畢業(yè)設(shè)計（論文）超寬帶盤錐天線的特性分析與研究

1、泉 州 師 范 學(xué) 院畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目 超寬帶盤錐天線的特性分析與研究 analysis and reasearch of ultra-wideband dish cone antenna characteristics物理與信息工程 學(xué) 院 電子信息科學(xué)與技術(shù)專 業(yè)07級1班學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 職 稱 副教授（博士）完成日期 2011-4-3 教務(wù)處 制超寬帶盤錐天線的特性分析與研究物理與信息工程學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)老師 副教授（博士）摘 要：近年來，隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，超寬帶( ultra-wide band, uwb)通信技術(shù)以其低功耗、高帶寬、低復(fù)雜度等優(yōu)點

2、而倍受重視。超寬帶天線已成為目前天線領(lǐng)域的一大研究熱點。盤錐天線由一個導(dǎo)體圓盤和一個導(dǎo)體圓錐構(gòu)成，因此其結(jié)構(gòu)簡單；盤錐天線是一種垂直極化全向天線，具有極寬的工作頻段，且全向均勻性好?？捎糜谂c寬帶梳狀波發(fā)生器組成電場輻射發(fā)射測試項目的比對裝置。關(guān)鍵詞：超寬帶；盤錐天線；全向天線目錄第一章：引言41.1 超寬帶天線的發(fā)展41.2 hfss功能簡介41.3 本文研究的內(nèi)容及意義4第二章：盤錐天線的設(shè)計52.1 盤錐天線的演變過程52.2 盤錐天線的尺寸設(shè)計規(guī)律5第三章：盤錐天線的錐角對天線性能的影響53.1 錐角對天線方向圖的影響53.2 錐角對天線輸入阻抗的影響73.3 錐角對天線電壓駐波比的影響

3、8第四章：盤錐天線的其它參量對天線性能的影響94.1 變量s對天線性能的影響94.1.1 變量s對天線方向圖的影響94.1.2 變量s對天線輸入阻抗的影響114.1.3 變量s對天線電壓駐波比的影響114.2 變量d對天線性能的影響124.2.1 變量d 對天線方向圖的影響124.2.2 變量d對天線輸入阻抗的影響144.2.3 變量d對天線電壓駐波比的影響154.3 變量cmin對天線性能的影響164.3.1 變量cmin對天線方向圖的影響164.3.2 變量cmin對天線輸入阻抗的影響184.3.3 變量cmin對天線電壓駐波比的影響184.4 變量cmax對天線性能的影響194.4.1

4、變量cmax對天線方向圖的影響194.4.2 變量cmax對天線輸入阻抗的影響214.4.3 變量cmax對天線電壓駐波比的影響22第五章:總結(jié)23致謝24參考文獻(xiàn)25第一章：引言1.1 超寬帶天線的發(fā)展超寬帶技術(shù)1是目前被廣泛研究的一種新興的無線通信技術(shù)，主要由于超寬帶通信技術(shù)具有高數(shù)據(jù)率、功耗低、低復(fù)雜度等特點，為通信技術(shù)的發(fā)展開辟了新機(jī)遇。但是超寬帶又因為要占用極寬的帶寬與其他通信系統(tǒng)同享頻段，會造成信號干擾，又給超寬帶技術(shù)的研究帶來了新的挑戰(zhàn)。在1898年，oliver lodge提出了球形偶極子、正方形偶極子、雙錐極子、三角形偶極子甚至包括領(lǐng)結(jié)形偶形極子天線和單極天線的概念。后來隨著

5、短波通信發(fā)展的需求和寬帶技術(shù)的進(jìn)步，人們對這些天線進(jìn)行了深入的研究 。在設(shè)計超寬帶天線使其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、容易加工等特點的基礎(chǔ)上，對領(lǐng)結(jié)形天線、單極天線、盤錐天線2-3等這些置于平板上的天線，通過調(diào)整天線縫隙和形狀來實現(xiàn)超寬帶。超寬帶天線4是與uwb技術(shù)共同發(fā)展的，是uwb系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線的性能好壞直接影響uwb系統(tǒng)的功能。對超寬帶天線的分類有多種分法，根據(jù)天線增益可分為低增益天線和高增益天線，根據(jù)天線的方向性可分為全向天線和定向天線等。雖然超寬帶天線目前有了很大的發(fā)展，但是還遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，主要在于超寬帶天線的設(shè)計還面臨很大的挑戰(zhàn)。隨著微波集成電路的發(fā)展，超寬帶天線的

6、研究與應(yīng)用也會更快地變?yōu)楝F(xiàn)實。目前，利用集成電路方式進(jìn)行饋電，制作出超寬帶平面槽天線等多種形式的超寬帶天線，其特點是能產(chǎn)生對稱波束，利用平衡超寬帶饋電，具有超寬帶特性。1.2 hfss功能簡介hfss軟件5由ansoft公司開發(fā)，是三維電磁場仿真軟件，它應(yīng)用切向矢量有限元法，可求解任意三維射頻、微波器件的電磁場分布，計算由于材料和輻射帶來的損耗。可直接得到特征阻抗、傳播系數(shù)、s參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。廣泛應(yīng)用于天線、饋線、濾波器、功分器、光電器件、隔離器的設(shè)計和電磁兼容、電磁干擾、天線局部和互耦等問題的計算。1.3 本文研究的內(nèi)容及意義本文采用ansoft公司的電磁場高頻仿真軟

7、件hfss進(jìn)行仿真設(shè)計，在常規(guī)盤錐天線設(shè)計的基礎(chǔ)上，對盤錐天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配，從而使得天線具備駐波低、全向均勻性6好的特點。第二章：盤錐天線的設(shè)計2.1 盤錐天線的演變過程盤錐天線7的演變過程可認(rèn)為是有雙錐天線演變成下半個錐體用金屬圓盤代替的錐形天線，由此可見，盤錐天線是由一個導(dǎo)體圓盤和一個導(dǎo)體圓錐構(gòu)成。圓盤與饋電同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體相連接，圓錐的錐頂與同軸線外導(dǎo)體相連接。圖（1）為盤錐天線的結(jié)構(gòu)圖，盤錐天線的斜高為l，下底板是半徑為d圓形金屬板，上錐體為不帶帽的空心錐，錐體的半張角為，錐底的半徑為cmin，錐頂半徑為cmax，錐底與圓盤之間高度為s。 圖（1

8、）盤錐天線的結(jié)構(gòu)圖2.2 盤錐天線的尺寸設(shè)計規(guī)律盤錐天線的斜高l8應(yīng)稍大于下限頻率對應(yīng)的波長的四分之一，l與關(guān)系如公式（1），其中為比例系數(shù)，取值范圍在1.11.3，是下限頻率對應(yīng)的波長。l與圓盤半徑d應(yīng)取錐頂半徑cmax的0.7倍左右；盤錐天線的錐角的選擇與斜高l有關(guān)，為了有足夠的阻抗過渡空間，當(dāng)錐角較小時，斜高l應(yīng)取大些；圓盤與圓錐之間的距離s幾乎與斜高l和錐角無關(guān)。 （1）第三章：盤錐天線的錐角對天線性能的影響3.1 錐角對天線方向圖的影響圖（2）為半錐角9取不同值時，盤錐天線對應(yīng)的e面方向圖。圖（3）為半錐角取不同值時盤錐天線對應(yīng)的h面方向圖。 （a）=15 （b）=30 （c）=45

9、 （d）=60圖（2）盤錐天線的e面方向圖 （a）=15 （b）=30 （c）=45 （d）=60圖（3）盤錐天線的h面方向圖由圖（2）可知，隨著半錐角的增大，天線的輻射10更趨于全向。由于盤錐天線的結(jié)構(gòu)具有對稱性，因而在h面內(nèi)其輻射是全向性的的，由圖（3）可知，盤錐天線的h面方向圖為圓。3.2 錐角對天線輸入阻抗的影響圖（4）為半錐角取不同值時，盤錐天線的輸入阻抗與頻率的關(guān)系曲線。 （a）=15 （b）=30 （c）=45 （d）=60圖（4）盤錐天線的輸入阻抗盤錐天線優(yōu)良的阻抗寬頻帶特性11主要得益于它的特殊的幾何結(jié)構(gòu)。盤錐天線可以看成下錐體半張角為90,上錐體半張角為的雙錐天線，具有很低

10、的特性阻抗。盤錐天線的特性阻抗近似為：（） （2）根據(jù)上式可以看出盤錐天線的輸入阻抗跟半張角成反比，隨著半張角的增大，盤錐天線的輸入阻抗在減小。3.3 錐角對天線電壓駐波比的影響圖（5）為半錐角取不同值時，盤錐天線的電壓駐波比與頻率的關(guān)系曲線。 （a）=15 （b）=30 （c）=45 （d）=60圖（5）盤錐天線的電壓駐波比根據(jù)圖（5）四個盤錐天線電壓駐波比圖可以得看出，隨著半錐的增大，在相同駐波要求下，天線的帶寬變得更好。第四章：盤錐天線的其它參量對天線性能的影響4.1 變量s對天線性能的影響當(dāng)d、cmin、cmax取值不變時，通過改變s來考察s取不同值時對天線方向圖、輸入阻抗、電壓駐波比

11、的影響。4.1.1 變量s對天線方向圖的影響圖（6）為d=17mm，cmin=2mm，cmax=24mm，s取不同值時天線的e面方向圖；圖（7）為d=17mm，cmin=2mm，cmax=24mm，s取不同值時天線的h面方向圖。 （a）s=0.5mm e面方向圖 （b）s=1mm e面方向圖 （c）s=1.5mm e面方向圖圖（6）（a）s=0.5mm h面方向圖 （b）s=1mm h面方向圖（c）s=1.5mm h面方向圖圖（7）由圖（6）和圖（7）可知，圓盤與錐底之間的間隙s對天線的方向圖影響很小。4.1.2 變量s對天線輸入阻抗的影響圖（8）為d=17mm，cmin=2mm，cmax=2

12、4mm，s取不同值時天線的輸入阻抗。 （a）s=0.5mm 輸入阻抗 （b）s=1mm 輸入阻抗（c）s=1.5mm 輸入阻抗圖（8）由圖（8）可知，圓盤與錐底之間的間隙s不影響盤錐天線的輸入阻抗，有公式（2）可以看出，盤錐天線的輸入阻抗只與盤錐天線的錐角有關(guān)。4.1.3 變量s對天線電壓駐波比的影響圖（9）為d=17mm，cmin=2mm，cmax=24mm，s取不同值時天線的電壓駐波比 （a）s=0.5mm 電壓駐波比 （b）s=1mm 電壓駐波比（c）s=1.5mm 電壓駐波比圖（9）由圖（9）可知，圓盤與錐底之間的間隙s對盤錐天線的電壓駐波比影響較小。綜上所述，圓盤與錐底之間的間隙s對

13、天線的影響較小，在一定條件下可忽略s對天線性能的影響。4.2 變量d對天線性能的影響當(dāng)s、cmin、cmax取值不變時，通過改變d來考察d取不同值時對天線方向圖、輸入阻抗、電壓駐波比的影響。4.2.1 變量d 對天線方向圖的影響圖（10）為s=1mm，cmin=2mm，cmax=24mm，d取不同值時天線的e面方向圖；圖（11）為s=1mm，cmin=2mm，cmax=24mm，d取不同值時天線的h面方向圖。 （a）d=8.5mm e面方向圖 （b）d=17mm e面方向圖（c）d=25.5mm e面方向圖圖（10） （a）d=8.5mm h面方向圖 （b）d=17mm h面方向圖（c）d=2

14、5.5mm h面方向圖圖（11）由圖（10）、圖（11）可知，圓盤半徑d的大小對盤錐天線的方向圖影響較大。若半徑d過大，會減小水平方向處的場強(qiáng)。4.2.2 變量d對天線輸入阻抗的影響圖（12）為s=1mm，cmin=2mm，cmax=24mm，d取不同值時天線的輸入阻抗。 （a）d=8.5mm 輸入阻抗 （b）d=17mm 輸入阻抗（c）d=25.5mm 輸入阻抗圖（12）由圖（12）可知，圓盤的半徑d對天線的輸入阻抗沒有影響，有公式（2）可以看出，盤錐天線的輸入阻抗只與盤錐天線的錐角有關(guān)。4.2.3 變量d對天線電壓駐波比的影響圖（13）為s=1mm，cmin=2mm，cmax=24mm，d

15、取不同值時天線的電壓駐波比。 （a）d=8.5mm 電壓駐波比 （b）d=17mm 電壓駐波比（c）d=25.5mm 電壓駐波比圖（13）由圖（13）可知，圓盤半徑d 對盤錐天線的電壓駐波比沒有太大影響。綜上所述，圓盤半徑d 的大小只對盤錐天線的方向圖有較大影響，為了盤錐天線有較好的性能，圓盤的半徑d不宜太大，也不能太小。根據(jù)盤錐天線的尺寸設(shè)計規(guī)律，圓盤半徑通常取錐頂半徑cmax的0.7倍左右。4.3 變量cmin對天線性能的影響當(dāng)s、d、cmax取值不變時，通過改變cmin來考察cmin取不同值時對天線方向圖、輸入阻抗、電壓駐波比的影響。4.3.1 變量cmin對天線方向圖的影響圖（14）為

16、s=1mm，d=17mm， cmax=24mm， cmin取不同值時天線的e面方向圖；圖（15）為s=1mm，d=17mm， cmax=24mm， cmin取不同值時天線的h面方向圖。 （a）cmin=1mm e面方向圖 （b）cmin=2mm e面方向圖（c）cmin=3mm e面方向圖圖（14） （a）cmin=1mm h面方向圖 （b）cmin=2mm h面方向圖（c）cmin=3mm h面方向圖圖（15）由圖（14）、圖（15）可知，盤錐天線的錐底半徑cmin對天線方向圖沒有太大影響。4.3.2 變量cmin對天線輸入阻抗的影響圖（16）為s=1mm，d=17mm， cmax=24mm

17、， cmin取不同值時天線的輸入阻抗。 （a）cmin=1mm 輸入阻抗 （b）cmin=2mm 輸入阻抗（c）cmin=3mm 輸入阻抗圖（16）由圖（16）可知，錐底半徑cmin對天線的輸入阻抗沒有影響，有公式（2）可以看出，盤錐天線的輸入阻抗只與盤錐天線的錐角有關(guān)。4.3.3 變量cmin對天線電壓駐波比的影響圖（17）為s=1mm，d=17mm， cmax=24mm， cmin取不同值時天線的電壓駐波比。 （a）cmin=1mm 電壓駐波比 （b）cmin=2mm 電壓駐波比（c）cmin=3mm 電壓駐波比圖（17）由圖（17）可知，盤錐天線的錐底半徑cmin的大小對天線的電壓駐波比

18、沒有太大影響。綜上所述，盤錐天線的錐底半徑cmin的大小對天線的方向圖、輸入阻抗、電壓駐波比沒有太大影響。4.4 變量cmax對天線性能的影響當(dāng)s、d、cmin取值不變時，通過改變cmax來考察cmax取不同值時對天線方向圖、輸入阻抗、電壓駐波比的影響。4.4.1 變量cmax對天線方向圖的影響圖（18）s=1mm，d=17mm，cmin=2mm，cmax取不同值時天線的e面方向圖；圖（19）s=1mm，d=17mm，cmin=2mm，cmax取不同值時天線的h面方向圖。（a）cmax=12mm e面方向圖 （b）cmax=24mm e面方向圖（c）cmax=36mm e面方向圖圖（18） （

19、a）cmax=12mm h面方向圖 （b）cmax=24mm h面方向圖（c）cmax=36mm h面方向圖圖（19）由圖（18）、圖（19）可知，錐頂半徑d越大，盤錐天線的輻射的全向性越小，水平方向出的場強(qiáng)也會減小。4.4.2 變量cmax對天線輸入阻抗的影響圖（20）s=1mm，d=17mm，cmin=2mm，cmax取不同值時天線的輸入阻抗。 （a）cmax=12mm 輸入阻抗 （b）cmax=24mm 輸入阻抗（c）cmax=36mm 輸入阻抗圖（20）由圖（20）可知，錐頂半徑cmax對天線的輸入阻抗沒有影響，有公式（2）可以看出，盤錐天線的輸入阻抗只與盤錐天線的錐角有關(guān)。4.4.3

20、 變量cmax對天線電壓駐波比的影響圖（21）s=1mm，d=17mm，cmin=2mm，cmax取不同值時天線的電壓駐波比。 （a）cmax=12mm 電壓駐波比 （b）cmax=24mm 電壓駐波比（c）cmax=36mm 電壓駐波比圖（21）由圖（21）可知，盤錐天線的錐頂半徑cmax對盤錐天線的電壓駐波比沒有太大影響。綜上所述，盤錐天線的錐頂半徑cmax對盤錐天下的方向圖有較大影響，對天線的輸入阻抗和電壓駐波比沒有太大影響。第五章:總結(jié)通過對不同結(jié)構(gòu)盤錐進(jìn)行仿真，得出了不同結(jié)構(gòu)的盤錐對應(yīng)的方向圖、輸入阻抗、電壓駐波比。再對仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出在=30，s=1mm，d=17mm，c

21、min=2mm， cmax=24mm為最優(yōu)的設(shè)計尺寸，在這尺寸下的盤錐天線的輸入阻抗、立體方向圖、e面方向圖、h面方向圖、電壓駐波比如圖（22）所示。該天線在2-18ghz的頻帶范圍內(nèi)具有良好的駐波特性；h面輻射方向具有全向性。盤錐天線的結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制照，可用于與寬帶梳狀波發(fā)生器組成電場輻射發(fā)射測試項目的比對裝置。 （a） 輸入阻抗 （b） 立體方向圖（c） e面方向圖 （d） h面方向圖（e） 電壓駐波比圖（22）致謝本次設(shè)計的完成是在余燕忠老師的細(xì)心指導(dǎo)下進(jìn)行的，在設(shè)計過程中遇到問題時余老師不辭辛苦的講解才使得我的設(shè)計順利的進(jìn)行。從設(shè)計的選題到資料的搜集直至最后設(shè)計的修改的整個過程中

22、，花費了余老師很多的寶貴時間和精力，在此向余老師表示衷心地感謝！參考文獻(xiàn) 1 張倩，劉運林，李智勇等.一種改進(jìn)的小型化超寬帶平面倒錐縫隙天線j.電訊技術(shù)，2010,11(6):231-234.2 王琪，阮成禮，王洪裕.任意錐角有限長雙錐天線電磁特性的仿真研究j.電波學(xué)報，2003,12(2):46-49.3 楊恩耀，李思敏.一體化雙盤錐天線的研制j.電子學(xué)報，1996,21(12):225-231.4 張春青，王均宏，鄒衛(wèi)霞.一種低輪廓超寬帶天線的設(shè)計與分析j.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報，2010, 24(3):324-326.5 謝擁軍，王鵬，李磊等.ansoft hfss基礎(chǔ)及應(yīng)用m.西安電子科技大學(xué)出

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