《通信工程毕业设计（论文）-带状线馈电宽带单极子天线的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信工程毕业设计（论文）-带状线馈电宽带单极子天线的研究.doc（54页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、南京邮电大学毕 业 设 计（论 文）题 目：带状线馈电宽带单极子天线的研究 专 业： 通信工程 学生姓名： 班级学号： B07021733 指导教师： 指导单位： 南京邮电大学 日期：2010年 11 月 1 日至 2011年 3 月 18 日摘 要因为平面几何型和全方向发散的缘故，最近在移动通信系统里被视为重点应用的天线包括偶极子/单极子天线，可以采用印刷电路板工艺实现。为了适应现代移动应用技术的需求，这种印刷天线如何用更少的尺寸和带宽来工作被特别的重视。提出一个带状线馈电宽带梯形单极子天线的宽带的设计去改善带宽和减少印刷单极子天线的长度。梯形单极子天线选择一个适当的尺寸，去明显的改良单极子
2、天线传输给带状线的响应。另外，还应该增加梯形单极子天线的有效电流回路, 与同样长度的条带单极子天线对比，所需的固有工作频率有所减少，下面将呈现和讨论此梯形单极子天线的设计和特性。全文主要内容与贡献如下：（1）论文首先探讨了带状线馈电宽带单极子天线的概念、基本理论和性能参数，为带状线馈电宽带单极子天线的设计提供了理论依据和分析基础；（2）在理论研究的基础上，以经典的条带单极子天线为研究对象，利用全波电磁场计算软件进行大量的辅助计算，从多个方面考虑天线结构的优化；（3）最后，在大量的实验仿真数据计算后，实验结果与理论假设良好的吻合表明，本文的设计是成功的。关键词：；带状线馈电宽带单极子天线；全向天
3、线；IE3DABSTRACTOwing to their flat geometry and omnidirectional radiation, printed dipoles or monopoles on a dielectric substrate have received much attention for applications in mobile communications systems，can be achieved by printed technology. To meet the requirements for modern mobile applicatio
4、ns, such printed antennas with reduced size and broadband operation are of particular interest. For ths purpose, we present in this papers a simple design of a printed trapezoidal monopole for improving the operatingbandwidth and reducing the length of a printed strip monopole. By choosing a suitabl
5、e size of the trapezoidal monopole, it is expected that the impedance matching of the monopole to the feeding stripline can be significantly improved. Furthermore, due to the increased effective current path in the trapezoidal monopole,as compared with a simple strip monopole of the same length, the
6、 required monopole length at a fixed operating frequency can be reduced. The design and characteristics of the printed trapezoidal monopole are presented and discussed. The main content of this dissertation includes: (1) The concept, basic theory and parameters of stripline-fed printed trapezoidal m
7、onopole with broadband operation are discussed first. Useful design and analysis guidelines are concluded;(2) Then, based on the theoretical knowledge on wideband directional antennas, various aspects of the structure of a classic simple strip monopole antenna have been considered for optimization,
8、with the aid of full-wave EM simulator;(3) Finally, In a large number of simulation and data computation. The well accordance between experimental and numerical results show our design is successful.Keywords：Stripline-fed wideband monopole antenna; Entire antennas; IE3D目 录第1章绪论11.1天线的一般概念11.2带状线馈电宽带
9、单极子天线11.3电磁场数值计算与微波电路CAD软件简介21.4本文内容简介3第2章天线的基本参数52.1天线的匹配性52.1.1匹配特性的引入52.1.2输入阻抗62.1.3驻波比72.1.4回波损耗72.2天线的方向性82.2.1方向特性的引入82.2.2方向图82.2.3增益102.2.4前后比102.3天线的频带性102.4天线的极化性112.4.1波的极化112.4.2天线的极化13第3章仿真与分析153.1IE3D的使用153.1.1IE3D中天线结构的绘制153.1.2IE3D中天线的仿真分析183.2原天线结构24图3-17 (a)25图3-17(b)253.3原天线性能仿真分
10、析253.3.1原天线仿真结果263.3.2原天线各项参数分析303.3.3原天线性能评价303.4改善方案303.4.1天线结构优化的基本原则303.5各项改进措施及对比分析313.5.1改变底板大小后对驻波比的影响313.5.2对带状线开槽后对驻波比的影响323.5.3改变带状线图形对回波损耗的影响。363.6改善后天线结构与仿真分析413.6.1优化后天线结构413.6.2与原天线在回波损耗上的改善423.6.3改善后天线各项参数的分析423.6.4改善后天线性能评价46结束语47致 谢48参考文献49南京邮电大学2007届本科生毕业设计（论文）49南京邮电大学2007届本科生毕业设计（
11、论文）第1章 绪论天线可以说是一门既“古老”又“现代“的学科。其基本理论电磁场与微波理论逐渐成熟，而其分析和设计方法却不断推陈出新，展现出了蓬勃的活力。本章主要从应用的角度，介绍了天线、特别是带状线馈电宽带单极子天线的一般概念。另外，本章还介绍了电磁场仿真软件的发展和应用，为后续章节提供工具基础。1.1 天线的一般概念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1。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。从工作过程来看，
12、任何一个无线通信系统都应包含发射、接收和电磁波传播三大部分，而发射和接收电波都需要天线。图1.1给出了无线通信系统的简单框图。图1.1 无线通信系统中天线的位置天线品种繁多，以满足不同频率、不同用途、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；等等分类2。本文所设计分析的，就是一种移动通信用带状线馈电宽带单极子天线。1.2 带状线馈电宽带单极子天线天线是任何无线电系统必不
13、可少的组件。它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无线电信号的传递。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
14、线电系统要求超宽带天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。超宽带天线与常规的窄带天线在辐射原理上并没有本质区别，超宽带天线是在常规的窄带天线基础上发展起来的，其主要研究内容是探索频带宽度极大地扩展之后给天线带来的新理论、新技术和新方法。1.3 电磁场数值计算与微波电路CAD软件简介由上述的研究背景可见，各种新型天线层出不穷、结构千差万异。若仍然借助传统的解析计算方法或单纯的工程估算、结合实验调试，不仅繁琐耗时、工作量巨大，而且成本高昂、效率低下，精度也相当有限，难以满足新型超宽带天线设计、分析的迫切需要。为了满足新型超宽带天线研制的需要，实际分析设计中，电磁场数值计算软件已
15、经成为每个人必不可少的辅助工具。经过二十多年的发展，随着计算机处理能力的迅猛发展，计算电磁学已经由上世纪60-80年代的纯理论研究阶段转入全面实用化阶段，并出现了一系列基于不同算法、比较成熟的数值计算软件，即所谓的“全波电磁场计算软件”或“微波电路CAD工具” 3。这些软件以目前理论上成熟而流行的有限元法（FEM）、矩量法（MOM）、时域有限差分法（FDTD）等为主要内核算法，配以简洁的可视化用户界面，在微波集成电路设计、电磁兼容性分析、天线设计、电磁散射等不同应用领域中取得了广泛的应用。根据算法的差异，这些软件主要可以分成三大类：基于矩量法的全波分析软件，主要代表软件有美国Zeland公司的
16、IE3D、HP公司的ADS-Momentum和德国Ansys公司开发的FEKO等；基于有限差分法的全波分析软件，主要代表软件有德国Computer Simulation Technology公司开发的CST Microwave Studio和美国Zeland公司开发的FIDELITY；基于有限元法的全波分析软件，主要代表软件有美国Ansoft公司的HFSS。天线问题本质上是一种电磁场边界值问题，求解的方法很多。矩量法其中一种流行而有效的数值方法。R. F. Harrington在计算电磁场的矩量法一书中对其原理及过程进行了详尽的介绍。它所做的工作是将积分方程化为差分方程，或将积分方程中积分化为
17、有限求和，从而建立代数方程组，主要工作量是用计算机求解代数方程组。在矩量法求解代数方程组过程中，矩阵规模的大小涉及到占用内存的多少，在很大程度上影响了计算的速度4。美国Zeland公司的矩量法软件IE3D（如图1.3）的部分核心算法是基于积分方程的矩量法，采用离散复镜像法和迭代法求解矩阵方程而大大提高计算的效率和精度；该软件对多层介质、金属混合结构平面电路的分析特别有效，已被广泛用于各种平面电路与单片微波集成电路（MMIC）设计、高速电路封装互连的参数提取、微波电路不连续性分析、平面天线设计等领域中。该软件以其计算速度快、精度高、节省资源等优点而于上世纪 90 年代初被列为平面微波电路的标准计
18、算软件之一。图1.3 基于矩量法的IE3D软件人机界面本文就是根据设计平面天线的需要，利用基于矩量法的商用电磁仿真软件IE3D进行辅助设计，开发并制作室内分布系统用的宽带定向天线。限于作者的水平、精力以及知识产权保护等问题，在后续章节的研究工作中，将主要采用IE3D电磁场计算软件，进行宽带定向天线的分析和设计。1.4 本文内容简介第一章：绪论。主要包括宽带定向天线及电磁仿真软件介绍，详细介绍了移动通信用宽带定向天线的基本概念，并列举了多种电磁仿真软件的分类应用及介绍了IE3D软件的基本理论。第二章：天线的基本参数。详细介绍了输入阻抗、增益、方向图、极化等重要的天线指标参数及其概念，论述了他们对
19、天线性能的影响。第三章：仿真与分析。首先引用经典的条带单极子天线结构模型，然后，根据相关天线理论的指导，利用IE3D软件修改宽带天线的尺寸参数和修改结构，改善驻波比VSWR等天线指标，分析对比与原天线的性能差异，确定天线性能达到设计目标。第四章：实验与分析。制作天线试样，进行实验测量，整理实验数据，分析测量数据和设计数据的差异，确定天线是否可以达到设计目标。结束语：总结全文完成的工作。第2章 天线的基本参数掌握天线的设计，就必须掌握表征天线性能的主要参数。首先，天线的效率是用来衡量天线将高频电流或导波能量转换为电磁波能量的有效程度，考虑天线的效率就是考虑天线的匹配性能。在匹配性方面，天线的基本
20、参数包括输入阻抗、驻波比、回波损耗等。其次，天线的方向性也是天线工作时的一个重要特征。不同的系统要求天线具有不同的方向性，工程中常借用一些方向参量方向图、波瓣宽度、天线增益、前后比等来描述天线的方向性能。再次，通过天线传送的信号通常是非单一频率的高频信号。因此要求天线的工作频带要有一定宽度，对于各种频率都能符合天线各项设计指标。最后，平面波有极化特性，所以天线也有极化特性。极化方式包括水平极化、垂直极化、正交极化等。本章就以上四个方面探讨天线的各项参数。2.1 天线的匹配性2.1.1 匹配特性的引入在天线的方向性讨论之前引入天线匹配性的讨论，是从“天线可以看为一种换能器” 5的思想出发的。基于
21、这种观点，天线将被作为一种这种装置具有最小的电抗储能将导波能量转化成辐射能量的装置（如图2.1）。图2.1 作为换能器的天线值得注意的是，上述观点是把天线视为一种发射装置来论述的。然而，天线按工作状态分两大类：发射天线和接收天线，显然后者在数量上占压倒多数。为什么迄今为止只研究天线的辐射性能呢？原来，绝大多数天线具有可逆性，即天线用作接收天线时的特性与其处于发射状态时的特性是相同的。众所周知，一个凸透镜，如果在其焦点上放一个点光源，那么在透镜的另一侧就形成平行光束，这时的透镜处于“发射”状态；反之，如果一束平行光正人射到该透镜的一侧，那么另一侧的焦点上就出现细小的光点，这时的透镜处于“接收”状
22、态。“接收”时聚焦性能好的透镜若用于“发射”，则产生的平行光束质量也高；反之亦然。这就是著名的透镜可逆性原理。光波和电磁波都是波，自然科学总是有令人感慨的相似之处天线的可逆性跟透镜的可逆性并无本质不同，其机理都源于电磁理论中的洛仑兹互易定理6（本文略去了用洛仑兹互易定理证明收发天线可逆性的冗长过程）。既然如此，我们通常将天线视作发射天线进行分析，因为这样做比直接分析接收天线要简便许多。纵上所述，“天线可逆性原理”把天线问题化为发射天线的问题，“天线可以看为一种换能器”的思想把发射天线的问题又进一步化为天线的匹配性问题。从本文宽带定向天线设计涉及的角度，下面只讨论天线匹配特性中的输入阻抗、驻波比
23、、回波损耗。2.1.2 输入阻抗天线输入阻抗Zin指的是天线输入端所呈现的阻抗，所以它应是天线馈电点的电压和电流之比。输入阻抗是一个复数，包含其实部的电阻分量和虚部的电抗分量7。同时，它是频率的函数，随频率的变化而不同。一般移动通信天线的输入阻抗为50。之所以要定义输入阻抗，是因为天线总要与馈线相连（见图1.1），然而发射天线毕竟不是普通意义上的单端口器件，它“吃进去”射频功率，“吐出来”辐射功率，所以这个有点特殊的负载阻抗应记作Zin，称为天线的输人阻抗。为了减少转换能量时的反射损耗，尽可能的把能量发射出去，天线的输入阻抗应与馈线匹配（如图2.2）。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是
24、纯电阻且等于馈线的特性阻抗，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量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。图2.2天线把传输线阻抗与自由空间阻抗匹配起来所以说在一个天线系统中，其输入阻抗直接影响天线能量的输入或输出的效率，可以把输入阻抗视为影响天线匹配性能的“直接因素”。然而天线输入阻抗与天线的结构、尺寸及使用材料等有关，计算比较复杂，通常用测量的方法来确定。在本文后续章节的分析中，输入阻抗可以从IE3D软件仿真的史密斯圆图上得到。驻波比和回波损耗同样是表征天线匹配特性的重要参数，它们和输入阻抗之间都有直接的
25、函数关系，而人们更习惯上用驻波比和回波损耗描述天线的匹配特性。下面分别介绍这两种参数。2.1.3 驻波比驻波比是行波系数的倒数，其值在1到之间。当天线的输入阻抗Zin与传输线的特性阻抗Zc不匹配时，便在传输线上形成驻波，驻波比表明天线的输入阻抗与传输线特性阻抗失配程度。当驻波比VSWR=1时，系统完全匹配，实际工程中不可能实现；当VSWR1.5时，系统匹配优良；当VSWR2时，系统匹配良好；当VSWR3时，其匹配程度尚可使用；VSWR3时被认为匹配比较差。总而言之：驻波比越小匹配性能越好。一般宽带定向天线要求驻波比VSWR2。从理论上精确计算每个辐射天线元的自阻抗与互阻抗特性非常困难，而在天线
26、设计的过程中，可以用IE3D等电磁仿真软件来得到天线的驻波比VSWR。鉴于此，本文在后续章节的分析设计中，将驻波比作为衡量所设计宽带定向天线匹配性的主要参数。2.1.4 回波损耗回波损耗是反射系数绝对值的倒数，一般以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在IE3D中同样可以通过仿真直接得到天线的回波损耗。2.2 天线的方向性2.2.1 方向特性的引入 在2.1.1节中，天线被视为一种“换能器”，从这个角度，发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去。然而发射天线基本功能之二是把大部分能量
27、朝所需的方向辐射。所以，天线还可以被是视为一种有特定方向的“辐射器”（如图2.3）。图2.3天线可以被视为具有特定方向的辐射器天线的方向性，直接反映天线辐射场的幅值或辐射功率的空间分布，无疑这是天线最重要的特性参量。不同的系统要求天线具有不同的方向性，工程中常借用一些方向参量方向函数、方向图、方向系数、天线增益等，来描述天线的方向性能。从理论层面看，方向函数是核心；从工程角度看，方向图是关键；如果只允许用一个数字描述天线方向性的强弱，则非方向系数莫属。从本课题所设计的宽带定向天线及其设计指标出发，本文只讨论方向图、增益、前后比。2.2.2 方向图方向函数的图像就是天线的方向图。天线的方向图是用
28、来描述电磁场强度在空间的分布情况，它是一个三维的立体图形（如图2.4）。图2.4 在z方向的电流元的立体方向图IE3D仿真软件可以直接得到天线的立体方向图。三维方向图形象、直观，尤其是三维极坐标方向图的方向感与空间实际完全一致。缺点是手工绘制时比较困难，视角的选择也很有讲究，故不及平面方向图用得广泛。工程上通常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线的方向性，他们分别称为E面和H面的方向图（见图2.5）。这样已经足够表示天线的方向性和给出必要和有用的数据，同时也大大减少了绘制天线方向图的计算开销。图2.5在 z方向上的电流元的E面（a）和H面（b）方向图为了绘制E面、H
29、面方向图，首先要找出E面和H面：E面是通过天线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面；H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的面。其实寻找主平面有更简便的方法：能够将电流包含进去的那个平面就是E面。例如线电流，只要沿z轴流动，子午面就是其E面，因为子午面过z轴；又如电流小环，电流落在x-y水平面内，故水平面就是其E面；能“腰斩”电流的平面是H面。平面方向图，常分裂成波瓣状，故方向图又常称为波瓣图（如图2.6）。其中含最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其他依次称为旁瓣（边瓣）、后瓣（尾瓣）等。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度。波瓣宽度越窄，方向性
30、越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。图2.6天线的波瓣图2.2.3 增益所谓天线增益不是指天线像晶体管那样的有源器件。当天线用在系统中（譬如说用作发射天线），人们不仅关心它的方向性，而且天线从传输线获得的输人功率转化成辐射功率的效率是否足够的高，也是很重要的。增益G可以描述如下：天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 也可以这样来理解增益的物理含义为在一定的距离上的
31、某点处产生一定大小的信号。同时，天线增益是与空间位置有关的函数，在一般的天线方向图中，最大辐射方向上的电平值，记为天线的增益G(dBi)，字母i表示该增益是相对于各向同性辐射器而言。工程中也有用半波振子作为参照，即增益单位为(dBd)，只是G(dBd)=G(dBi)-2.15。在IE3D中，通过仿真分析，可以很方便的得到天线的增益。2.2.4 前后比在天线的方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。天线的前后比表明了天线对后瓣抑制的好坏。2.3 天线的频带性无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度
32、有两种不同的定义：一种是指：在驻波比SWR2条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过2时，天线的工作频率范围8。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。实际上宽带天线的主要指标与一般天线有一致的地方，也有特定要求。天线的频带宽度指的是其主要电指标如输入阻抗、增益、主瓣宽度、副瓣电平、极化特性等均满足设计要求时的频率范围。通常情况下，宽带天线的各项指标是随频率变化的，若同时对几项指标都作具体要求时，则应该取其中
33、最严格的要求作为确定天线带宽的依据。本文在后续章节的讨论中，将驻波比VSWR作为确定天线带宽的主要依据。2.4 天线的极化性2.4.1 波的极化一个随时间作正弦变化的单色平面波，可以用频率、振幅、相位和极化来描述。前三个参数比较简单，本文不做介绍，但极化的概念略显隐晦。天线的极化是指在最大辐射方向上远区电场的极化。下面先讨论平面波的各种极化，然后直接从波的极化转入到天线的极化特性。一个局域源天线辐射的波的等相位面，在一个小的观察范围内近似于一个平面，称为局部平面波，其电场和磁场也位于一个平面内。一个平面波的极化，是指在某个固定的观察点上时变电场的轨迹图。图2.7所示垂直极化波即是一例，实线表示
34、出了在一个给定的瞬间，电场随空间的变化。随着时间的推移，给定观察点的电场Ex将沿着一条垂直线作往复振动。图2.7中的虚线表示磁场，除垂直于电场外，磁场的瞬时空间变化与电场完全相似。像自然光那样的电磁波，极化还可能是非周期的、随机的，但天线不可能产生那种随机极化的波，故本文不予讨论 。图2.7某瞬间垂直极化波场强空间分布（实线为电力线，虚线为磁力线）一般来说，在固定的观测点上看到的电场矢量末端（箭头）的轨迹多半是椭圆形，故椭圆极化为普遍情形。椭圆极化有两个重要特例。(1) 如果电场矢量沿着一条线往复运动，那就称为线极化，电基本振子或直线电流分布产生的辐射场就是线极化的。线极化又分为垂直极化（图2
35、.8a)和水平极化（图2.8b)。在天线工程中，通常取地面为参考，若电场矢量与入射面（由入射线、反射线和法线构成的平面）平行，则称为垂直极化；反之，若电场矢量与人射面垂直，反而称为水平极化。(2) 如果电场矢量的长度不变但末端作圆周运动，那就称为圆极化。既然是旋转，就有两个不同的绕行方向。如果波由远而近朝着观察者而来，并且电场矢量末端顺时针绕行，那么它是左旋圆极化，满足左手定则：左手的拇指伸开指向波的传播方向，其余四指握拢所代表的即是电场E的旋转方向。如果旋转是逆时针的，那么它是右旋圆极化。左旋和右旋圆极化如图2.8c和2.8d所示。图2.8e和2.8f表示普遍情形，分别是右旋和左旋椭圆极化。
36、图2.8波的各种极化状态（波朝着观察者而来）2.4.2 天线的极化天线的极化是天线发射时所辐射的波的极化，于是，可以将对波的极化的讨论直接应用于天线。一个天线所辐射的波的极化往往是随方向变化的。通常，依据主瓣最大辐射方向的极化特征来描述某天线的极化。然而，旁瓣的极化与主瓣的极化会有很大的不同。欲测量一个天线的极化，E-和E-都要做完整的测量。IE3D在仿真分析时，可以很好的完成它们的测量。天线的可逆性不仅确保天线的辐射和接收方向图是相同的，也包括极化属性在内。一个发射天线和一个接收天线（最大方向对准发射天线），如果它们的椭圆轴比、极化以及主轴的位置都一样，那么它们之间是极化匹配的；反之，则称为
37、极化失配。例如，一个右旋圆极化接收天线和一个右旋圆极化波是极化匹配的。作一个机械学类比，圆极化发射天线好比是螺丝，圆极化接收天线好比是螺母，只有旋向一致，螺钉螺母才能进出自如。在垂直于矢径r的平面（即波前或等相位面）上，可以将电场矢量分解为两个相互正交的极化分量。对于倾斜的线极化可分解为垂直和水平极化分量；对于椭圆极化则可分解为两幅度不等、旋向相反的圆极化。与设计初衷一致的称为主极化分量，而与之正交的非预期的极化分量称为交叉极化或寄生极化。由于无线电波的极化形式是由发射天线以及传播过程中的条件决定的，因此，在设计某一信道两端的收、发天线时，需针对传播条件考虑天线的极化形式，以满足极化匹配的要求
38、。应尽可能地减小交叉极化分量，以避免不必要的能量蚀耗。主极化分量越强、交叉极化分量越弱，就称极化隔离度高。第3章 仿真与分析经过二十多年来的发展，随着计算机处理能力的迅猛发展，计算电磁学已经由上世纪60-80年代的纯理论研究阶段转入全面实用化阶段，并出现了一系列基于不同算法、相对成熟的商用软件，即所谓的“全波电磁场计算软件”或“微波电路CAD工具”。这些软件以理论较成熟的有限元法（FEM）、矩量法（MoM）、时域有限差分法（FDTD）等流行算法为主要内核，配以友好的可视化用户界面，在微波集成电路设计、电磁兼容性分析、天线设计、电磁散射等不同应用领域中取得了广泛的应用6。考虑到知识产权问题，本次
39、毕业设计我们将使用美国Zeland公司的IE3D软件作为辅助设计工具。本章就是在借助IE3D强大的仿真功能的基础上，首先引用经典的条带单极子天线结构模型，运用“控制变量法”的思想，利用IE3D软件修改宽带天线的尺寸参数或直接更改结构，改善驻波比VSWR等天线指标，分析对比与原天线的性能差异，确定天线性能达到设计目标。3.1 IE3D的使用3.1.1 IE3D中天线结构的绘制Zeland公司的IE3D软件实际上是一组开发套件，套件中的各个组件用以完成电磁场数值计算的方方面面。这一系列的套件能够无缝的集成到IE3D中，是通过Zeland Program Manager来实现的（见图3.1）。在其中
40、，可以方便的执行所需模块。图3.1程序管理器包含了各个模块要完成一个天线仿真，用户首先从线路图编辑器MGRID开始9，在MGRID中，用户将一个电路画成一组多边形。建立多边形并定义端口后，可调用仿真引擎IE3D执行电磁仿真。在本课题的中，使用MGRID（图3.2）的主要功能包含菜单（执行各项绘制仿真功能），实体Entity工具栏（绘制贴片、馈电探针等），高级编辑Adv Edit菜单中Build Via Connection on Edges（建立馈电端口），右侧坐标器（显示光标所在的笛卡尔坐标和极坐标）、层Layers（包括平面天线各层级）等。图3.2天线结构图编辑器MGRID例如，要在x-y
41、平面上以原点为中心，绘制一个长为为5cm，宽为4cm的矩形接地板，可以首先在Layers中选择当前操作平面为z=0，然后使用Entity工具栏中的Rectangle工具（图3.3）。其中X-coordinate、Y-coordinate设置矩形的笛卡尔坐标中心，特别的Z-coordinate是指矩形所在平面，Length、Width设置矩形的长宽（以毫米为单位），Rotation是矩形以中心旋转的角度。最后点击确认，完成天线矩形接地板的绘制。图3.3绘制矩形的参数对话框由上可见，在IE3D中绘制平面天线是比较简单的。一般天线结构图的绘制，是先得到结构参数，然后通过实体工具栏在各个层上绘制相应的
42、元件，最后连接端口。如果修改天线结构，则是一个相逆的过程，或者直接使用Objects Properties来修改顶点坐标。这里，绘制了一个十分简单的“条带单极子”天线（图3.4）。不难发现这个天线结构十分简单，它有三层：位于z=0mm处的矩形接地板；位于z=1mm处的矩形贴片；位于 z=2mm处的矩形接地板。一三层用两个4mm的-1端口连接，第二层用一个3mm的+1端口连接。通过View菜单中的3D View可以得到它的三维视图。图3.4条带单极子天线的平面图和三维视图3.1.2 IE3D中天线的仿真分析 本节用上一节条带单极子天线的例子，说明IE3D的仿真功能。首先用Mgrid打开“条带单极
43、子.geo”几何结构文件。点击Process菜单中的Simulate菜单项，弹出仿真设置Simulate Setup对话框（图3.5）。其中，在Start Freq设置仿真起始频率（这里取3GHz），在End Freq设置仿真截至频率（这里取10.6GHz），在Step Freq设置步进频率（这里取0.5GHz），并点击Enter。为了得到辐射方向图，还必须勾选Radiation Pattern项。设置结束后，点击OK开始仿真，根据天线复杂度和运行环境的不同，仿真计算大约花费数分钟的时间。图3.5仿真设置Simulate Setup对话框 仿真结束，首先弹出的是示意图编辑器Modua模块，它默
44、认显示的是回波损耗曲线（如图3.6）。图3.6仿真得到的回波损耗曲线如果要显示驻波比曲线，可以通过Control菜单项Define Display Graph中选择VSWR来实现（如图3.7）。图3.7仿真得到的驻波比VSWR曲线除了Modua模块以外，仿真还会激活PatternView模块。首先可以通过Display菜单中的2D Pattern来得到平面方向图，在对话框中可以设置为查看3GHz时Phi为0度处的极坐标方向图（如图3.8）。图3.8仿真得到的极坐标方向图在对话框中可以设置为查看3GHz时Phi为90度处的极坐标方向图（如图3.9）。图3.9仿真得到的极坐标方向图在Pattern
45、View模块中，同样可以通过Display菜单中的3D Pattern来得到立体方向图（图3.10）。它用不同的色深来表示辐射的强度。图3.10仿真得到的立体方向图还可以通过Display菜单中的Gain Vs. Frequency Display来得到天线的增益曲线（图3.11）。图3.11仿真得到的天线增益天线的电流分布图可以通过View菜单下的Display Current Distribution得到（图3.12）。在三维电流分布图中，颜色越深的部分电流越强；反之越弱。图3.12仿真得到的三维电流分布图最后，天线的电流方向图也通过把Display Current Distributio
46、n中的Average Current Distribution换成Average and Vector Current Distribution，并适当调大电流得到（图3.13）。在三维电流分布图中，颜色越深的部分电流越强，反之越弱，并且箭头方向即为电流方向。图3.13仿真得到的三维电流方向图3.2 原天线结构通过对相关参考文献的学习与老师的指导，确定天线的初步架构如图3-17所示。在这个结构果中，它有三层：位于z=0mm和z=2mm处的矩形接地板；位于z=1mm处的贴片。第一第三层的接地板长为40mm，宽为20mm。第二层是一根条带，其顶端该成一个下底13mm，上底21mm，高为18mm的等
47、边梯形。条带长为21mm，宽为3mm。一三层用两个4mm的-1端口连接，第二层用一个3mm的+1端口连接。图3-17 (a)图3-17(b)3.3 原天线性能仿真分析由于指标要求所设计的单极子天线在工作频带为3.110.6GHz，所以仿真的带宽应该包含这个范围。从计算效率和精度要求出发，仿真起始频率为3GHz，截止频率为11 GHz，离散步进频率0.2GHz，共仿真41个点。另外，在方向性的方针方面，对于每个离散频点，和每隔10计算一次。根据设计指标的要求和改进结构的需要，仿真分析应该包括回波损耗、驻波比、史密斯阻抗圆图、方向图、增益、电流分布。3.3.1 原天线仿真结果仿真后得到的回波损耗曲线（图3-18），在要