实现特定方向辐射或接收，天线还可 看成照射或聚焦器件。同时，天线还是一个极化器件，此外天线还可作为一个扫描 器件、一个空间滤波器件、一个数据处理器件等。 2.2 发射天线的基本参数 天线的基本功能就是能量转换和定向辐射，所为天线的电参数，就是能定量表 征其能量转换和定向辐射能力的量。 2.2.1 天线的辐射方向图 天线的方向

29、图用于描述电(磁)场强度在空间的分布状况，它是一个三维的立体 图形。通常采用在天线的最大辐射方向上的两个互相垂直的平面内的方向图来表示 天线的方向特性，它们分别成 E 面和 H 面的方向图(E 面是平行于电场矢量的平面， H 面是平行于磁场矢量的平面)。 描述天线方向图的参数有： 主瓣宽度或者称半功率波瓣宽度，是衡量天线的最大辐射区域的程度的物理量。 旁瓣电平，是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣电平。 副瓣电平(副瓣中最大值与主瓣最大值之比)、前后辐射比(前向与后向辐射场 强之比)等。 图 2-1 天线方向图的一般形状 在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功 率的

30、理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率密度之比。这是方向性中最重要的 指标，能精确比较不同天线的方向性，表示了天线集束能量的电参数。 方向图最直观的反映了电场大小的空间分布。 2.2.2 天线效率 载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实际功 率并不能全部地转换成电磁波能量。可以用天线效率(Efficiency)来表示这种能量 转换的有效程度。天线效率的定义为天线辐射功率与输入功率之比，记为， r P in P A 即： 式(2-1) in t A P P 2.2.3 天线的极化 天线的极化(Polarization)是指该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向。 特指

31、为该天线在最大辐射方向上的电场的空间取向。 天线的极化分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。线极化和圆极化是椭圆极化 的特例。圆极化又分为左旋和右旋圆极化。椭圆极化波可分解为两个旋向相反的圆 极化波。 2.2.4 天线的极化方向 天线的极化方向就是指天线电场方向。天线的极化方式有线极化方式(水平极 化和垂直极化)和圆极化(左旋极化和右旋极化)等方式。 2.2.5 天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压和输入电流的比值。天线的馈线的连接， 最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特点阻抗。这时馈线终端没有功率 反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。天线的匹配工作 就

32、是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特点阻抗。 匹配的优劣一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回拨损耗。 2.2.6 天线的增益和增益系数 在同样距离和相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度与理想全向天 线(工作效率为 100%)的辐射功率密度之比定义为天线增益。考虑天线上的损耗，增 益等于方向性系数乘以天线效率。天线效率是天线辐射功率与输入功率之比，如果 计入馈线系统的损耗，这使得天线增益为实际增益。 而增益系数(Gain)则表示了天线的定向收益程度。增益系数的定义：在同一距 离及相同的输入功率下，天线在其最大辐射方向上产生的功率密度与理想的无 m

33、ax S 方向性天线(理想点源)在同一点产生的辐射功率密度之比，记为 G。 0 S 用公式表示： 式(2-2) 2 0 2 max 0 max E E S S G 2.2.7 天线的有效长度 为了衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度(Effective Length)。 有效长度的定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假 设天线上电流分布为均匀分布时天线的等效长度。有效长度越长，表明天线的辐射 能力越强。 2.2.8 输入阻抗与辐射阻抗 天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻 抗匹配问题。天线与传输线的连接处成为天线的输入端，天线输入呈现的阻抗

34、值定 义为天线的输入阻抗(Input Resistance)即天线的输入阻抗。为天线的输入端 in Z 电压与电流之比： (式 2-3)inin in in in jXR I U Z 其中，、分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功 in R in X 率。有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，而无功功率则驻存在近区中。 2.2.9 频带宽度 当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所容许的范围内，此时对 应的频率范围称为频带宽度(Bandwidth)。 根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天 线。通常，相对带宽只有几百分之几的为窄带天线，例如引

35、向天线；相对带宽达百 分之几十的为宽频带天线，例如旋转天线；绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽 频带天线，例如对数周期天线。 3.双锥天线的原理和结构 为了满足高数据率的无线通信，通信系统所占用的频带越来越宽。为了加强保 密性，网络传输速度越来越快，占用频带也越来越宽。多模式、多功能和多频段的 新型通信系统也要求占用极宽频带。在这些场合中，传统的窄带天线无法满足要求， 因此研制新的宽带天线成为重要课题。本文全向天线的设计目标：中心频率 4GHZ， 电压驻波比小于 2，端口的特性阻抗 50 欧姆的全向宽频带天线。近几年，用于无线 宽带通信的宽带天线得到了很快的发展，其中盘锥天线和双锥天线是全向天

36、线的典 型代表。本论文采用的双锥天线进行优化设计。 3.1 双锥天线的概念 3.1.1 双锥天线的理论概念 双锥天线最早由 Schelkunoff 提出并作为研究天线辐射特性的模型，由于具 有良好的宽频带特性而得到了广泛的研究与应用，可以说锥形天线是宽带天线里最 受关注的天线形式之一。双圆锥天线是由共轴线的两个无限长的圆锥导体面，且其 两顶端相对而构成的天线，相对顶端的间隙处作为馈电点。由于这种天线的结构是 无限长，因此，可以把双圆锥天线看成是无限长的由理想导体构成的波导传输线。 当在顶端的间隙接上交变电源后，沿锥形导体面上将有径向流动的电流，那么，在 两个锥体间的空域内由于锥形导体面上的电流

37、产生了环绕锥体轴的磁场，在这 H 个空域内的电磁场属于球面波的性质，因此，在两个锥体面的空域内的电场矢量仅 有分量。根据球坐标系的 Maxwell 方程可求得这两个电磁场分量为： E (式 3-1) sin 1 4 1 0 jkr e r HH (式 3-2) sin 1 4 1 0 jkr e r WHE 进而，可求得天线的归一化方向性函数为： (式 3-3) h F sin sin )( hhh 天线上任一点的特性阻抗为： (式 3-4) 2 ln(cot120 h c Z 由以上分析结果可以看出，无限长双锥天线的波瓣图和输入阻抗值与频率无关， 仅与圆锥的锥角有关。因此，它是一种非频变天线

38、。 h 2 3.1.2 在实际应用中的双锥天线 实际应用中，双圆锥天线的尺寸总是有限的。有限长天线的终端反射改变了无 限长天线上的行波电流状态，而成为驻波状态，任何驻波状态的电流分布都与工作 频率有关，因此天线将不再是非频变的。为构成宽频带天线，则必须削弱这种终端 反射的影响。若天线结构在有限长的情况下，能使其上的电流分布只在靠近馈电点 的某一定长度内或某一段内，有影响天线辐射性能和阻抗特性的有效电流:而天线 上随长度延伸那一部分的电流值将迅速衰减下去。那么，该天线的波瓣图和阻抗特 性仅取决于与有效电流有关的那一部分长度，而不受延伸部分长度的影响。将影响 天线辐射性能和阻抗特性的那一部分天线称

39、为有效区，而对以后的延伸部分称为衰 减区。这样，当工作频率改变时，天线的实际长度虽然没有变化，但对天线性能有 着显著影响的有效区将随着频率的改变，在天线的延伸部分按比例的伸缩着，致使 天线上的电流分布图形基本保持不变。这样就自然的符合了宽频带天线所要求的概 念。 3.2 有限长双锥天线的理论分析 有限长单极子圆锥天线，其工作频率范围非常宽带，辐射垂直线极化、方位全 向场。天线圆锥垂直立于无限大地平面上，从地平面和锥顶点向天线馈电，则天线 圆锥和它的像构成双圆锥结构。 图3-1 (a)无限大地平面上的有限长单极子圆锥天线， (b)单极子圆锥天线和它的像构成双圆锥天线。 在一定频率范围内圆锥天线模

40、式为TEM 模。与线天线之类的谐振结构比较， TEM 辐射器的驱动点阻抗随频率的变化小得多。当频率升高时会出现高阶模式,只 要天线尺寸设计得当，在工作频带内可以很好地抑制高阶模。 天线结构如图3-1所示，在圆锥顶端有一个球形帽子。用半锥角和球半径a 0 描述圆锥天线的几何结构。驱动点阻抗为Zin，相应的馈线特性阻抗为。由于结 0 Z 构的对称性，辐射场与方位角无关。下面的分析假定天线是在自由空间，而不考 虑近处地面的影响。实际天线常常是置于移动车辆之上，它的辐射场越过干燥地面， 或者潮湿的湖泊、海湾等，这种情况下地面的影响问题需要另外加以考虑。 3.3 双锥天线的设计 当双锥上下椎体为无限长时

41、，没有不连续点。理论上天线性能不随频率变化。 根据传输线理论，此时双锥天线的输入阻抗就等于其特性阻抗，可表示为： (式 3-5) 2 cot() 2 lncot( 2 210 0 ZZin 式中：为真空中波阻抗；和分别为上下椎体半张角。相对于有限尺寸， 0 1 2 在椎体末端的不连续点将激起高次模，产生电流反射。此时天线的输入阻抗可以又 特性阻抗的传输线端接阻抗为来模拟。 0 Z t Z 此时天线的输入阻抗可表示为： (式 3-6) lZlZ lZlZZ Z t t in sincos )sincos( 0 00 有限尺寸时，天线的性能将随频率而变化，特别是在进行小型化设计时，其低 频特性将会

42、恶化。尤其是驻波特性，因此宽带匹配问题就是小型化双锥天线设计的 一个难点，通常的解决方法是增加额外的匹配网络来解决，但是宽频带匹配网络的 难度也很大。同时，也导致结构的复杂化。本文采用上下椎体凹腔结构和改变椎体 角度的方法改善天线驻波比，通过改变上下椎体的不对称性控制天线辐射方向。 在图 3-2 中，其中 d、h 表示(上、下)椎体凹腔的宽度和深度。这种凹腔结构 可以有效减少反射，同时选取较宽的椎体张角也可大幅度提高频带宽度，一般半张 角在 30-60 度时双锥天线有着明显的宽频带特性。通常情况下，双锥天线的关键结 构尺寸的设计有限，但是尺寸必须达到最佳才达到设计要求。 图 3-2 不对称锥天

43、线 3.4 双锥天线的数据分析 计算了三种情况下图3-3所示天线在20f 1000MHz 频率范围内的驱动点阻抗， 三种情况分别为： h=6in,a=10in,； 1 . 53 0 h =6in,a = 20 in, ； 5 . 72 0 h =12in,a=20in,；其中 。 1 . 53 0 )(cos 1 0 a h 圆锥天线驱动点阻抗为 (式3-7) 2 cot(ln60; 1 1 ccin ZZZ (式3-8) )()( )( )( 22 2 2 kah ka n kah kah ka nn n n 其中是第二类n阶球Hankel函数，Zc是圆锥天线的特征阻抗，是天线区 2 n h

44、 域反射波和外向传播TEM 波的幅值之比，是关于实变量ka的辅助函数，k=)(ka n 。/2 图3-3圆锥天线驱动点阻抗Zin = Rin +j。(a)h = 6in,a = 10in.,； X0= 53.1 (b)h =6 in,a=20in.,；(c) h =12 in,a=20in, 0= 72.50= 53.1 图3-3给出了圆锥天线驱动点输入电阻和输入电抗。在低频端，圆锥天线是电 小天线(a)，输入电阻非常小，而输入电抗则是非常大的负值。当频率升高2/ 时，输入电阻慢慢地升高，最后在特征阻抗接在特性阻抗为Z0，长度为l 的传输线 末端。 阻抗Zc图3-3给出的三种情况下分别为41.

45、95 欧姆；18.57 欧姆；41.57欧姆) 附近慢慢振荡。随着频率升高输入电抗则以振荡方式慢慢趋于零。如图3-3 (c)所 示。输入电阻曲线第一次与Z=Zc直线交点和输入电抗曲线第一次与X = 0直线相交 点都随着天线尺寸增加而向左移动，也就是说，天线尺寸增加时低频特性有所改善。 尽管大尺寸天线有较好的低频特性，如果按常规方式馈电，在低频端非常大的负电 抗依然是个必须认真研究的问题。 图3-4(a)圆锥天线与同轴线连接，(b)天线输入阻 通常向天线馈电的方法是用传输线把发射源和天线连接起来。图3-4(a)是把特 性阻抗为Z0、长度为l 的同轴传输线与输入阻抗为Zin、特征阻抗为Zc 的圆锥

46、天线 连接起来。图3-4 (b)是图3-4(a)天线系统的简化表示方法，其中集中元件阻抗Zin 接在传输线末端。 各种形式的电小天线具有类似特性。电压驻波比(VSWR)的计算结果显示，由于 低频端VSWR 太大，圆锥天线的效率也很差。为了解决这一问题，Sandler 和King 让“天线和传输线组合”谐振，调整传输线的长度，有可能使输入阻抗Zin 为纯电 阻。 为了计算使圆锥天线谐振的传输线长度，把天线系统表示为图3-4 (b)的电路 形式。传输线的输入阻抗ZinT 为 (式3-9) )2exp(1 )2exp(1 R R 0 lr lr ZTZ R R in 其中Z0是同轴线的特性阻抗。选择

47、Z0 等于圆锥天线的特征阻抗Zc，其中是 0 圆锥天线的半张角，是反射系数，是传输线的电长度。)2(exp(lj RRR l (式3-9)中ZinT为实数，其指数项中必须有2l= 2n,n =1,2,3,L。l 的一个解为 , (式3-10) arg; 2/ ZcZin ZcZin l RR 2/ R l 其中Zin 是圆锥天线的输入阻抗，Zc 是圆锥天线的特征阻抗。 图3-5实现圆锥天线谐振所需的l (a) h = 6in,a=10in；(b) h = 6in,a= 20in；(c) h = 12 in., a = 20 in. 图3-5给出了实现圆锥天线谐振所需的传输线电长度l。由于传输线

48、的周期特 性，(l+ n )也是合适的解，并给出相同的输入阻抗ZinT。谐振传输线/天线系 统的输入阻抗是纯电阻，在图3-5a中给出。从图3-5所给出的三种情况可见，无论 那种情况下所需的传输线电长度l总是随频率“周期性”变化，这对宽带应用不 利；另外l大于 对于电小天线非常不利。如何克服这一技术难点，将在下面 4 进一步论述，把输入阻抗变为纯实数则是实现天线系统匹配的第一步。 图 3-6 自由空间中双圆锥天线 E- 面辐射方向图 (a)h = 6in., a = 10 in,；(b)h = 6 in,a =20 in,；(c)h=12 1 . 53 0 5 . 72 0 in,a=20in,

49、。实线：f =20-100MHz;点划线：f =500MHz;点线：f =1000MHz。 1 . 53 0 自由空间中双圆锥天线的E 面辐射方向图在图3-6中给出(注意到，假定圆锥天 线是在无限大地平面之上，显然，有限大地平面将改变这些方向图)。如图3-7所示， 不同尺寸的双圆锥天线方向图曲线是相似的。在低频端，天线是电小天线，其方向 图类似于短偶极子，是圆形或者椭圆形的三维环状结构。最大辐射方向为 。在高频端，其孔径等于或大于波长，最大辐射方向偏离水平方向，并 2 )2/( 出现小的副瓣。得到的结论是随着频率增加，天线的水平方向性降低，特别是大尺 寸双锥天线。 图3-7自由空间双圆锥天线水

50、平方向性D() 2/ (实线：h = 6in, a = 10 in，点划线：h = 6 in, a = 20 in, 点线：h = 12 in, a = 20 in) 当圆锥天线电长度很小时，D()=3/2，这就是无限短偶极子的结果。水平方 m 向性曲线在图3-7中给出。注意到，对于较大的双圆锥天线，有些频率点处，其方 向性明显降低。有限长双圆锥天线等效电路传输线模型 实际天线总是有限长的，需要用适当方式把无限长双圆锥天线截断，变成有限 长双圆锥天线。截断的直接结果是在截断处产生反射，产生无数高阶模，输入阻抗 变为复数，并出现了输入电抗。如何准确描述有限长双圆锥天线，特别是电长度很 小的双圆锥天线，是设计和改善天线性能的前提。 图 3-8 小圆锥天线 圆锥天线是常用的超宽带天线，其理论模型是无限长导体双圆锥，从圆锥顶点 馈电。在工程中使用的天线不可能是无限长，由于使用环境限制，特别是在频率较 低时，其电长度比较小。电长度小使得圆锥天线的辐射电阻降低，并且输入阻抗不 再是纯电阻。当天线电长度趋于零时，天线的辐射电阻趋于零，输入电抗趋于无限 大。使得天线带宽变窄，匹配困难，效率降低。为了改善天线性能就需要对输入电 抗进行补偿。 对于电偶极子天线