通信工程毕业设计（论文）仿真设计吸顶天线.doc

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1、北京邮电大学世纪学院毕业设计(论文)题 目 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(论文)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(指导教师组组长及成员姓名)职 称工作单位备注副教授通信与信息工程系组长教授通信与信息工程系组员讲师通信与信

2、息工程系指导老师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

3、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、

4、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/T7714-2005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

5、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

6、： 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毕业设计(论文)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

7、处，本人承担一切相关责任。本人签名： 日期： 毕业设计(论文)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

8、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，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 HFSSTi

9、tle The Simulation Ceiling Antenna AbstractWith the rapid development of information 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 constructio

10、n has been unable to meet these changes are starting to seek more flexible 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 t

11、he application of simulation software (HFSS) the optimal design of the antenna 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

12、are described. The paper designs and simulates a wide band ceiling antenna 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 w

13、hole antenna to the ceiling Taper Antenna Ceiling Ansoft HFSS目录1.前言11.1引言21.2天线技术在通信系统中的意义和应用21.3国内外研究现状41.3.1国内研究现状41.3.2国外研究现状41.4仿真软件ANSOFT HFSS介绍42. 天线的理论62.1 天线概述62.2 发射天线的基本参数62.2.1 天线的辐射方向图62.2.2天线效率72.2.3 天线的极化72.2.4 天线的极化方向82.2.5 天线的输入阻抗82.2.6 天线的增益和增益系数82.2.7 天线的有效长度82.2.8 输入阻抗与辐射阻抗92.2.9

14、频带宽度93.双锥天线的原理和结构103.1双锥天线的概念103.1.1双锥天线的理论概念103.1.2在实际应用中的双锥天线113.2有限长双锥天线的理论分析113.3双锥天线的设计123.4双锥天线的数据分析134.双锥天线的分析与模型214.1双锥天线的数据分析结果214.1.1 双锥天线数据计算214.1.2自相似原理234.1.3双锥天线的仿真与改进244.2双锥天线的设计255.吸顶天线仿真和绘制275.1吸顶天线绘制：275.1.1双锥天线基础配置275.1.2双锥天线的材料选取275.1.3 馈电设置285.1.4 辐射设置过程：295.1.5 创建辐射边界表面305.1.6

15、辐射方向设置315.1.7 设置中心频率315.1.8 辐射范围设置325.1.9 检查错误和结果325.2双锥天线仿真计算结果335.2.1 三维增益辐射图335.2.2 E面和H面平面方向图345.2.3 电压驻波比356.结论36致谢37参考文献381.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

16、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

17、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

18、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。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。

19、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

20、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(PI

21、FA)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

22、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3GH

23、z。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.Howell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

24、.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、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

25、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 102. 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

26、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

27、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

28、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，即： 式(2-1)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。特指为该天

29、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。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分

30、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方向性天线(理想点源)在同一点产生的辐射功率密度之

31、比，记为G。用公式表示： 式(2-2)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。为天线的输入端电压与电流之比： (式2-3)其中，、分别为输入电

32、阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。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

33、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

34、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产生了环绕锥体轴的磁场，在这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： (式3-1) (式3-2)进而，可求得天线的归一化方向性函数为： (式3-3)天线上任一点的特性阻抗为： (式3-4

35、)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。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

36、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

37、)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

38、天线的设计当双锥上下椎体为无限长时，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)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，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。此时天线的输入阻抗可表示为： (式3-6)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

39、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,；h =6in,a = 20 in,

40、 ；h =12in,a=20in,；其中 。圆锥天线驱动点阻抗为 (式3-7) (式3-8)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=。图3-3圆锥天线驱动点阻抗Zin = Rin +j。(a)h = 6in,a = 10in.,；(b)h =6 in,a=20in.,；(c) h =12 in,a=20in,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。当频率升高时，输入电阻慢慢地升高，最后在特征阻抗接在特性阻抗

41、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41.95 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

42、为l 的同轴传输线与输入阻抗为Zin、特征阻抗为Zc 的圆锥天线连接起来。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)其中Z0是同轴线的特性阻抗。选择Z0 等于圆锥天线的特征阻抗Zc

43、，其中是圆锥天线的半张角，是反射系数，是传输线的电长度。(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)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

44、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 in,a=20in,。实线：f =20-100MHz;点划线：f =500MHz;点线：f =1000MHz。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平