一种加载振荡源阻带天线的研究

1、 一种加载振荡源阻带天线的研究专业：通信工程 姓名：邓榕俊 指导老师：肖金祥摘 要 一个紧凑的带阻带的平面超宽带天线特点是设计一个额外的小辐射贴片插入一个天线缺口，它可以实现在带宽5.0 - 6.0GHz上表现出很好的性能。实验结果表明，该天线满足了工作带宽在3.1-10.6GHZ且驻波比<2 GHz的带宽需求，同时避免与5.8 GHz 无线局域网频段的干扰。本文研究的是一种加载振荡源的阻带天线。对一些影响该类型天线系统驻波比的重要参数研究。关键字 超宽带，带宽，阻带ABSTRACTA compact planar UMB antenna with band notched charac

2、teristics is presented.With the inclusion of an additional small radiation patch, a frequency-notched antenna is also designed and good out of band performance from 5.06.0GHz can be achieved. Experimental results show that the proposed antenna meets the requirement of wide-working bandwidth of 3.110

3、.6 GHz with VSWR2, while avoiding the interference with the 5.8 GHz WLAN band. This paper is a kind of stop-band oscillator loaded antenna. Some impact on the type of antenna system VSWR of the important parameters and the antenna system transfer function is given in.Key words：UMB Bandwidth Band-not

4、ched 目 录1绪论21.1天线的概况21.2研究现状31.3研究的意义41.4研究的内容52天线的基本技术参数52.1 阻抗带宽52.2 辐射方向图72.3 方向性82.4 效率，增益93一种加载振荡源阻带天线的研究103.1研究手段103.2天线的设计104.天线的方针和研究124.1驻波比124.2方向图144.3增益175.总结18参考文献19答 谢201绪论本章主要介绍了天线的概况，并叙述了加载振荡源阻带的UMB天线研究的意义,并且就论文的研究内容作了说明。1.1天线的概况1873年英国物理学家麦克斯韦（Maxwell）建立的电磁理论奠定了天线的理论基础。1887年德国物理学家赫兹

5、（Hertz）在电磁波产生的经典实验中，首次使用了天线。即赫兹偶极子或基本振子。它由两个相距甚近的小球组成，采用火花放电激励电磁波辐射，接受使用环天线。100多年来，天线理论和技术，随天线电电子科学技术的发展而迅速地成长，目前业已成为一个独立而完整的学科的学科体系。多种多样的天线类型，广泛用于各个领域，天线在开拓和发展无线电技术中，已经起来和正在起着重要的突破性的作用，其技术的发展前景将无可限量。为全面概括地了解天线的现状，并展望其未来的发展。在此，不妨对过去的年代，做一简要的回顾。20世纪初，无线电技术主要用于长波无线电通信。1901年意大利物理学家马可尼（Marconi）最先使用大型天线实

6、现远洋通信，其发射天线采用50根下垂铜线组成，顶部用水平横线连在一起，横线牵引在两个支撑塔上。这就是付之实用的第一付天线，即马可尼天线，亦称垂直接地天线或单极天线。当时相应提出了该天线的理论分析和工程设计方法。早期，天线的发展受到振荡源的限制，大约到1920年，三极管出现，可以产生1MHZ连续波之后，谐振式半波天线才能得以实现。1925年前后，人们发现短波能够被电离层反射，可用于远距离通信，于是便相继产生了一些新型定向短波天线，例如同相天线、V型天线等。但是，由于电离层受太阳辐射的影响，昼夜不同，四季变化，本身并不稳定。为了解决由此引起的每天早晚更换通信波长而必须改调天线的麻烦，又陆续出现了各

7、种波段的宽频带天线，例如倍波天线、菱形天线、笼形天线等。30年代中期，由于微波电子器件速调管和磁控管的产生，以及二次世界大战军事上的需要，雷达技术得到了迅速发展，从而要求天线具有很强的方向性，于是各种新型的微波天线，如喇叭天线、抛物面天线、透镜天线等，开始发展并应用起来。与此同时，有关天线的理论基础、原理分析和计算方法，开始逐渐形成了一门独立的学科。此外，随着频率提高波长变短，电磁波似光特性进一步表现出来。从而为射电天文、航天技术、卫星通信、定位、导航等方面的研究和应用开拓了广阔的前景，使超短波及微波天线的应用范围日益广泛，不仅在上述各方面，而且在电视及调频广播等方面也普遍应哟个起来。随之出现

8、了螺旋天线、对数周期天线、微波天线及蝙蝠翼型天线等多种形式的宽频带超短波天线。特别是超短波八木天线自1926年问世以来经久不衰，到现在仍占有非常重要的地位。近20年来，由于电子技术、空间技术和计算机技术的飞速发展，促使天线为适应和满足各种不同用途的要求，其形式和种类也日益增多，性能指标不断改进提高。例如双反射面卡塞格伦天线、自适应天线、有源天线、与频率无关天线等，也颇为人们关注。另外，由于遥感技术的发展，天线的散射特性、瞬时特性及天线在导体或等离子体中的辐射特性也都引起了广泛的重视。随着现代科学技术的发展，要求雷达应具有搜索、引导、跟踪等多种功能及强抗干扰能力；而对于通信系统则要求具有更大的信

9、息容量。为此，时域天线这一新课题逐渐发展起来。同时还出现了微波全息天线及非正弦波天线等新领域。此外，在航天与卫星技术中，得天线结构特别提出了小型、轻便、平嵌等一系列要求，因此，微带天线今年得到迅速发展，类型不断增多，相应课题的研究正在开展，许多成功的设计已在空间电子学和常规天线领域中获得了广泛的应用。1.2研究现状 本文研究的天线是基于UMB天线的，超宽带天线技术作为超宽带通信系统的重要组成部分得到了人们越来越多的重视。近几年来，超宽带天线技术才得到各国科研人员的广泛关注。超宽带天线作为能够有效辐射时域短脉冲的天线应该保证能够达到以下要求：a.天线的输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗

10、在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去和不引起脉冲特性的改变或下降。b.天线的相位中心具有超宽频带不变特性，即要求天线的相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致。c,天线还要具有良好的方向图特性，即频带内的增益平坦度以及小型化的要求。超宽带天线的设计工作必须同时兼顾上述要求，同时还要考虑到超宽带通信系统中的超宽带接收机等射频前端电路对天线的要求。所以超宽带天线的研究和设计工作是极具挑战的。国外的研究学者起步较早，提出了很多具有创造性的天线模型。早期宽带天线的代表是由Oliver Lodge提出的电容区域，但是天线的尺寸较大而且天线带宽也较小。那个时期，所谓的“宽

11、带天线”实际上就是多重谐振天线。这种天线具有很多个约为10kHz的窄带，可以同时接收多个频率不同的信号。国内的超宽带天线技术虽然起步较晚，但也得到了迅速的发展。多种新型超宽带天线陆续涌现，本文研究的加载振荡源的阻带天线就是其中一种。目前国内一些研究所已经开始对超宽带天线技术进行研究，虽初有成效，但是无论是理论还是应用研究都与国外研究进展无法比较。1.3研究的意义传统的宽带天线由行波天线、非频变天线、喇叭天线等几种类型组成。这些传统的宽带天线一般没有稳定的相位中心，由天线结构不同的部分来决定不同频率信号辐射的相位中心。因此，用传统的宽带天线来辐射频谱较宽的纳秒级短脉冲信号将带来波形的严重失真。为

12、了适应超宽带脉冲通信的要求，人们通过不懈的努力提出了时域超宽带天线的概念这种超宽带天线的阻抗带宽可以达到几个甚至十几个倍频程同时具有稳定的相位中心，能够不失真辐射和接收短脉冲信号，这些显著的特点使得超宽带天线在航天和军事领域得到了广泛的应用，例如星载通信系统，成像或舰载雷达，电子侦察和电子对抗等等。随着联邦通信委员会（Federal Communication Committee, FCC）逐步放宽对超宽带技术应用的限制，超宽带天线技术将拥有更为广阔的应用空间。但同时,超宽带通信系统的工作频率段内存在诸如无线局域网（WLAN）等其他通信系统。为了防止超宽带通信系统和其他通信系统潜在的相互干扰，

13、需使超宽带天线在一些频段上产生阻断，即具有带阻功能。可以在单极子天线的贴片上开槽引入半波长谐振结构，以获得带阻功能，也可以在天线的接地板上开槽获得带阻功能。因此，研究具有阻带功能的超宽带天线对整个通信系统将有非常重要的意义。1.4研究的内容本文设计了一种加载振荡源阻带的超宽带天线。根据超宽带天线技术指标的要求，采用具有宽频带特性的微带馈电圆缝隙超宽带天线，通过在辐射体上开槽电流枝节，使所设计的天线具有阻带特性，尽可能的避免了对其他系统的干扰。并采用电磁仿真软件CST对驻波比，方向图，增益进行仿真。2天线的基本技术参数本章我们主要讨论几个与天线设计相关的最基本参数单回顾一下包括天线的阻抗带宽，辐

14、射方向图，方向性，效率和增益。2.1 阻抗带宽天线的阻抗带宽表征天线与传输线的匹配情况。通常用馈线上的电压驻波比（VSWR）来表示。而VSWR又与回波损耗和反射系数(等价于散射矩阵中的)紧密相连。首先我们对，VSWR和回波损耗简单介绍一下。其中被定义为如图2-1所示的传输线模型上反射波和入射波的比，其表达式为:图2-1 传输线模型 (2-1-1)其中。和分别是传输线阻抗和负载阻抗。传输线上的电压和电流都是距离z的函数，表达式如下: (2-1-2) (2-1-3)其中。当时，实现完美匹配。因为天线系统的平均入射能量和平均反射能量是: (2-1-4) (2-1-5)则由式(2-3)(2-5)可得传

15、到负载的平均能量为: (2-1-6)下面我们计算几个涉及天线阻抗带宽常用的数据:1.由于传递到负载的能量与成正比，则当10%的能量被反射时， 由式（2-6）可得0.3162。2.根据VSWR的定义： (2-1-7) 由1已知当10%的能量被反射时，则由式(2-7)可得VSWR=2。3.根据回波损耗的定义: 回波损耗= （2-1-8）同上，由式(2-8)得回波损耗=10dB。综上所述，通常当我们定义阻抗带宽为满足回波损耗大于等于10dB，即回波损耗10dB，此时<0.3162，VSWR<2。2.2 辐射方向图为了描述天线在空间不同方向辐射功率的强弱的不同，我们引入辐射方向图这一概念。

16、考虑在球坐标中r为常数的一个大球面，其中r>>且r>>天线口面的线度，即我们研究的是天线的远场区。此时电场和磁场包含且仅仅包含和分量，分别为: (2-2-1) (2-2-2)则远区辐射场的坡印亭矢量是: (2-2-3)由于远区场是球面波，故电场的两个分量总可以写成: (2-2-4) (2-2-5)式中，是，的实函数。利用上述二式，可改写为： (2-2-6)由于与r，有关，令： (2-2-7)称为功率辐射方向图，它表示单位立体角内的辐射功率。将其归一化，即得归一化的辐射方向图，记为: (2-2-8)天线的归一化辐射方向图常简称为方向图或波瓣图，它是一个三维的立体图。作为实

17、例，图2-2给出了一个微带天线的三维方向图。图2-2 微带天线的三维方向图 2.3 方向性为了描述方向性，我们首先引入各向同性天线的概念。设天线的辐射功率为，均匀地向所有的方向辐射，在半径r的大球面上的功率密度记为，即: (2-3-1)显然其归一化方向图，这是一个理想的各向同性的天线，它仅具有理论上的意义，实际上并不存在。所谓方向性是指，在同样的发射功率下，真实的无耗天线的功率密度与理想的无耗各向同性天线辐射强度之比，记作，有: （2-3-2）将式(2-17)代入式(2-18)的分母，即得： (2-3-3)式中的是无耗天线的辐射功率，如果空间是无耗的，它还等于在半径r的大球面上对真实的无耗天线

18、的辐射强度的积分，于是方向性: (2-3-4)式中，为方向性函数，那么， （2-3-5） （2-3-6）将分子分母同时归一化，并注意到方向图立体角的表示式，得: (2-3-7)令分子中的，得最大方向性，计作，可得： (2-3-8)式中表明最大方向性与方向立体角成反比关系，小则大，反之亦然。对于各向同性天线，=1。天线在任意方向的方向性可写作: (2-3-9) 2.4 效率，增益在实际中，由于材料损耗等原因，天线是有耗的，这时需要用增益取代方向性。设馈给天线的总功率为，辐射到空间的功率是，一部分功率被天线本身损耗掉，由此定义天线的辐射效率为: (2-4-1)则增益的定义为，在加入相同功率的条件下

19、，真实的有耗天线辐射的功率密度与理想无耗各向同性天线辐射的功率密度之比，记作: (2-4-2)根据以上公式我们可以推导出增益和方向性的关系:增益为: (2-4-3)因为真实的有耗天线辐射的功率为： （2-4-5）得： （2-4-6）再由方向性的表示式(2-20)，于是我们可得增益和方向性的关系为： （2-4-7）3一种加载振荡源阻带天线的研究3.1研究手段在天线研究过程中主要使用的是基于有限积分法的电磁仿真软件CST Microwave Studio。该软件已广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机和通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括射频和微波部件、天线和天线阵等，经过

20、多年的应用，得到了业内人士的广泛肯定。利用CST内置的天线建模工具，可以一次快速地完成天线的建模，大大地提高了建模效率和精度。仿真结果可以输出UWB天线的电压驻波比VSWR、绝对增益、辐射方向图等基本参数。3.2天线的设计天线的结构图正面如图3-1所示，背面如图3-2所示。整个天线印刷在介电常数半径为，厚度的介质基板两侧。天线的正面是一个R的圆形金属面，它与特性阻抗为50欧姆的微带线馈电相连进行馈电。天线的背面是一个金属面和一个的金属面。前后由一个大小为R1的圆柱形阻带相连。LWW2W3W4L1W1Rh 图3-1 天线正面结构图 图3-2 天线背面结构图表3-1天线的结构参数变量WLL1RR1

21、W1W2W3abhmm304014.88222023.65122.725.8为了得到所研究天线所具有的阻带特性，在正面半径为R的圆形金属上背面的小金属快上开了一个半径为R1的圆，并通过介质金属前后相连，获得所研究的天线-加载振荡源的阻带天线。此天线可以很好的避免其他频段的干扰。驻波比也可以维持在一个理想结果。表3-1是天线选用的结构参数。4.天线的方针和研究4.1驻波比 根据测量可以发现在带宽3.1-10.6GHZ（不包括4.9-6.1GHZ）之间满足VSWR<2这和仿真结果吻合，结果如图4-1所示 图4-1仿真实测8 为了研究在辐射体上开槽对天线阻抗特性的影响，在其他参数不变的情况下，

22、对金属块宽度a=9 mm，a =10 mm，a =12 mm,a=13 mm,a=15 mm的情况分别做了仿真，并将驻波比做了比较，比较结果如图4-2所示。宽度a主要对低频段的阻带频率造成影响，表4-1随a变化各技术参数的变化情况。 图4-2参数a变化对电压驻波比的影响 表4-1参数a变化对各技术参数的影响参数a赋值（mm）151312109阻带（GHZ）4.2-5.74.6-5.84.9-5.15.4-6.55.9-6.9带宽(MHZ)15001200130011001000阻带中心频率（GHZ）5.135.35.66.056.57阻带中心频率的驻波比19.321.723119.821 图4

23、-3是金属块长度b变化对驻波比的影响。在其他参数不变的情况下，取b=1.8mm，b =2.2mm，b=2.2 mm,b=2.7 mm,b=2.9 mm进行仿真。表4-2随b变化各技术参数的变化情况。 图4-3参数b变化对电压驻波比的影响表4-1参数a变化对各技术参数的影响参数b赋值（mm）3.12.92.72.21.8阻带（GHZ）3.8-6.04.1-6.14.9-6.15.3-6.355.8-6.8带宽(MHZ)22002000120010501000阻带中心频率（GHZ）5.325.445.65.86.2阻带中心频率的驻波比34.838.723.119.813.54.2方向图图4-4给出

24、天线在不同频率的远场区三维辐射场。由图可以看出，该天线在H面（xoz）方向图近似全向，波动不大，在高频部分稍差些，但是相对稳定。E面（xoy,yoz）方向图呈典型的倒8字形。 F=2GHZ F=3GHZ F=4GHZ F=5GHZ F=6GHZF=7GHZ朗读显示对应的拉丁字符的拼音朗读显示对应的拉丁字符的拼音 F=8GHZ F=9GHZ F=10GHZF=11GHZ图4-4 天线在不同频率远区三维辐射场4.3增益图4-5给出天线增益随频率变化的曲线。从图中可以看出天线的增益在5-6GHz的阻带范围内急剧下降，这与驻波比在5-6GHz出现阻带一致。在其它频段增益在24dB间变化，基本趋于稳定。

25、图4-5天线的增益曲线5.总结无线通信技术发展到今天，作为关键性部件的天线无论是在功能、结构形式或是用途上与过去相比都有很大的变化和拓展。自从开放超宽带技术应用规范后，实用系统对超宽带天线的需求急剧增加。超宽带通信技术的新特点对天线有了新的要求，尽管过去己有相当种类的宽带天线，但此时己不再适用。从通信设备终端天线的发展趋势来看，结合宽频带、小型和智能化特点的天线已逐渐成为设计的主流。而超宽带通信系统极宽的宽带有可能对其它系统造成干扰，从这点出发，阻带特性将成为研究超宽带天线需要考虑的一个重要因素。本文提出了一种加载振荡源阻带的天线,通过在辐射体上开槽，避免了超宽带通信系统与其他通信系统的干扰。通过电磁仿真软件CST确定了天线的