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1、西南交通大学 毕业论文 常用天线辐射场分析 年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 程序代码在最后程序代码在最后 题 目 常用天线辐射场的分析 1、本论文的目的、意义：应用 Mathematica 对一些常用天线的辐射场强进行计算， 求出天线辐射的解析表达式，利用 Mathematica 的可视化功能实现这些天线辐射图 的可视化，并与已知结果相比较。由此可以更加直观地了解这些天线辐射的规律 。 2、学生应完成的任务： 1 、收集天线资料及相关文献。 2、掌握常用天线辐射的基本理论。 3、熟悉 Mathematica 语言，掌握应用 Mathematica 语言绘制二维及三维图形的基
2、 本方法。 4 、推导一些常用天线（半波天线、全波天线和其他对称天线）辐射场表达式， 利用 Mathematica，编程绘制出这些常用天线的平面与空间方向图，根据这些图形 进一步讨论这些常用天线的辐射特性。 5 、完成英文文献的翻译； 6 、完成毕业论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周） 第一部分 资料及相关文献的检索和收集。 (1 周) 第二部分掌握常用天线辐射的基本理论。 (1 周) 第三部分 Mathematica 语言及其可视化应用。 (2 周) 第四部分应用 Mathematica 语言计算几种对称天线辐射场分布并实现辐射图的可 视化。 (6 周) 第五部分总结应用
3、Mathematica 语言实现辐射图可视化的基本方法。 (1 周) 第六部分完成英文文献翻译工作及电子文档的输入。 (2 周) 第七部分 完成论文并修改，准备答辩稿。 (1 周) 评阅及答辩 (1 周) 备 注 摘摘 要要 随着无线通信技术的迅速发展，天线作为无线系统中的重要组成部分得到了广 泛的应用。描述天线特性的参数很多，其中一些参数，如方向性系数、输入阻抗、 互阻抗等都需要复杂的计算，在实际应用中很不方便。为了解决这一问题，本文运 用 Mathematica 语言编制了天线复杂参数及方向图的计算程序。 首先，复习了天线的有关知识，掌握了辐射阻抗、输入阻抗、方向性系数和增 益系数等复杂参
4、数的计算方法和公式。其次，学习了 Mathematica 相关知识，掌握 了其界面设计的方法，并学习了绘图的方法。在此基础上，设计了天线参数及方向 图的计算系统，并学会在界面设计好的基础上添加相关代码，实现所需要的功能。 最后，在界面完成的基础上，根据原理进行检验，验证系统功能的有效性和正确性。 本文基于 Mathematica 开发环境，使用 Mathematica，设计了复杂天线参数及方向 图的计算系统，并获得了良好的效果。 关键词：天线关键词：天线 输入阻抗输入阻抗 增益增益 MathematicaMathematica 语言语言 Abstract With the rapid deve
5、lopment of the wireless communication , the antenna has been widely used as an important part in the wireless system .There are many characteristic parameters for describing the characteristic parameters of antenna ,in which some parameters, like the pattern-propagation factor, the input impedance,
6、the mutual impedance and so on ,all need the complex calculation, Therefore , it is quite practically inconvenient .In order to solve this problem, this text establishes the calculation procedure for the complex parameters of antenna by Mathematica language . First, the related knowledge about the a
7、ntenna is necessary, and we must know more about the method and the formula for the complex parameters, such as radiation impedance, input impedance, the pattern-propagation factor and the gain factor and so on .Next, we should study the related knowledge about Mathematica, and grasp the method to d
8、esign interface and to draw. Thus, we get the interface to calculate the correlated antenna parameters and build the code in it to realize the function required .Finally, above this, carry on the examination according to the principle, for testing the validity and the accuracy of the system function
9、. With the environment of Mathematica, we design the system for calculating the complex parameter of the antenna, and gain a beautiful performance. Keywords: antenna；input impedance；gain factor ; MathematicaMathematica language 论文目录论文目录 第一章 绪论 新型天线技术发展趋势分析7 1.1 新型天线分类.7 1.2 未来天线技术发展预测 9 第二章 天线辐射理论11
10、 2.1 雷达振子天线的辐射场特性.11 2.2 屏蔽天线的辐射场.17 2.3 喇叭天线的辐射场.19 第三章 对称振子天线的基础知识22 3.1 对称振子 22 3.2 对称振子的输入阻抗 24 3.3 耦合对称振子的辐射阻抗 26 3.4 天线方向性系数与增益系数 30 第四章 MATHEMATICA 软件简介.34 4.1 MATHEMATICA软件功能简介34 4.2 MATHEMATICA的启动与基本操作34 4.3 MATHEMATICA作算术运算与代数运算35 4.4 函数运算 37 4.5 方程与方程组的解法 39 4.6 作函数图像 40 第五章 MATHEMATIC 在常
11、见天线中的应用.44 5.1 电流元辐射.44 5.2 半波天线.46 5.3 全波天线.49 5.4 二倍波长天线.51 5.5 天线阵.52 5.6 天线元间距D对天线阵方向性的影响：.54 5.7 天线元数量N对天线阵方向性的影响：.56 5.8 天线元相位差对天线阵方向性的影响：.57 参考文献61 附 录 英文文献翻译62 第一章 绪论 新型天线技术发展趋势分析 近年来无线技术的应用愈来愈广，过去各式各样的实际接线也都期望透过无线 而获得去线化，使得天线必须依据各种场合需求而有更合适的变化提升。举例来说， 为了更快的传输率，WIFI 已经开始使用 MIMO 技术，MIMO 是实现智能
12、型天线所 必备的基础，不仅是 WIFI，包括 WIMAX、WIBRO、3G 的 W-CDMA、CDMA2000 也都将 MIMO 列入后续的预定标准中。 MIMO 虽然兴盛，但主要是用于固定式通信，如基地台、HOTSPOT、至多用在 笔记型电脑，然而行动装置、掌上装置本身的体积已相当娇小，很难再放入更多数 目的天线，对手持掌上装置而言它们更需要的是微型天线、嵌入式天线。特别是 在 WPAN、WSAN 领域更需要，如 BLUETOOTH、ZIGBEE、Z-WAVE、RFID 等。 比较不同的是，MIMO 所用的依然是偶极型天线，只是增多天线数目，并运用天线 后端的运算比对分析而使无线收发有更多的
13、效益。而微型天线则是期望在相同的天 线功效上能在物理特性上有更多的设计弹性。接下来我们将针对智能型天线与微型 天线进行更多的说明。 1.1 新型天线分类新型天线分类 智能型天线智能型天线 智能型天线有别于过去多半用单一天线进行收发，而是同时动用多组天线来强 化收发效果。智能型天线的第一个好处是拓增频宽，倘若 1 组天线可以传输通量 55mbps，那么同时用上 2 组天线理想上就可获得 110Mbps 的传输通量，但先决条件 是发送与接收端都要同时具备与启用 2 组天线，以此类推也可以加增第 3、第 4 天 线，目前 IEEE802.11n 的最高定义也是 4 组，4 接收、4 发送的 4*4
14、组态。 除了简单的增组增通量外，事实上多组天线也可以实现更多以往单组天线所办 不到的收发特性，以接收而言，多组天线同时接收，由于各天线有其方位差别，所 接收到的信号也不尽相同，然而利用不同天线接收相同信号的些微差异，这个差异 透过更后端的数字信号处理器进行比对、分析，如此原本对单组天线而言已经微弱 （在传送路径中已经反射、散射性地减弱）到不能辨识的信号，也可透过这种多组 接收比对使信号仍有机会再现，进而强化信号的接收性。 此外，智能型天线也可以先向远处的收发端进行一个发波，之后接收发波反射 的回应时间而得知受服务端的远近距离，得知距离后便可以依据远近的不同而发送 不同功率的传输，A 装置较近就
15、发送较低弱的功率，B 装置较远就发送较强的功率， 而不是对任何服务装置都发送相同功率，如此反而会增加干扰机会，适传距适功率 也是智能型天线特性中的一环，此种技术机制一般称为 BEAM Forming。更进一步 的，智能型天线也因为天线数的增加而可以有方位性的应用，PHS 基地台所用的分 空多方存取即是运用智能型天线技术所实现。 微型天线：平板、槽孔微型天线：平板、槽孔 智能型天线是编码、调变、演算层面的信号技术，而另一个天线技术趋势是微 型化，也称微型天线或微带天线，这是为了更合乎手持、掌上装置应用需求而有的 新趋势。微型天线多半为平板型设计，或同时用上多片平板的阵列平板）型，此外 也有采行槽孔型等设计。 事实上微型天线依然是传统偶极天线，只是为了缩小体积而特别改变外貌，例 如变化成圆形、椭圆形、环形、矩形、三角形等，以此让天线更短小轻薄，而天线 背后的基板则多是使用 FR4 的玻璃纤维印刷电路板，以此能更符合电子应用产品的 一体性设计。此也称为印刷式天线，印刷式天线可以是单偶、双偶、折偶等多种形 式。 另外，不与应用电路一体成形，而采用额外附加的微型天线也有贴片式的天线、 表面黏着的天线，或者是螺旋状天线。值得留意的是，内嵌作法中近年来愈来愈流 行用平面倒 F 型天线，此种天线具有短路结构，可以让天线的谐振长度从 1
