超短波水平极化全向天线的研究

超短波水平极化全向天线的研究 西安电子科技大学 硕士学位论文超短波水平极化全向天线的研究 姓名:刘晖晖 申 请学位级别:硕士 专业:电磁场与微波技术 指导教师:傅光 20100101 摘要 I 摘 要 基于流星余迹通信的应用背景，本文展开对水平极化全向高增益天线的研究和设 计。 本文首先阐述全向天线的设计原理。简单介绍天线设计中所需考虑的主要指标， 并进一步对基于几种不同设计原理的全向天线(包括缝隙天线、旋转场天线、电流 环天线和多面组合天线)进行分析，研究各种全向天线的辐射机理和方向图特性。 接 着介绍几种主要类型水平极化全向天线的工作原理，在课题研究所要求的工作频段 内设计并且仿真上述几种类型的天线。然后全面地分析并对比几种水平极化全向天 线的各项性能指标，结合论文中通讯系统所提出的技术指标，选择蝙蝠翼天线和组 合圆环天线作为基本 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 来进行更深入的研究。 基于前面的研究结论，本文接着对 蝙蝠翼天线和组合圆环天线展开详细的设计与分析。由两个正交放置、相差 90?的 蝙蝠翼天线组成旋转场天线和由四个对称振子组成的组合圆环天线都可以实现水平 全向辐射，同时，用多个单元组成均匀直线阵，以达到 10dB 的增益要求。用仿真 软件对所设计的天线展开全面的仿真设计与分析，通过仿真优化，使得天线达到所 要求的技术指标。通过仿真计算，研究天线中的影响输入阻抗和水平面方向图不圆 度的几个关键 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 。最后讨论地面对于水平极化天线方向图的影响。 本文的设计和 研究对水平极化全向天线的工程设计和应用具有重要的参考意义。关键词:流星余 迹通信 水平极化 全向天线 蝙蝠翼天线 圆环天线 Abstract III Abstract The design of the horizontal polarized omni-directional antennas with high gainhas been researched in this paper to meet the application requirements in the MeteorBurst Communication MBC systems. Firstly the principles about the omni-directional antennas design are introduced inthis paper. After the main characteristic parameters involved in the antenna design arepresented several kinds of omni-directional antennas based on different designprinciples including slot antenna turnstile antenna small loop antenna and multi-sidescombined antenna are separately analyzed. Furthermore the omni-directional radiationprinciple is studied and the characteristics of the radiation patterns are discussed. Following are some theories about several typical horizontal polarizedomni-directional antennas and then are some designs and simulations of these antennasin the specified frequency band. And then according to the requirements of thecommunication system super turnstile antenna and combined loop antenna are chosento study further by comparing the performance of these several horizontal polarizedomni-directional antennas in detail. Based on the research above the super turnstile antenna and the combined loopantenna are fully studied. The super turnstile antenna composed by two perpendiculalylocated batwing antennas with 90 phase difference and the loop antenna combinedwith four dipoles are applied to radiate horizontal polarized omni-directionalelectromagnetic waves and the linear arrays with several antenna elements couldachieve the required 10dB gain. The antennas are designed and simulated by simulationsoftware and achieve a good performance and it shows that both the antennas satisfythe requirements well. Moreover some studies about the impact of some key parameterson the input impedance and the radiation pattern are carried out. At last the influence ofinfinite ground to the radiation pattern of horizontal polarized antenna is analyzed. The research in this paper is a significant reference to the design and application ofhorizontally polarized omni-directional antennas.Keywords: MBC Horizontal Polarization Omni-directional AntennaTurnstile Antenna Loop antenna 西安 电子科技大学 学位论文独创性(或创新性)声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名: 日期 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 (保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 本 导师签名: 日期 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究工作的背人签名: 日期 景和意义 自从赫兹和马可尼发明了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如今已成为不可或缺之势1。天线无处不在，通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备，都是通过天线来辐射和接收无线电波的。天线和发射机、接收机一样，也是无线电设备的一个重要组成部分。一个性能优良的天线系统可以从很大限度上降低对整个无线系统的要求，从而可以提高整个无线系统的性能，降低整个系统的成本。 作为现代战争中的一种应急通信保障手段，流星余迹通信已成为卫星通信、短波通信等通信方式的必要补充，并越来越受到重视。流星余迹通信2-4也称为流星突发通信Meteor Burst Communications MBC，是利用流星穿过大气层时留下的电离余迹对电波的反射作用来实现的一种远距离通信。流星余迹通信系统通常工作在 30,100MHz 的 VHF 频段内，因为对于这一频带内的电波，电离层的反射能力很弱，而流星余迹的反射能力却很强。其通信信道在时间上、空间上呈现出显著的隐蔽特性，而信道存在期间却具有高度稳定性，因此可满足灾害预警、军事应急通信、气象数据采集等通信需求，在无线通信中占有特殊的重要地位。美国、加拿大、日本等少数发达国家己经建立了完整的流星余迹通信网，甚至将其作为国家基础设施的一部分，重视程度可见一斑。 流星余迹通信系统发射天线的增益直接影响通信性能，增益越高，则平均数据通过量越多，话音信号传输等待时间越短。国际上自六十年代起开始流星余迹通信的研究，其发展经历了从 JANET 系统、COMET 系统为代表的第一代，AMBCS系统、SNOTEL 系统等为代表的第二代，一直到 AMBTB 系统、HPTL 系统等为代表的第三代发展阶段，其天线形式均采用 1 个或多个 4,8 元八木天线。但是，对于流星余迹通信系统的中心站而言，要求天线的波束是全向覆盖的，所以所设计的天线必须是全向的。在通信系统中，全向天线5-10一直都发挥着重要的作用。水平全向天线指的是一种在水平面内 360?均匀辐射电磁波的天线，它广泛应用于点对多点通讯、导航、广播等领域中。随着现代电子技术的迅速发展，各种通信系统在功能和业务上不断升级，它们对水平全向天线提出了越来越高的性能指标要求;同时，天线通常工作在复杂的传播环境下，电波在传播时将受到多方面的衰落，信道也受到地形、温度、湿度等环境因素的影响，因此，现在采取了高增益全向天线、天线分集技术11等方法来改善通讯质量。 但是，对于超短波天线来说，同时实现高增益和全向性，是一个比较难的目标，所以研究高增益的全向天线，2 超短波水平极化全向天线的研究有着非常重要的现实意义。 全向天线中，常见的极化方式大多是垂直线极化的，水平极化的全向天线并不多见。但是对于流星余迹通信系统而言，因为大部分天线都是八木天线，极化方式都是水平极化的，中心站天线的极化方式必须要求也是水平极化的，否则，由于极化失配，通信系统便不能正常工作。因此，研究水平极化全向天线有着重要的现实意义。 1.2 全向天线的研究进展 从最基本的垂直于地面的振子天线(垂直极化的水平全向天线)开始，水平全向天线发展到现在，已经取得了很大的进展，结构形式上也有很多的成果;在通信领域中也有一些高增益水平全向天线出现。通过归纳和总结文献资料中的介绍和研究，来了解全向天线的研究进展。 1. 双锥天线 图 1.1 双锥天线 12-13 图 1.1 为双锥天线 。这种天线结构简单，由两个金属圆锥和一根同轴馈线构成。其辐射情况是由振子天线演化而来，将双锥天线平面化，便成了领结形天线。当锥角变大时，天线的带宽变宽，当锥角大于 60?的时候，双圆锥天线的带宽非常宽。它的辐射空间在两个圆锥臂之间，同轴线内外导体分别接到双圆锥的两个顶点进行馈电。这种形式的天线一般为超宽带垂直极化使用，在较高频段有较大的增益，应用较多。虽然天线的设计比较简单，但是实际在加工调试过程中，要保证天线的固定，否则成形后的天线方向图和增益都会变坏;当天线工作频率较低，工作波长较长时，双锥天线显得更为不好架设。 2. 偶极子天线阵 图 1.2 串 1.2 为偶极子天线阵。这是一种高增益垂直极化全向天线，这种天馈式天线阵 图 线由多个偶极子组成均匀线阵，馈电可以是并馈，也可以是串馈。阵间距一般取 0.71.2λg，同时保证每个偶极子馈电相位相同，实现远区场同相叠加，从而保证天线的方向 第一章 绪论 3性。天线通过这种共线阵列的方式来实现高增益，一般六元阵列的增益可以达到8dB 左右。这种天线是谐振式天线，带宽相对比较窄，而且如果是串馈式阵列，当阵元不断增加时，由于馈线衰减增益增大不是特别明显。还有一些天线阵，比如富兰克林天线阵，串馈式印刷偶极子阵14和缝隙耦合套筒偶极子共线阵等等，都是属于偶极子天线阵，它们结构简单，成本较低，具有广泛应用。 3. 同轴开槽天线 同轴开槽天线 改进后的同轴开槽天线 图 1.3 同轴开槽天线 图 1.3 为同轴开槽天线。该类型天线结构简单，可以利用硬同轴线直接制作，图 1.3 左边为这种天线的实际结构，其基本原理是采用同轴线从天线的底部馈电，根据不同的工作频率，按照一定的间隔切去外导体，使介质裸露，这样裸露部分的内导体成为了辐射单元。可以将它看作一个振子天线，其方向图在水平面是全向的。因为天线要通过排阵来增大增益，所以天线有多个辐射单元。图 1.3 右边为改进型的同轴开槽天线15，可以通过调整各单元圆盘直径大小、辐射段的长度和单元间的尺寸来调整各单元的辐射效率，最终实现各单元的辐射场在远区等幅同相叠加。一般来说，改进型天线比同等条件下原天线增益能提高 12dB。 4. 波导缝隙阵列天线 馈 g ?λ/2 短 电 路 端 g 活 口 2 塞 图 1.4 波导缝隙阵列天线 图 1.4 为波导缝隙阵列天线16-18。这种天线通过在传输TE10 的矩形波导壁上面开半波谐振缝隙来截断波导内壁表面电流线，表面电流一部分绕过缝隙，另一部分以位移电流的形式沿原来的方向通过缝隙，因而缝隙被激励，向外辐射电磁波。为了获得最强辐射，应该使得缝隙垂直截断电流密度最大处的电流线。沿波导缝隙的电场分布与理想缝隙的几乎一样，但是波导缝隙是开在有限大波导壁上面，辐射受到没有开缝的其它三面 波导壁的影响，属于单向辐射。为了增强天线的方4 超短波水平极化全向天线的研究向性，一般在波导壁上间隔 λg 或者 λg/2 开多个相同的缝，在波导末端配置短路活塞以实现匹配。这种谐振式缝隙阵是窄频带的，若是缝隙间距小于 λg 或大于 λg/2，并把波导末端的短路活塞换成匹配负载，缝隙阵就变成非谐振式缝隙阵，天线在较宽频带可以实现匹配，但是因为各缝隙不是同相激励，方向图主瓣发生偏移。 5. 圆柱共形微带天线 图 1.5 圆柱共形微带天线 图 1.5 为圆柱共形微带天线19-20。这种天线通过将多个相同的微带天线绕成一圈，共形于圆柱表面。其辐射原理是通过多个环绕圆柱的同相馈电的水平极化微带天线在空间辐射场叠加，形成全向辐射。馈电可以通过圆柱内侧的功分网络实现等幅同相馈电。一般来说，圆柱的半径和天线的波长可以比拟时，微带贴片基板介质参数的选取，基板长度和宽度等的设计，在工程上可以用一般矩形微带天线的设计方法来近似处理。微带元越多，天线方向图越是接近全向，当微带元达到八元时，天线的不圆度可以达到 0.5dB 以下。这种天线的优点是体积小，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形，电性能多样化，而且能和有源器件、电路集成为统一的组件，适合大规模生产，简化了整体的制作和调试，大大降低了成本。缺点是频带较窄，损耗较大，单个微带天线的功率容量较小等。 6. 螺线天线 D S 水平分量 垂 Pλ/2 直 分 量 d dD2s I I a b 图 1.6 螺线天线结构示意图 第一章 绪论 5 图 1.6 所示为螺线天线示意图。每一匝螺线的长度取波长的整数倍，当取 2 波长时为二次模式，当取 M 个波长时，则为 M 次模式。适当地选择合适的螺线角Ψ(或螺距)和馈电相位，可得到水平极化，垂直极化，或者是圆极化辐射。其工作原理为:若馈电如图 1.6(a)所示，当Ψ 比较小时，由电场矢量分解可知，所有的垂直分量在垂直于轴线方向上互相抵消，而上下的水平极化分量则相位相同，因而相加。所以可以得到水平极化波的辐射。同理，如图 1.6(b)馈电，可得到垂直极化波辐射。为使垂直方向性尖锐，而水平面是全向辐射，则要求每卷绕一匝应当是一个波长的整数倍，这样在垂直方向上螺线各对应点可近似认为是同相的，因而保证了垂直方向性，可认为是同相单元的辐射。 这种螺线天线，由于馈电点少，结构简单，迎风面小，有可变极化的特点，因而也经常受到应用。但是它的频带较窄，约为 10左?摇?在多种多样的全向天线中，除了以上介绍的几种之外，还有其他一些应用的也比较多的天线。例如:并馈式高增益全向天线，交叉振子旋转场天线21，渐变缝隙全向天线22，蝶形微带水平全向天线以及多面组合水平全向天线阵等等。全向天线的设计和研究，一直受国内外天线专家和学者所关注，取得了不少的成果。 1.3 本文研究目的和指标要求 本文研究的目的是针对流星余迹通信系统中心站天线的应用，设计水平极化全向天线，并且对其影响电性能的关键参数进行研究。 根据流星余迹通信中的实际应用，所设计的天线的技术指标如下: 1.工作频段:VHF(带宽 35); 2.频带内驻波比:VSWR?1.5; 3.天线增益:Gain?10dBi; 4.极化方式:水平极化。 1.4 本文研究的贡献 本文研究的主要贡献有: 1.研究和仿真几种类型的水平极化全向天线，并且对它们的性能进行比较。 2.有针对性地设计和研究两种水平极化全向天线，达到所要求的天线性能指标。 3.研究各个参数对于天线电性能的影响。 1.5 本文的结构安排 本文主要内容是水平极化全向天线设计和研究，基于这个目的，本文的章节安排如下:6 超短波水平极化全向天线的研究 第一章，绪论:介绍水平极化全向天线的研究背景和意义以及全向天线的研究动态，提出天线的技术指标，阐述本文研究的 目的和贡献，以及本论文的结构安排。 第二章，水平极化全向天线的设计方法:简单阐述水平极化全向天线基本理论，以及其设计原理。 第三章，几种水平极化全向天线的研究:介绍几种水平极化全向天线的原理并且进行相应的仿真分析。 第四章，水平极化全向天线的性能比较:比较分析几种水平极化全向天线的电性能和结构特点。 第五章，蝙蝠翼绕杆天线的研究:详细介绍蝙蝠翼绕杆天线的基本原理和辐射机理，并且应用仿真软件对这种天线的性能进行较为详尽的分析和研究，仿真研究了各个参数对于天线的性能的影响，然后简单介绍蝙蝠翼天线的馈电方法。 第六章，组合圆环天线的研究:介绍均匀电流环的辐射机理，并且应用仿真软件对全向覆盖和扇区覆盖的组合全向天线进行分析和研究，仿真研究各参数对于天线性能的影响，最后研究地面对于天线方向图的影响。 第七章，结论:总结本文的工作并提出可进一步研究的内容。 第二章 水平极化全向天线的设计方法 7 第二章 水平极化全向天线的设计方法 2.1 天线的主要设计指标 在天线设计中，经常会采用一些指标来描述天线的电气性能，主要包括:输入阻抗、驻波比、方向图、主瓣宽度、副瓣电平、方向性系数、增益、极化、频带宽度、有效长度、效率等等23-25。下面对几个主要的指标进行简单介绍。 (一)天线的方向图 天线的方向图是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示。所谓辐射参量包括辐射的功率、场强、相位和极化等。在通常情况下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数。实际上我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布，有时候指场强的空间分布。 立体方向图形象直观，但是画起来比较复杂。所以，天线方向图通常是用两个互相垂直的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。研究超高频天线，通常采用的两个主平面是 E 面和 H 面。E 面是天线最大辐射方向和电场矢量所在的平面;H 面是天线最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。比如位于自由空间中的电 ，H基本振子，其 E 面是通过振子轴的子午平面(φ 为常数的平面) 面是垂直于振子轴的赤道平面 。 (θ90?的平面) 磁基本振子的 E 面和 H 面与电基本振子的刚好互换。 具体描述方向图的一些参数还有:波瓣宽度，一般指的是半功率波瓣宽度，就是在主瓣最大值两侧.