1、摘 要超 宽 带 天 线 广 泛 应 用 于 如 电 视 、 调 频 广 播 、 遥 测 技 术 、 宇 航 和 卫 星 通 信 等领 域 中 。 尤 其 是 近 年 来 兴 起 的 超 宽 带 无 线 通 信 技 术 ， 使 此 类 天 线 成 为 当 今 通 信领 域 的 研 究 焦 点 。本 文 设 计 并 研 究 了 两 种 类 型 的 超 宽 带 天 线 ， 一 种 是 带 两 个 对 称 臂 的 矩 形 平面 单 极 子 天 线 ， 另 一 种 是 弯 折 结 构 的 平 面 单 极 子 天 线 。所 研 究 的 第 一 种 天 线 实 现 了 在 工 作 频 率 范 围 内 回
2、波 损 耗 都 在 -10dB 以 下 ，基 本 满 足 了 超 宽 带 通 信 的 要 求 ， 天 线 的 工 作 频 带 是 2.7-9GHz。 回 波 损 耗 与 频率 的 关 系 曲 线 产 生 两 个 低 峰 值 ， 特 别 适 合 于 双 频 带 通 信 使 用 。 文 中 研 究 了 通 过改 变 切 口 尺 寸 、 介 质 损 耗 对 低 峰 值 频 率 位 置 的 影 响 关 系 ， 还 讨 论 了 端 口 大 小 对仿 真 准 确 度 的 影 响 ， 得 到 系 列 结 论 。所 研 究 的 第 二 种 天 线 实 现 了 真 正 意 义 上 超 宽 带 天 线 ， 天 线
3、 结 构 简 单 ， 易 于构 建 ， 小 尺 寸 、 低 剖 面 ， 能 够 在 回 波 损 耗 小 于 -10dB 条 件 下 有 效 地 工 作 在2.89.5GHz 的 频 率 范 围 。天 线 采 用 热 转 印 法 自 制 了 实 验 模 型 ， 并 通 过 矢 量 网 络 分 析 仪 测 量 了 回 波 损耗 与 频 率 的 关 系 曲 线 ， 测 量 结 果 与 仿 真 结 构 基 本 吻 合 。两 种 天 线 的 研 究 还 包 含 了 增 益 和 方 向 图 等 ， 从 而 对 天 线 性 能 进 行 了 全 面 分析 。关 键 词 : 超 宽 带 天 线 ； 单 极 子
4、天 线 ； 有 限 元 法 ； 电 磁 仿 真 ； 热 转 印 法AbstractUWB antenna is widely used in television, FM radio, telemetry, aerospace and satellite communications fields. In particular, with the rise of ultra-wideband wireless communications technology in recent years, making such antennas become the focus of communica
5、tion research field. This paper studies two types of ultra-wideband antenna, one is a symmetric planar monopole antenna with two symmetrical rectangular incision, the other is bent planar monopole antenna structure. The first designed antenna can satisfy the demand of UWB communication that the Retu
6、rn Loss of the antenna in the scope of working frequency, which is between 2.7-9GHz, is below -10dB. Return loss vs. frequency curves generated two low peaks, which is particularly suitable for dual-band communications. A study of the incision by changing the size of the low dielectric loss peak fre
7、quency position of the relationship between port size also discussed the impact on simulation accuracy, get series conclusion. The study of the second antenna to achieve a truly ultra-wideband antenna, the antenna structure is simple, easy to build, small size, low profile, can be less than-10dB ret
8、urn loss under the conditions of effective work in the 2.8 9.5GHz frequency range. Antenna made by heat transfer method of the experimental model, and vector network analyzer by measuring the return loss versus frequency curve, the measurement results and simulation of structure of the basic agreeme
9、nt. thermal transfer printing technologyThe study also includes two antenna gain and pattern, etc., and thus a comprehensive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在
10、指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目
11、的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关
12、数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导 师 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日目 录第 一 章 绪 论 .11.1 引言 .11.1.1 天线的地位 .11.1.2 无线通信与天线的关系 .21.1.3 研究现状 .31.2 本文研究的主要内容 .41.3 主要章节安排 .4第 2 章 超 宽 带 天 线 的 基 础 理 论 .42.1 超宽带天线的基本概念 .42.2 超宽带天线的特点 .52.3 超宽带天线的主要参数 .62.3.1 天线的输入阻抗 .62.3.2 驻波比 .62.3.3 方向图 .7
13、第 3 章 基 于 有 限 元 法 的 电 磁 场 计 算 方 法 .73.1 有限元法原理介绍 .73.2 有限元法的主要求解过程 .83.3 有限元数值计算方法的主要特点 .93.4 基于有限元法的电磁仿真技术-HFSS .9第 4 章 一 种 超 宽 带 单 极 子 天 线 的 设 计 和 研 究 .114.1 天线的设计 .114.1.1 天线的形状 .114.2 仿真模型的构建 .134.3 模型的仿真与运行 .204.3.1 模型仿真过程 .204.3.2 运行结果 .2244 仿真结果的分析比较 .244.4.1 介质板的损耗正切对天线性能的影响 .244.4.2 波导端口尺寸对
14、天线性能的影响 .24第 5 章 新 型 超 宽 带 单 极 子 天 线 的 创 新 研 究 .255.1 仿真模型的构建 .255.2 模型的仿真与运行 .265.2.1 模型仿真过程 .265.2.2 运行结果 .265.2.3 结果分析 .28第 6 章 天 线 数 据 的 测 量 .286.1 天线实物模型制作过程 .286.2 天线模型的 S11 测量 .296.2.1 矢量网络分析仪的简介 .296.2.2 矢量分析仪的使用 .296.3 测试结果分析 .30第 7 章 总 结 与 展 望 .33参 考 文 献 .35南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 6 页第一章 绪论1.1
15、引言1.1.1 天线的地位无 线 电 发 射 机 输 出 的 射 频 信 号 功 率 ， 通 过 馈 线 （ 电 缆 ） 输 送 到 天 线 ， 由 天线 以 电 磁 波 形 式 辐 射 出 去 。 电 磁 波 到 达 接 收 地 点 后 ， 由 天 线 接 下 来 （ 仅 仅 接 收很 小 很 小 一 部 分 功 率 ） ， 并 通 过 馈 线 送 到 无 线 电 接 收 机 。 可 见 ， 天 线 是 发 射 和接 收 电 磁 波 的 一 个 重 要 的 无 线 电 设 备 ， 没 有 天 线 也 就 没 有 无 线 电 通 信 。 天 线 品种 繁 多 ， 以 供 不 同 频 率 、 不
16、 同 用 途 、 不 同 场 合 、 不 同 要 求 等 不 同 情 况 下 使 用 。对 于 众 多 品 种 的 天 线 ， 进 行 适 当 的 分 类 是 必 要 的 ： 按 用 途 分 类 ， 可 分 为 通 信 天线 、 电 视 天 线 、 雷 达 天 线 等 ； 按 工 作 频 段 分 类 ， 可 分 为 短 波 天 线 、 超 短 波 天 线 、微 波 天 线 等 ； 按 方 向 性 分 类 ， 可 分 为 全 向 天 线 、 定 向 天 线 等 ； 按 外 形 分 类 ， 可分 为 线 状 天 线 、 面 状 天 线 等 1。随 着 科 学 技 术 的 飞 速 发 展 ， 人 们
17、 的 生 活 日 益 现 代 化 ， 有 限 的 频 率 资 源 越 来越 紧 张 ， 人 们 对 无 线 通 信 的 容 量 及 传 输 速 率 提 出 了 更 高 的 要 求 。 无 论 是 军 事 通信 还 是 民 用 通 信 系 统 ， 不 仅 要 求 高 质 量 地 传 输 语 言 、 文 字 、 图 像 、 数 据 等 信 息 ，而 且 要 求 设 备 宽 带 化 、 小 型 化 、 共 用 化 2。 天 线 作 为 辐 射 和 接 收 电 磁 波 的 部 件 ，是 无 线 系 统 中 重 要 的 组 成 部 分 。 天 线 性 能 的 优 劣 直 接 决 定 无 线 通 信 系
18、统 通 信 质量 的 好 坏 。 没 有 天 线 ， 就 不 可 能 建 立 起 任 何 无 线 电 系 统 ， 因 此 ， 与 无 线 电 设 备发 展 趋 势 相 适 应 ， 宽 频 带 天 线 的 研 究 也 日 益 活 跃 ， 成 为 学 科 领 域 中 一 个 重 要 的研 究 分 支 。在 军 事 领 域 中 ， 为 了 实 现 保 密 通 信 ， 消 除 干 扰 ， 多 频 段 、 多 功 能 电 台 和 宽带 调 频 电 台 将 广 泛 应 用 。 调 频 速 率 越 来 越 高 ， 调 频 范 围 越 来 越 广 ， 原 有 的 窄 带天 线 已 无 法 满 足 要 求 。
19、另 外 ， 狭 小 的 空 间 内 密 布 多 副 天 线 ， 相 互 之 间 的 干 扰 较为 严 重 ， 影 响 通 信 质 量 。 为 了 解 决 上 述 矛 盾 ， 有 效 的 解 决 办 法 就 是 研 制 高 性 能 、宽 频 带 、 小 型 化 天 线 ， 以 减 少 载 体 上 天 线 的 数 目 。 在 民 用 通 信 系 统 中 ， 无 线 通信 作 为 当 今 信 息 化 社 会 的 主 要 技 术 手 段 而 显 得 尤 为 重 要 。 其 信 道 容 量 不 断 扩 充 、传 输 速 率 不 断 提 高 、 服 务 方 式 也 日 渐 灵 活 。 与 此 相 适 应
20、， 通 信 设 备 日 趋 宽 带 化 ，台 站 设 施 也 由 最 初 的 点 对 点 、 一 点 对 多 点 发 展 到 移 动 和 全 球 漫 游 。 而 天 线 作 为南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 7 页移 动 通 信 系 统 的 发 射 和 接 收 部 件 ， 其 宽 带 化 的 研 究 显 然 有 重 要 的 现 实 意 义1.1.2 无线通信与天线的关系随 着 无 线 电 通 信 技 术 的 发 展 ， 天 线 在 各 个 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 。 主 要 使用 场 合 有 :无 线 通 讯 技 术 ， 包 括 手 机 、 蓝 牙 (B1ueTooth)
21、、 无 线 局 域 网 等 终 端 ；小 型 化 卫 星 通 讯 ； 多 普 勒 及 其 它 制 式 雷 达 ； 指 挥 和 控 制 系 统 ； 导 弹 遥 测 ； 无 线电 引 信 ； 环 境 检 测 仪 表 和 遥 感 ； 复 杂 天 线 中 的 馈 电 单 元 ； GPS卫 星 导 航 接 收 机 ；生 物 医 学 辐 射 器 等 。就 天 线 的 实 际 应 用 需 求 而 言 ， 宽 频 带 和 小 型 化 是 天 线 目 前 最 主 要 的 几 个 研究 方 向 。 最 近 几 十 年 ， 随 着 无 线 通 信 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 对 天 线 技 术 提 出 了 越
22、来越 高 的 要 求 。 由 于 普 通 结 构 的 天 线 频 带 宽 度 十 分 狭 窄 ， 因 此 近 年 来 发 展 了 多 种技 术 来 提 高 天 线 带 宽 ， 包 括 对 天 线 的 加 载 技 术 、 分 形 技 术 、 多 谐 振 技 术 、 有 源天 线 技 术 等 。 在 对 天 线 进 行 设 计 时 ,既 要 实 现 天 线 的 宽 带 化 ， 又 要 限 制 天 线 的尺 寸 大 小 ,而 且 还 要 满 足 天 线 的 驻 波 、 益 等 指 标 ,类 似 这 样 的 天 线 设 计 问 题 是 十分 困 难 的 。 如 何 协 调 好 上 述 关 系 以 获
23、得 最 佳 天 线 结 构 ,则 成 为 宽 带 天 线 设 计 的核 心 问 题 。 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 。 如 今 ， 天 线 结 合 微 波 技 术 的 各 种 产 品 比 比 皆 是 ，其 影 响 小 到 人 们 的 日 常 生 活 ， 大 到 国 家 的 安 全 保 障 ， 其 重 要 性 是 不 言 而 喻
24、 的 。天 线 的 功 能 是 辐 射 或 者 接 收 无 线 电 波 。 它 把 被 导 电 磁 波 转 变 为 自 由 空 间 的 无 线电 波 (在 发 射 系 统 中 )， 或 者 做 相 反 的 变 换 (在 接 收 系 统 中 )， 从 而 在 任 意 两 点之 间 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 。 随 着 社 会 的 进 步 ， 科 学 技 术 的 发 展 ， 无 线 电 频 谱 不 断 地 得到 开 拓 ， 无 线 电 系 统 的 带 宽 也 不 断
25、地 扩 展 ， 促 进 了 二 十 世 纪 末 一 门 新 的 学 科超 宽 带 电 磁 学 的 诞 生 。 超 宽 带 电 磁 学 指 出 ， 时 域 电 磁 波 也 是 人 类 非 常 重 要 的自 然 资 源 ， 而 且 是 尚 待 开 发 、 非 常 宝 贵 的 自 然 资 源 。 天 线 理 论 与 技 术 已 经 有 了很 长 的 发 展 历 史 ， 无 数 的 学 者 研 制 出 了 能 满 足 各 种 无 线 电 系 统 要 求 的 天 线 。 无论 无 线 电 如 何 发 展 ， 天 线 都 是 不 可 替 代 的 。 超 宽 带 无 线 电 系 统 要 求 超 宽 带 天
26、线来 完 成 超 宽 带 被 导 电 磁 波 和 自 由 空 间 无 线 电 波 之 间 的 转 变 工 作 。 超 宽 带 脉 冲 无线 电 传 输 技 术 是 国 际 上 最 近 正 在 蓬 勃 兴 起 的 一 种 无 线 通 信 的 革 命 性 传 输 技 术 。南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 8 页采 用 该 技 术 的 超 宽 带 通 信 系 统 可 以 提 供 数 字 话 音 、 数 据 和 视 频 业 务 ， 可 以 在 非常 复 杂 的 多 径 环 境 中 很 好 地 完 成 定 位 和 识 别 ， 可 以 在 较 高 链 路 丢 失 环 境 中 提 供存 活 通 信 手
27、 段 。 此 外 还 能 够 满 足 飞 速 发 展 的 消 费 类 电 子 产 品 对 无 线 通 信 提 出 的更 高 的 要 求 :在 功 能 上 ， 存 储 容 量 不 断 增 加 ， 数 据 吞 吐 量 也 越 来 越 大 。 超 宽 带 通信 具 有 优 良 独 特 的 技 术 特 性 和 潜 在 的 优 势 ， 并 且 可 缓 解 日 益 紧 张 的 频 带 资 源 要求 ， 使 其 成 为 现 在 国 际 和 国 内 研 究 的 热 门 课 题 之 一 ， 正 越 来 越 受 到 通 信 学 术 界和 产 业 界 的 重 视 。1.1.3 研究现状自 从 1873 年 麦 克
28、斯 韦 (Maxwell)从 理 论 上 预 言 电 磁 波 存 在 ， 并 于 1879 年 由 马 可 尼 (Marconi)首 次 获 得 一 个 完 整 的 天 线 电 报 系 统 专 利 以 来 ， 伴 随 着 科 学技 术 的 不 断 进 步 ， 人 类 对 自 然 界 广 泛 存 在 的 电 磁 波 这 一 物 质 形 态 的 认 识 在 不 断深 化 ， 创 造 了 多 种 多 样 的 电 磁 波 工 程 系 统 无 线 电 通 信 系 统 。 从 电 视 、 广 播 、移 动 通 信 、 到 雷 达 、 导 航 、 气 象 、 定 位 、 卫 星 ， 再 到 军 事 领 域
29、中 的 制 导 武 器 、电 子 对 抗 等 领 域 取 得 了 极 为 丰 硕 的 研 究 成 果 。近 半 个 世 纪 以 来 ， 电 磁 波 与 周 期 性 结 构 间 相 互 作 用 的 研 究 一 直 没 有 间 断 。近 几 年 随 着 材 料 科 学 、 特 别 是 左 手 材 料 研 究 取 得 的 新 进 展 ， 关 于 周 期 性 结 构 介质 对 电 磁 波 影 响 的 研 究 再 度 升 温 ， 成 为 新 的 热 点 。2003年 ， 人 们 提 出 了 一 个 方 形 贴 片 天 线 3， 它 有 两 个 阶 梯 状 的 馈 线 变 换 ，中 间 还 开 了 个 槽
30、 。 这 种 天 线 可 以 工 作 在 3.2GHz到 12GHz， 而 且 具 有 准 全 向 辐 射特 性 ， 群 延 时 差 值 不 到 0.5 ns。 2004年 出 现 了 很 多 微 带 超 宽 带 天 线 :(1)印 制圆 盘 单 极 子 超 宽 带 天 线 ， 它 的 地 平 面 和 辐 射 元 处 在 同 一 平 面 ， 因 此 适 于 集 成 在印 制 电 路 板 上 ， 其 匹 配 阻 抗 带 宽 为 2.78-9.78GHZ， 并 且 具 有 全 向 辐 射 特 性 。(2)共 面 波 导 馈 电 式 平 面 超 宽 带 天 线 4， 它 尺 寸 小 ， V形 槽 的
31、 长 度 可 以 适 当 调整 ， 在 没 有 V形 槽 的 情 况 下 其 工 作 频 带 可 从 2.8GHz到 10.6GHz。 (3)LTCC超 宽 带开 槽 式 天 线 5， 这 种 天 线 可 以 与 其 它 射 频 电 路 共 地 ， 辐 射 元 是 椭 圆 状 ， 它 的 阻抗 带 宽 为 3-10.6GHz， 在 低 频 处 有 准 全 向 辐 射 特 性 。2005年 有 人 研 究 了 一 种 带 有 分 形 调 节 柄 的 微 带 槽 隙 天 线 ， 其 阻 抗 带 宽 为2.66- 10.76GHz， 具 有 全 向 辐 射 特 性 。 接 着 出 现 了 一 种 平
32、 面 小 型 化 渐 变 环 型 槽南京工程学院毕业设计说明书（论文）第 9 页馈 电 超 宽 带 天 线 ， 提 供 的 阻 抗 带 宽 可 从 4.84GHz到 10.23GHz， 它 占 有 的 空 间 小并 且 在 工 作 频 段 内 具 有 几 乎 一 致 的 辐 射 方 向 特 征 。2005 年 出 现 了 一 种 加 载 高 介 电 常 数 陶 瓷 的 缝 隙 螺 旋 天 线 6， 基 板 介 电 常数 分 别 提 高 到 30 和 90， 在 使 用 频 率 下 降 27OMHz-564MHZ 的 基 础 上 使 其 面 积 减小 了 18%和 36%， 采 用 倒 锥 形
33、基 板 结 构 ， 用 同 轴 巴 伦 进 行 馈 线 ， 通 过 改 变 基 板厚 度 来 实 现 匹 配 ， 缺 点 是 带 宽 较 窄 ， 制 作 困 难 。 等 角 螺 旋 天 线 7在 0.25GHz到 6GHz 的 频 带 内 实 现 了 大 于 6dB 的 圆 极 化 带 宽 ， 但 是 尺 寸 太 大 。1.2 本文研究的主要内容本 文 研 究 了 用 基 于 有 限 元 法 8的 仿 真 软 件 HFSS 软 件 对 超 宽 带 单 极 子 天 线进 行 仿 真 计 算 ， 研 究 天 线 的 几 何 尺 寸 和 宽 频 带 特 性 ， 在 合 适 的 频 率 范 围 内 ，
34、 分析 天 线 S 参 数 、 方 向 图 等 物 理 参 量 随 不 同 几 何 参 数 的 变 化 规 律 ， 通 过 图 形 方 式进 行 了 对 照 分 析 。 根 据 仿 真 数 据 ， 本 文 设 计 并 研 究 了 两 种 类 型 的 超 宽 带 天 线 ，一 种 是 带 两 个 对 称 臂 的 矩 形 平 面 单 极 子 天 线 ， 另 一 种 是 弯 折 结 构 的 平 面 单 极 子天 线 。 通 过 矢 量 网 络 分 析 仪 测 量 阻 抗 曲 线 和 回 波 损 耗 曲 线 ， 与 理 论 曲 线 进 行 比较 。 这 两 种 天 线 具 有 低 剖 面 结 、 结
35、构 简 单 、 宽 频 带 、 小 型 化 、 易 于 制 造 等 诸 方面 的 优 点 。 最 后 总 结 研 究 结 果 ， 说 明 天 线 的 应 用 价 值 。1.3 主要章节安排首 先 就 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 做 出 说 明 。 第 一 章 总 体 的 介 绍 了 下 开 选 题 背景 、 意 义 及 研 究 现 状 。 第 二 章 主 要 介 绍 了 超 宽 带 天 线 的 基 本 概 念 ， 性 能 参 数 及特 点 。 第 三 章 介 绍 了 有 限 元 法 的 电 磁 计 算 方 法 。 第 四 章 对 一 个 超 宽 带 天 线 设 计和 研 究 。 第 五 章 主 要 介 绍 了 新 型 超 宽 带 单 极 子 天 线 的 研 究 ， 并 分 析 其 各 项 特 性 。第 六 章 介 绍 模 型 制 作 及 用 网 络 分 析 仪 对 其 进 行 测 试 ， 并 与 仿 真 结 果 进 行 比 较 ，说 明 其 研 究 意 义 。 第 七 章 给 出 结 论 并 对 课 题 未 来 的 发 展 做 出 了 展 望 。
