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移动通信双频基站天线的设计_(1).pdf

移动通信双频基站天线的设计_(1).pdf

上传者: samyang 2013-12-14 评分1 评论0 下载0 收藏0 阅读量320 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《移动通信双频基站天线的设计_(1)pdf》,可适用于硬件技术领域,主题内容包含山东大学硕士学位论文移动通信双频基站天线的设计姓名:唐润乾申请学位级别:硕士专业:电子与通信工程指导教师:赵辉原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论符等。

山东大学硕士学位论文移动通信双频基站天线的设计姓名:唐润乾申请学位级别:硕士专业:电子与通信工程指导教师:赵辉原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明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过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:廛丝】童塾日期:丝堕:鲤丝盟关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留或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山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名:虚近丝导师签名:山东大学硕士学位论文中文摘要本论文主要研究了一种双频板状移动通信基站用天线的设计设计频段为:低频段~MHz高频段蛐{Z.设计要求:各项指标要严格满足国家标准.本论文包括:天线单元的设计、馈电网络的设计、天线阵列的设计、波束赋形技术的研究.单元采用探针贴片技术通过对天线单元辐射机理的研究做出如下选择:对于探针:分别对T型探针和L型探针馈电进行了仿真和试制通过分析与比较最终选用L型探针.对于贴片:综合考虑了天线结构与性能指标低频采用单贴片高频采用双贴片高频贴片放在低频贴片的正上方.馈电网络采用电缆与PcB板相结合的方式其中功分器采用PCB印制电路板的形式.根据不同的单元数目采用不同的功分器。通过理论计算微带线宽度和长度并编程仿真完成了不同功率分配器的设计达到设计指标.在阵列的设计中进行的是等间距等相位的天线阵列的设计为了使增益达到设计要求同时要降低高低频之间的信号干扰在做了大量实验的基础上。最终确定了最佳单元间距.基站天线实现波束赋形是优化移动通信网络的需要本文对天线阵列的波束赋形技术进行研究使其达到上旁瓣抑制下旁瓣零点填充的波束赋形特性。本次设计最终完成了低频两单元高频四单元、低频四单元高频八单元、低频八单元高频十二单元的双频基站天线的试制测试结果完全符合国家标准设计完成的双频基站天线包容G和G的频段为G向G的过渡打下了坚实的基础.关键字:天线单元天线阵列馈电网络功分器山东大学硕士学位论文Thispaperprimaryinuoducesthedesignofthean傀咀越whichisusedinthebasestationandoI埒髓ledintwofrequencyband:~MHZand~MHZ.Thedemandofthisdesign:everyindexshouldstandstrictly幻thecountrystandard.hiscomposedoftll越:thedesignoftheelementoftheantemla,thedesignofthefeedingcircuitnetwork,thedesignofthearrayoftheRntelnxa,andthestudyofthebeamcontrolled.TheprobesandpatchesWCl"eusedintheelement.Themechanismhasbeenstudiedandthechoicehasbeenmade雒this:Theprobe:wchaveanalyzedthe聊bcalldLprobebysimulationandtrialproduction,theLprobeWaSselected.Thepatch:consideringtheconfigurationandthecapabilityindex,thesinglepatchWaSadoptedinthelowfrequencyandthedoublepatchvcasadoptedinthehighfrequency.ThecableandPCBbywhichthepowerdividerwasmadewerebothadoptedinthefeedingcircuitnetwork.Thispaperhasin吣duc。dthedesignprocessofthepowerdividerindetail:tocomputemicrostripline’Swidthandlength,tOsimulatetoproduct,toadjusttothegoodcapabilityindex.Theantennaarraywasassignedinthesamespaceandthesamephase,toachievethehighestgainandtouehievethedemandthatdifferentfrequencyhavedifferentelementspaceanlassofexperimentshavebeenmade,theprimespaceWaSdeterminedultimately.FinallythetechniquehowtOcontroltheradiationpauernWaSstudiedanditistheneededofoptimizingthenetwork,whichisthattheuppersidelobew醛conn'olledandthelowerfirstwasfilled.Thisdesignhascompletedthetwofrequencybasestationantennawithtwelvehighfrequencyelementsandeightlowfiequencyelements.TheresultperfecOyachievedthecountryilldcx.ItincludesbothandGfrequency.Soitisreadyforthemmsi吐onfromGtoQKeywords:antennaelement矗nte越aarrayfeedingcircuitnetwork第一章板状天线的发展及双频天线的应用.移动通信的发展随着我国国民经济的快速发展人民物质和精神生活质量的提高我们国家从用户数量和网络规模上看已成为名副其实的第一通信大国.其中移动通信的发展速度极快.’年代频率复用和小区切换技术的发现使得移动通信系统得以大规模使用此时移动通信系统既为我们今天所谓的第一代移动通信系统(其典型代表为AMPS、TACS等).限于当时的技术条件第一代移动通信多址方式均采用FDblA语音调制为模拟调频信令调制为FSK一类的简单数字调制技术.由于模拟调制的频谱利用率低抗干扰性能差因而系统容量有限业务质量远远逊于有线通信系统.各个国家接口均采用不同的标准各个厂家各行其是不同厂家的设备根本无法互连.当时所用的天线为全向和定向适用于全向和分区覆盖技术上主要是阵子型天线及其阵列天线.第二代移动通信系统出现于通信数字化的年代末和年代初它基本采用了当时通信和信号处理的最新技术.多址方式采用TDMA(GSM系统)或窄带CDIA(IS)技术空中接口采用数字调制技术和先进的自适应均衡(TD姒)、Rake接口技术(C蹦A)从而使系统容量远高于第一代移动通讯系统.业务质量与有线{通信系统相当.业务种类上也从单一话音转变到可以提供话音中低速数据业务.在接口规范的制定上充分考虑了国际漫游的需要形成了同一的区域性的国际标准同时也规定了明确的网络结构和系统接口标准使不同厂商间设备的互连变得简单易行.此时已经逐步地广泛地使用微带和贴片为核心的单极化天线、波束赋形基站天线、变倾角基站天线及双频双极化等新技术.山东大学硕士学位论文第三代移动通信系统是工作于GHz频段的移动通信系统它区别于第一代和第二代移动通信系统的主要特点可以简单概括为:全球无隙漫游具有支持信息速率高达Mbit/s的多媒体业务的能力特别是支持Internet业务:便于过渡、演进更高的频率效率、更低的电磁辐射、更好的服务质量等.第三代移动通信系统多址方式的主流是宽带CDVJA技术在空中接口和核心网上有几乎集中了当今通信与信息处理领域的所有最新技术。在核心网上使用电信网络和计算机网络的最新技术^I和移动IP实现了话音、电路交换和分组交换数据的多媒体传输是移动用户可以方便灵活地接入到电信和Internet:在终端和无限接入网上使用了信息处理领域最近几年发展的智能天线、多用户检测、Turbo编码、软件无线电等新技术.这些新技术的使用极大地增加了系统容量改善了传输质量降低了功耗和干扰是第三代移动通信系统可以在复杂的传输环境中提供比第二代移动通信系统更大的系统容量和更高的服务质量。同时第三代移动通信系统融入了先进的终端技术、朝大规模集成电路设计技术嵌入式实时多任务软件技术、微波与电磁场技术等多种技术充分体现了今后移动通信系统技术的发展趋势即多种学科、多项技术的相互融合与渗透..板状天线的发展板状天线是由微带天线发展而来微带天线是在带有导体接地板的介质基片上刻蚀成的导体薄片而形成的天线是当今较为流行的一种天线形式.早在年德尚(G..丸Deschaaps)教授就已提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念.但是在随后的近年里对此只有一些零星的研究.直到年由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求芒森(R。E.Munson)和豪威尔(J.Q.Howell)等研究者制成了第一批实用微带天线.随之国际上展开了对微带天线的广泛的研究和应用.年在美国新墨西哥州大学举行了微带天山东大学硕士学位论文IIB一线的专题会议年IEEE天线与传播会刊在月号上刊载了微带天线专辑.徽带天线已成为天线领域中的一个专门分支.从此以后微带天线引起了广泛的重视与研究各种形状的微带天线已在卫星通信、多普勒雷达及其他雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了广泛的应用。与普通天线相比微带天线具有如下优点:剖面薄体积小重量轻具有平面结构并可制成与导弹.卫星等载体表面共形的结构:馈电网络可与天线结构一起制成适合于用印刷电路技术大批量生产能与有源器件和电路集成为单一的模件便于实现圆极化容易实现双频段.双极化等多功能工作.微带天线的主要缺点是:频带窄:有导体和介质损耗并且会激励表面波导致辐射效率降低功率容量较小一般用于中.小功率场合性能受基片材料影响大.通常一个典型的微带天线的频带只有百分之几.为了拓宽微带天线的频带已经提出了一些具有实际意义的方法.如使用U型开槽贴片和厚基板.通过使用探针馈电的U型开槽贴片可以使得天线的典型带宽达到%.另外一种方法就是使用Pozar在年提出的耦合技术这种方法的缺点就是有相对较高的后瓣.使用这种方法进行馈电的单层贴片具有%的典型带宽双层贴片具有%的典型带宽.Pozar和Kajfmn在年提出了临近耦合技术以减小后瓣.这种技术是通过在馈电线上增加一个匹配电阻棒实现的使用这种技术可以达到%的典型带宽:若使用带固体功率放大器的有源微带子阵来组阵可获得相当大的总辐射功率..最近通过使用L型探针来扩展频带的新方法引起了各方的广泛注意因为通过使用同轴电缆对L型探针进行馈电的贴片天线.不仅具有微带天线的优点可使带宽达到.%.双层贴片能使带宽达到%但是多层天线的几何尺寸天线的技术可使带宽达到%.这就是徽带天线所用的探针贴片技术习惯上把这种天线称为板状天线.山东大学硕士学位论文IInllllII'.双频基站天线的应用目前微蜂窝移动通信系统都属于G即第二代移动通信系统GSM工作频段为~/~删zC跳AT作频段为~/~MHz.第三代移动通信系统即G有三层意思即年实现、工作频段为Iz频段和速率为kb/s.中国移动和中国联通的激烈竞争是GSM系统容量一扩再扩基站数一增再增小区覆盖越来越小.虽然频率的利用率提高了用户量增加了但相互干扰也增大了.所以在原有G的基础上向G的平稳过渡已迫在眉睫.而双频天线正适合这一过渡的需要.本次设计研制的板状天线是在微带天线的基础上发展而来的微带天线具有体积小重量轻易于安装等优点但是微带天线的频带很窄而扳状天线继承了微带天线的优点改进了微带天线的不足.板状天线通过L型探针馈电矩形贴片单层贴片可使带宽达到%双层贴片可使带宽达到%完全可以包容G和G所用的频段.双频基站天线可以使GSM与G。CDMA与G两频段在同一支天线上同时工作。互不影响.如果G网络铺开。将需要建设大量的基站建址建站费用昂贵这样就可以将原来GSN或CD砒基站上的GSI/I和CDMA基站天线换成现在的双频天线从而大量避免了重新建设新的基站的费用节省了基站上的空间使不同频段的信号收发自如就可实现G到G的平稳过渡.移动网络需不断扩容基站与基站之间的距离越来越近为实现优良的信号覆盖和极小的同信道干扰就需要采用零值填充上侧旁瓣抑制及下侧旁瓣余割平方分在技术.最终提高载波信噪比(C/T)优化话音质量和降低呼损率.本次设计研制的双频基站天线将采用波束赋形技术对天线的上旁瓣进行抑制下旁瓣零点填充使其具有优异的波束赋形特性.山东大学硕士学位论文.本次设计的主要任务本论文的主要任务就是完成一种基站用双频天线的设计包括G和G所用频段完成低频四单元高频八单元、低频六单元高频十二单元、低频八单元高频十二单元的制作与测试并经过调试使其达到国家标准.设计要求:此板状天线作为基站用所以要严格遵循国家标准天线的极化方式是垂直极化对单元天线的要求是驻波比$WR<I.增益>.半功率角为。前后比>dB输入阻抗为Q.一设计过程:单元方案的选取与实现功分器的设计与实现制作低频两单元高频四单元阵列天线设计低频两单元高频四单元的馈电网络测试并调试上述天线阵列保证其指标达到国家标准制作低频四单元高频八单元、低频六单元高频十二单元和低频八单元高频十二单元天线阵列调试使不同天线阵列的尺寸保持较好的一致性研究阵列天线的波束赋形技术天线仿真采用AnsoftEnsemble仿真软件功分器的仿真采用ZelendIED测试天线指标使用}lP网络分析仪.山东大学硕士学位论文mII第二章双频天线单元设计方案.辐射机理..辐射机理板状天线是由微带天线发展而来.微带天线的基本工作原理可以通过考察矩形微带贴片来理解.如图t贴片尺寸为矽上。介质基片厚度为hh<<厶厶为自由空间波长。微带贴片可看作宽矿长工的一段微带传输线其终端矽处因为呈现开路将形成电压波腹一般取L*丸/丸为微带线上工作波长于是另一端矿处也呈现电压波腹.该电场可近似表达为(设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化)E=Eocos(砂lb)(式)天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成由等效性原理可知窄缝上电场的辐射可由面磁流的辐射来等效.等效的面磁流密度为M=瑚x层(式)式中.E=皿j是z方向单位矢量痞是缝隙表面(辐射口径)的外法线方向单位矢量.可以看到沿两条形边的磁流是同向的故其辐射场在贴片法线方向同向相加呈最大值且随偏离此方向的角度的增大而减小。形成边射方向图.沿每条上边的磁流都由反对称的两个部分构成它们在日面上各处的辐射互相抵消而两条£边的磁流又彼此呈反对称分布因而在层面上各处它们的场也山东大学硕士学位论文图嗍尼。l}、Ⅷ~图lL管XI/r缆qf岛lW一kal掣囊缘图都相抵消.在其他平面上这些磁流的辐射不会完全相消但与沿两条矿边的辐射相比都相当弱。矩形微带天线通常都工作于n厶I模(或脚。。模)其场分布为』山东大学硕士学位论文如下图:ll、、E=风螂詈(式)图矩形贴片的场分布曲线对于踢“。模其磁流分布特点为:()TMol模的磁流沿口边没有零点沿边有个零点()两个相邻零点间隔为九/()每经过一个零点肘.便改变方向C)贴片四角处M。为最大值()^t沿周边的分布是连续的按正弦分布或均匀分布.由上可知矩形微带天线的辐射主要由沿两条形边的缝隙产生该二边成为辐射边.所以贴片可表示为相距M、同相激励并向接地板上空辐射的两个缝隙。也可以考虑电场沿贴片宽度的变化.这时微带贴片天线可以用贴片周围的四个缝隙来表示.微带天线实现多频段工作的基本方式可分为两类:多片法和单片法.多片法利用谐振频率不同的多个贴片来工作通常是将较小的贴片叠放在较大的贴片上称为积叠式微带天线.单片法仍只用一个贴片.而利用不同模式同时工作只利用加载来形成几个不同的谐振频率.从天线性能指标的角度考虑本论文采用多山东大学硕士学位论文片法来实现基站天线的双频...L型探针贴片天线’具体到L型探针贴片天线它相当于空气微带贴片天线其辐射机理为:通过与同轴电缆相连L型探针上将有交变电场电场方向为探针水平臂所指点方向交变电场将引起变化的磁场磁场方向与电场方向相垂直当磁力线垂直穿过贴片时将产生变化的电场这种变化的电磁场经过底板的反射后辐射出去.L型探针馈电贴片天线的结构如图:吖啊vk“厶OPto目口图Ca)L形探针微带贴片天线几何结构L型探针等效电路图如下图(b)L型探针等效电路图山东大学硕士学位论文lllllIllIIlll如图(”串连谐振部分为L型探针的等效电路并联谐振部分为贴片与底板之间的等效电路.在相当宽的一个频带内厶与厶趋向相等就可以展宽带宽.下面以天线的中心频率为G相应波长为厶为例来说明此天线单元的几何尺寸:矩形贴片Pl其宽度w=缸m(o.如)长度L=mm(.)用~块厚度为H=.mm(O.厶)的厚泡沫支撑.一条Q的微带馈线覆在厚度h=.ram(O.,)介电常数£.的电介质上微带线位于贴片下方对称的位置.贴片通过L型微带线进行电磁耦合L型微带线的垂直和水平尺寸分别为:aram(o.如)bram(O.如).L型微带线的垂直点距离贴片Pl的边缘的距离S=l唧(.Ao)天线以n‰I的方式传播L型探针馈电的双层贴片天线。是在单层贴片口)的上方再放置一块与之平行的贴片(P).坞.I日VIw图双层贴片结构图下面仍以中心频率为.G相应波长为气进行说明:嗍簸Wp=mm(O.Ao)长度Lp=L=mm(O..te)PimP距离底板的距离分别是H=mm(o.s气)和HpS.mm(o.如)双层贴片仍然由L型微带线进行激励其几何尺寸为a=n姗(o.如)和b=lo.(o.南)L型探针贴片之所以能展宽带宽是因为探针水平部分与贴片之间产生感抗而探针垂直部分产生容抗两者相互抵消才使得L型探针具有在较宽频带内的匹配阻抗.山东大学硕士学位论文I..T型探针贴片天线由于最初的方案是T型探针贴片因此有必要介绍一下T型探针贴片天线.T型探针具有L型探针的优点并且能够达到%的带宽.另外通过使用两个不同相位的T型探针给一个贴片馈电可以抑制不必要的探针辐射达到降低H面交叉极化并使E面的方向图保持不变的目的.T型探针的结构形式见下图:tongutorCh图T型探针贴片俯视图Z^图T型探针贴片后视图仍以中心频率f.=.G相应波长为如来说明贴片和探针的具体尺寸:矩形贴片的宽Wx=B(O.如)长度wy=m(.如)用厚度为H。.咖(O.气)的泡沫支撑T型探针的半径R=.mm(o.jo)高度和水平臂长山东大学硕士学位论文分别为Tv=.M(o.如)T.=衄(o.zlo).T型探针位于贴片的下方距离边缘D:l啪(.Ao).天线以下..的方式传播.贴片和T型探针在俯视图中以Y轴为对称轴.与L型探针不同的是T型探针的水平臂平行于X轴而L型探针.设计原理由于双频天线处在试制阶段本章的主要设计等间距等相位等幅的双频单极FeCe):s岸s国(式)sin(Ⅳ鱼掣)M蔫拭咱’F(D=艮(口)F口(刃(式)其中Fe(a)为单元辐射方向图Fa(e)为阵列的捧列特性垂直极化输入阻抗为Q增益>.驻波比SWR<I.半功率对于工作频率为正.有较高效率的矩形贴片辐射器其实用宽度为矽。寺单圳c式州式中c为光速。当选用小于式中的宽度时.辐射器的效率较低而选用大于式中的宽度时辐射器的效率虽较高。但这时将产生高次模从而引起场的畸变工:乓一Ⅳ(式)rog。山东大学硕士学位论文式中毛式等效介电常效厶是线伸长分别由下面两式给出=竽竿(可lOh.广’(式)、出.h(e,.XW/h.)(式)Q。.Xw/Jl.)。(式一儿)其中为驻波系数口为品质因数。因为这种天线为谐振式天线所以频带较窄加宽频带的方法有很多例如选用较厚、介电常数较低的基片改变贴片形状采用阻抗匹配网络加耦合贴片和枝节加载等方法.本次设计的天线就是采用空气介质L型探针耦合探针垂直部分产生感抗水平部分和贴片之间产生容抗。两者相消可增加天线带宽..方案一用上层贴片开孔的方式实现双频首先确定天线单元形式见下图:图中上层为一开孔方形贴片下层为方形贴片.其中上层贴片用来实现删z(中心频率为嘲z)下层贴片用来实现加.z(中心频率为Mltz).回图单元天线俯视图山东大学硕士学位论文一il图单元天线立体图图ll基站天线单元示意图..单元天线的几何尺寸和馈电方式...确定大小贴片的几何尺寸:由以上公式可以求得:大贴片的边长工。=un小贴片的边长为k=mm.需要指出的是以上数值的取得只是根据经验公式所得为一大概的数值.具体的数值需要在做天线的过程中反复调试以取得一个满意的结果....馈电方式为:上层贴片和下层贴片均采用L型探针进行馈电上层贴片中间开孔以避免阻挡下层贴片的辐射.首先考虑上下两层贴片均采用L型探手针进行馈电....仿真:用Autoead将天线的几何尺寸画出(具体尺寸为:小贴片距底板mm小贴片边长为哪大贴片宽mm中问开孔mm小探针的高和长分别为mm和啪大探针的高和长分别为m和re)然后导出为.sat文件.启动仿真软件hfss将得到的.sat文件导入进行仿真即可得到仿真结果.山东大学硕士学位论文蔟、罩赫嵝缈小k~。.。‘^图m'z时的仿真结果蕊、芒狲蹩黟图一姗z时的仿真结果由仿真结果可以得出:采用这种方式进行馈电上层大贴片的增益不高并且方向图较差下层小贴片的方向图没有出来.究其原因为。在上层贴片上开孔以减少对下层贴片的辐射的阻挡的同时上层贴片的容抗将要变小所致.因为通常在贴片和探针之间将产生容抗用以抵消L型探针垂直部分所产生的感抗正是由于这种相互抵消的作用才使得L型探针具有在较宽频带内的匹配阻抗.当上层贴片中间开孔时很难产生足够抵消摩抗的容抗因此频带变窄方向图不好.山东大学硕士学位论文.方案二:采用T型探针对上层贴片进行馈电之所以采用T型探针来代替L型探针来给上层开孔贴片馈电的原因在于T型探针和L型探针都遵循着同样的拓宽频带的原则:使用厚的介质层抑制探针的感应系数以使天线在较宽的频带内有良好的匹配性能通过使用T型探针在T型探针水平臂和贴片之间的容抗增加抑制了T型探针垂直臂所产生的感抗L型贴片拓宽频带的方法与此类似虽然T型探针水平臂的长度与L型探针的水平臂长度相仿但是它可以比L型探针馈电方式进一步拓宽%的频带...单元的设计:在对T型探针和L型探针有了较为深入的了解后确定单元天线的结构如下图所示:图基站天线单元示意图用Autocad将天线的几何尺寸画出(具体尺寸为:小贴片距底板mm小贴片边长为mm大贴片宽ram.中间开孔mmL型探针的高和长分别为mm和mm。T型探针的高和水平臂分别为m和mm天线底板宽mmT型探针和L型探针的间距为mm然后导出为.sat文件.启动仿真软件hfss将得到的.sat文件导入进行仿真即可得到仿真结果如图一.从仿真结果上来看高频波束宽度有些偏窄增益还可以而低频比较宽后瓣较大与实际要求相差不算太大可以进行实物的试制.山东大学硕士学位论文均.匹狲.藤嘤裂图MFtz仿真方向图臆瓣.蝶爹I。、‘。。图}肛Iz仿真方向图实际制作的天线与仿真的尺寸是有差别的.在实际制作天线的过程中需要考虑天线的匹配的要求。试制阶段只要驻波比小于(VSwIt心)既可测方向图。具体制作单元天线时的尺寸为:小贴片边长为mm上层贴片边长为mm中问开孔mm:L型探针高和长分别为mm和mmT型探针的高度和水平臂的分别为ram和mm上层贴片距底板mm小贴片距底板ramT型探针和山东大学磺士学位论文L型探针问的距离为m|贴片的厚度为.mm底板的厚度为mm.图是实物单元的测试结果圈MI..Iz方向图图一MHz方向图由实测的方向图可以看出.该单元天线仍有不少不足之处:低频(MIIz)部分有较大的后瓣。前后比比较低高频(MHz)部分的波束宽度不够分析其原因为底扳过宽所致。将底板宽度变窄可以相应的增加波束宽度.经分析通过调试能够达到要求因此在此基础上进行了阵列的设计...阵列的设计在制作出一单元天线的基础上通过使用功分器将此双频天线制作成两单元天线.在完成单元天线的基础上。采用直线阵列达到高增益的要求.设计了低频端的二元阵和高频端的三元阵.它们的馈电方式均采用电缆和功分器相结合的馈电方式.之所以将频段为MHz的大贴片设计为两单元而MIIz设计成三单元是因为低频部分的中心频率的波长mm高频部分中心频率的波长为A=.mm而天线单元之间的距离L的范围为:.^十。囊奉<L<I.五十。辩因此大贴片之问的问隅为<L走<mm小贴片之间的间隔为<L<mm.取小贴片之间的间距为mm则两个贴片之何的问距共为山东大学硕士学位论文ram.小于mm满足两个大贴片之间的间距要求.在确定了天线阵列的形式之后.器要考虑如何通过功分器和电缆给各个单元馈电.对于此二元阵和三元阵通过单元间距的不同和馈电点相位的不同可以实现波束赋形.从试制的角度考虑。首先进行的是单元天线等间距等相位馈电.因为采用的是等闻距等相位馈电因此通过功分器到相应探针的电缆的相位相差相应中心频率的波长Z的整数倍即通过一个一分二(一分四)的功分器到T型(L型)探针的二段(三段)电缆长度相等.或者相差中心频率MHz(ME)的波长的整数倍.此天线阵列的实物形式如下图所示一天线阵列后视图天线阵列俯视图山东大学硕士学位论文将制作阵列天线的时候与天线单元的变化是为了使得半功率角增大天线的底板由单元天线的衄减小到mm.以下为实测的天线阵列的方向图:图lMtIz方向图图MHz方向图由上两个方向圈可以看出该天线阵列具有较好的前后比和增益只是高频部分的波束宽度有些窄.方向圈是在驻波小于时测得的实际做成产品驻波要求小于.在调匹配时发现十分难调究其原因还是当上层贴片中间开孔时很难产生足够抵消感抗的容抗高低频之间的影响太大。致使带宽达不到要求.匹配也不好调。如果这样继续下去二、四、六、八单元的一致性估计会很差.单元数目越多。匹配越难调.此时不得不重新调整方案。需要指出的是。对于使用单层贴片的天线。T型探针完全在贴片下方单元天线的平均增益可以达到dBi.如果采用L型探针当L型探针完全在贴片下方时单元天线的平均增益也是dBi左右但是。如果L型探针水平臂的小部分不在贴片下方单元天线的平均增益可以达到.dBi。因此又考虑出了方案三..方案三:用双L探针和贴片实现双频天线’单元的设计此方案将高频部分的小贴片放到了低频部分大贴片的正上方这样可以不用在大贴片上开孔探针和贴片之间的容抗能够抵消探针垂直部分的山东大学硕士学位论文感抗减小高低频之间的影响.使能够达到所需带宽。同时低频部分的贴片又成了高频贴片的底板因此在调试时大贴片的宽度对高频的半功率宽度有很大的影响.天线单元示意图如下:图双L型探针双贴片示意图对于这种方案是比较满意的。因此进行了实物制作.当调试到驻波小于时进行了方向图的测试。此时制作的具体尺寸如下:底板宽m大贴片为矩形宽m长m小贴片为正方形边长为m大探针高m长m:小探针高m。长m:大贴片距底板m小贴片距底板m.制作实物后测得的方向图如下:图瑚z方向图图M财向图由上述方向图可以看出该方案实现的双频天线。波束宽度稍窄一些.可以通过调试使其达到要求在频率范围为/姐z内实现双频使得该天线的应用更加广泛.由方案三所测的方向图可以看出该方案还存在一些需要修改的地方虽然当至銮兰至主:笔兰兰在较宽的频带内实现了双频但是方向图的波束宽度与要求达到的值尚有较大的差值同时前后比不高.使得天线的增益不太理想.考虑到大贴片上与小L型探针相连的电缆在大L型探针的正上方会对天线的阻抗匹配有一定的影响且对馈线的布线也产生了很大的麻烦。因此。将双L型探针实现双频的结构进一步修正为:由L型探针水平臂指向同一方向改为相差.具体形式见下图:图L型探针指向相反在结构上.多片法更能实现宽频带提高增益可是低频已经不能采用双片而高频可以采用双片法既是在小贴片的上方再加一个小贴片其示意图就是在图一的最上层的小贴片的正上方上再加一个边长为zm的正方形贴片这样可使高频的带宽增加并且能提高其增益。图为方案改进后的单元实物图图单元实物图当奎銮主罂圭:竺兰兰以下为上述天线测得的驻波和方向图:圈B姗Z方向图圈MHZ方向图’、k/\墨/、、虱$MHz单元天线的驻波.....一..当銮奎兰璧圭兰竺兰兰......一..fl|l/^o{、f{/\夕{~/\/\.。臣lO一姗z单元天线的驻波由测试结果可以看出半功率宽度在度的范围内驻波也在左右说明这种方案是非常可行的.在对天线的尺寸进行了细微的调整后其驻波降到了.以下.可以在此基础上进行馈电网络和阵列的设计了山东大学硕士学位论文第三章馈电网络与阵列的设计设计好天线单元的结构和尺寸后。就可以进行馈电网络和阵列的设计了.馈电网络采用微带功分器与馈电电缆相结合的方式馈电电路中将使用微带一分二、一分四和一分六的功分器.如低频四单元高频八单元的阵列天线的馈电网络中低频部分采用一个一分四的功分器信号源到达功分器分成四路等幅同相的信号。经馈电电缆到达探针.高频部分采用一个一分二的功分器和两个一分四的功分器信号源首先到达一分二的功分器分两路等幅同相输出这两路分别连接两个一分四的功分器作为其信号源每个一分四的功分器再将信号分成四路等幅同相输出经馈电电缆到达探针经贴片耦合后辐射出去.功分器是馈电网络中不可缺少的部分设计的功分器要求反射较小两端口输出信号幅度接近中心频率处相位相同.下面以一分二功分器来说明功分器的设计过程..功分器的设计.由于要求功分器的工作频带较宽而增加变阻器节数可以加宽工作频带确定采用T形结构结构图如图.所示.图一分二功分器结构图山东大学硕士学位论文()理论计算下面计算各个参数:Zo=欧姆在T形节处两分支的并联阻抗等于zo所以Z=/欧姆zIi=:i=止豸i而..欧姆为了防止雷击形成的瞬时电流损坏功分器和天线通常在T形结处加一条短路线它的长度为四分之一波长因此在工作频段内对输入信号来说是开路的而且它的特性阻抗取得比较大(欧姆)对T型结的其他分支几乎没有影响.接下来计算每段微带线的宽度与厚度比(wm)所用覆铜板的相对介电常数为c严.。厚度h=.mm老略当鲁洲c式s一可旦坠&广当孚l时(式)里.一一.h一生r。.jI。监盟o警{(式)、形’’^使用计算机编程计算W/h分别求解两种情况下的解.求解方法采用牛顿以计算特性阻抗欧姆微带线的程序为例进行简单说明.r/h=x则h/lr=/x先取两个x分别为x和x】代入公式|的£。公式pl可以改写为:业(一与‘."里磐(式)xxzcs。x和x以及L代入上式左端得到结果分别为result和如果两者乘积为负值说明在xC和x区间内必有一解.进一步fⅡx的中值x计算相应的result如果result和result】皂是负值说明解区间可以进一步缩小为x和x之间可以用x山东大学硕士学位论文取代x继续循环直到result的值达到误差范围终止循环。此时的x【】就是W/h的值.程序代码如下:./h<l时#include’stdio.h’#include。mth.h’//functionofcomputeW/h(whileW/h)’main{floatxala=resultEeEr=.://Ee和Er分别代表s。和rinti:x=.x=o.:do{//计算Ee和偏差resultfor(i=:i<:i)’{Ee=(Er)/(Er一)/(*sqrt(lOfxi)):al=*exp(r*sqrt(Ee)/):resulti=xi*xial*xia,}if(result*result<)//此时在】【【和x区间内必有一解{I=(xx)/:Ee=(Er)/(Er一)/(*sqrt(lO/x)):山东大学硕士学位论文al=*exp(r*sqrt(Ee)):result】=x宰x【alx【a:if(result*resultI<)x=x】:elseif(result*result(o)x】=x:while(abs(result))lOe一):printf(’Thefinalresultis:%fEe=%f”x】Ee):l.W/ll>时.#include’stdio.h’#include’math.h’//functionofcomputeW/h(whileW/h>)mainO{doublex【】。resultEeEr=.Zc。xO//Ee和Er分别代表毛和‘intiJ:x【=x=zc【】=Zc=.Zc=result=:do{for(j=i<。j付){x】=.x=loresult=:while(fabs(result)>O.){山东大学硕士学位论文脚~~~一一。一一一一一。一一一一一一一一一~一一.山东大学硕士学位论文{由计算得到的/和下面的公式可以求得x。等:卜s轷峥”掷{抑川删c抄s结果如表所示:表.一分二功分器各段微带线参数的理论计算值序号I特性阻抗zI(欧姆)W/hW(mm)Li(mm)O...l..l..looO...通过查阅参考文献】。确定了T形结的结构如图所示其中aO.W=.ram.图T形结结构图同样根据参考文献确定拐角处的结构如图所示其中L=O.Wo.ram.图拐角放大图有了这些数据就可以设计出功分器的尺寸并进行仿真了将上述尺寸结构输入到IED软件中进行仿真得到的仿真结果如下.砖曩奠书书I:oII’L一.二l!.‘一.:一一:.Ili一!一!’。’。II’‘Il'.If!II!一IlllI:。I。III一..!..II}J!‘X.l:ll!I。il/。N:.:./:lIl巧爵l五l葛再"晴Ih呻*审ccI图~仿真结果t:暑irIotI.。啊Mn.一茸^r.nd睃:口一^^I:一lqtq.eIItIiq.jd一一V~.。’~、‘天。强弓tt矗嗣.口碡a卅fSt^n日dj.n儡".lIokc舭I曲.I:陬^‘injz£d。.JII:e.da】.S'll譬:'.霉.Sl。llJ}叶lj.a一一.'lllh’Bq.a一习I..'IIIII图功分器测试结果山东大学硕士学位论文如果结果不符合要求可以调整功分器的尺寸然后重新仿真。知道达到要求也可以利用IED的优化功能直接制定要调整的尺寸范围、调整方向以及优化目标IED就可以自动进行优化达到目标时自动停止.下图即为设计出的低频一分二、一分四和一分六的功分器结构图:iIl‘\图一分二结构图图一分四结构图图~分六结构图山东大学硕士学位论文其余功分器设计原理相同就不再一一详述..阵列和馈电网络的设计..单元间距的设计:根据上述单元尺寸制作了低频两单元高频四单元实物在制作过程中首先要考虑单元间距若要考虑增益则要求单元间距d>R/若要考虑压低副瓣则要求d<.五通常取X/<d<.五五为中心频率波长。考虑间距要对高频和低频都合适按上述要求高低频的单元间距范围没有交集故可以采用低频间距为高频间距倍的方法这样高频单元数总是为低频的两倍如果没必要的话可以将两头的高频部分去掉即可...馈线网络的设计:高频部分采用三个一分二的功分器信号源到达功分器后分四路等幅同相输出经电缆到达四个探针.低频部分采用一个一分二的功分器信号源到达功分器后分两路等幅同相输出经电缆到达低频的两个探针.阵列实物图如下:图阵列俯视图图阵列后视图山东大学顼士学位论文最初采用的单元间距为:低频为ram高频为Ira。测得方向图如下:图一ll肼IZ方向图图一E"IZ赋形图图EIZ方向图图l,{Z赋形图分析:低频基本达到要求增益达到了dB前后比达到了.半功率波束宽度为’赋形也是正确的可是低频的副瓣比较大要压低副瓣就要减少单元间距。而高频的赋形不正确致使后瓣很大前后比很差增益不够。究其原因原来高频单元有在低频贴片上面的有在两个低频单元之闻的所处位置的高低不同辐射的波形到达同一高度时有波程差致使两种位置的高频辐射到同一点时相位不同因此赋形不正确.改进措施:对于低频就应该减少单元间距这样才能压低副瓣低频的单元间距变小高频的也相应的变小。因此将低频的单元间距改为m高频的单元间距相应的变为'一。对于高频的波程差问题可以通过电缆来补偿将两种高频的垂直差距折合到电缆中。改变电缆的长度即可.改进后的阵列测试结果如下图M}IZ方向圈图心IZ方向图图姗IZ方向图图kaIZ赋形山东大学硕士学位论文l:lrd"IrPBnmL.oDIq.dRrI.‘oH^l:H‘r白.eHHt{q日cl,.一^:H‘.a.一eIHt一//'k/、./’、/\/、.r{图低频驻波曲线图金日口s.娆一日lq:‘:噜|Heat:,‘r】自.日eaHHzl.j、、、、、八乙一/\/l詹一\厂、/、j’\一/t:l}.日日B:a.叠叠B岛’tiff.日臼D鼋:la.矗a自口d卫Bt.一B。iBB一a.il.qB曼兰璺l:HK芒(HdzlI:q。口臼B白'B.国国a:日a.矗D口日噜:La.Ba国圈高频驻波曲线图由测试结果可以看到方向图半功率宽度前后比以及增益、赋形都已经达到要求其中高频部分由于是双贴片结构增益已超过DB且前后比达到了低频部分前后比也超过了S增益达到了dB半功率宽度均在。的范围之内.高频部分的驻波由于调试的到位都在.以下完全符合小于.的要求低频与高频相比虽然差了一些可是也都在.以下.完全符合要求.从驻波中l吣堙引屿翰山东大学硬士学位论文可以看出双贴片能够在较大程度上展宽带宽.测试结果完全符合要求因而在此基础上继续制作低频四、六、八单元即高频八十二单元的阵列天线.对于高频做到十二单元增益已经达到了dB没有特殊要求没有必要做到十六单元.故在低频的六单元和八单元高频都做十=单元就可以了.下图为低频八单元高频十二单元的馈电网络图图l馈电阿络图.阵列实物及测试结果低频四单元高频八单元的设计

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