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1、华中科技大学 硕士学位论文 线天线近场的数值分析 姓名：钱小虎 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：董天临 20050807 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV 摘 要 论文就线天线的近场展开分析研究重点讨论了度量和求解线天线近场的方法 并阐述了它的应用意义天线的近场分布,决定了它的近场耦合强度对天线阵列 天线测量和电磁兼容等实际工程应用领域都有重要价值 论文论述了常用描述线天线的参数分析了对天线近场研究的状况 提出了度 量和描述线天线的近场耦合强度的方法推导了直线加载天线满足的海伦积分方程 和曲线天线满足的广义海伦积分方程用矩量法来计算对称振子和细线径等上
2、升角 圆锥螺旋天线的电流分布后再通过矢量势公式求得它们的近场并利用所提出的 度量方法分别计算它们的近场耦合强度 本文采用了一些独特的处理方法在对称振子的核函数中使用了精确的非简 化的形式保证了近场分析的结果的正确性用特殊函数中的方法简化了核函数 得出了便于分析计算的表达式对细线径等上升角螺旋天线进行建模时推导了广 义海伦方程中的各个参数的数学表达式并对积分方程中的积分核进行了进一步的 处理得出便于分析计算的表达式 论文最后利用 VC 和 Mathematica 软件完成了 MoM 的数值分析得到了对称振 子和细线径固定升角圆锥螺旋天线的近场耦合强度与距离的关系以上结果便于应 用于实际工程中的电
3、磁兼容等问题 关键词线天线 近场 近场耦合 对称振子 螺旋天线 数值分析 矩量法 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 V Abstract The thesis focus on the study of the wire antennas near-field, especially the method of solving the near-field of wire antenna and its practical significance. Firstly, it introcduced the parameters which are usually used to
4、describe the wire antenna and the current of the study on wire antennas near-field, and proposed an efficient method which measures and describes the near-field of wire antenna. Then the Hallen integral equation of loaded wire antenna was deduced and the generalized Hallen integral-equation of curvi
5、linear antenna was introduced. Secondly,MoM is chosen to solve the current distribution of the symmetry dipole and thin helical multiturn loop antenna; and the near-field couple of the two kinds of antenna, can be solved by the vector potential formula; in the end, the near-field couple was computed
6、 by the above introduced measurement methods. During above procedure, the exact form of the kernel function was used to ensure the accuracy of result; besides, the Bessel functions was employed to simplify the sophisticated kernel function. Similarly, the necessarry parameters which are used to comp
7、lete the generalized Hallen equation of helical antenna were deduced, and the more sophiscated kernel function were properly transformated. Thirdly, the MoM code were practised on VC and Mathematica, and the graph which illustrates that the couple varies with the distance between the antennas are di
8、splayed . Accordingly, necessary related discussion and analysis are given. At last, the sum-up and deficeincy of my work are discussed. Keywords:Wire antenna Near-field Near-field couple Symmetry dipole Helical antenna Numerical analysis MoM 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下
9、进行的研究工作及取得的研究成果 近 我所知 除文中已标明引用的内容外 本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的 研究成果对本文的研究做出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 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 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即学校有权保留并向国家 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 本人授权华中科技大 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 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在_年解密后适用本授权数 本论文属于
10、 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 引 言 1.1 国内外天线近场研究和发展趋势 近几十年来科学技术的飞速发展和人们生活日益现代化和社会化对电子技 术的应用提出了更高的要求例如电视广播通信等IT类业务不仅要求高质量 的工作性能而且要求设备在工作时各个物理模块之间的相互影响越小越好 天线是辐射和接受电磁波的器件是无线电系统中重要的组成部分没有天线 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单一天线 单独工作的情况越来越少而常常和不同的天线或者其他通信器件在一个有限的
11、空 间内同时工作而为了保证无线电系统的电磁兼容的要求必然要确定天线在辐射 时候的电磁场对附近通信器件设备研究的影响此外从长远来看随着电磁波与 人体的接触频率前所未有的增加和接触程度越来越亲密从我们普通手机用户身上 即可反映这一点从生物电磁学的角度为了确切知道天线的辐射对人体究竟有 何影响而研究天线的近场也是势在必行 众所周知地,对于天线来说,大多数时候人们只关心它的远区场分布特性,关于天 线在远场区的严格理论,已有足够多学者给出了详尽而清晰的阐述1,2而对于大多 数工程应用,这些方式也可满足需求然而,正如上一段的分析在某些特定的场合, 天线将不可避免地工作在其近场区这时候,天线之间的耦合将会对
12、间距很敏感,处理 方法就势必要和远场区的处理方法相去甚远,且往往要复杂许多33,34 对天线近场的研究,我国学界大致是在上世纪八九十年代之后才陆续有人涉及该 方面的而国外在六十年代到八十年代初就已经奠定了近场分析的理论基础到八 十年代初期,A.D.Y 在3中成功给出了研究天线近场耦合效应的一个典范方法 但是由 于3中对收发天线间距有个下限的要求来看 文中的方法更适合用于求解面天线之间 的近场耦合此后不少学界内人士都参照了1中的思想研究了特定的范例41当然, 针对工作在不同频率和不同电磁环境的天线近场分析,很多人都提出了自己的研究方 法42 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 近
13、年来在 IEEE 等国际刊物上关于这方面的文章也很常见他们的研究工作采 用的方法主要有两类一是采用射线跟踪方法33二是通过简化模型后采用电磁场 的微分或积分方程进行数值求解的方法34国内象东南大学的毫米波国家重点实验 室和西安电子科技大学的研究人员和一些博士生对此亦做过专题研究,在国内的电子 学报,微波学报,电波科学学报等学术刊物上发表了一系列的文章33所有这些都将给 我的研究工作以不可或缺的帮助 1.2 天线近场课题研究的目的和意义 研究天线近场的实际意义主要有下面几点 首先随着目前天线阵列的推广使用趋势天线的近场势必成为约束其应用的 一个因素因为互耦指标正和近场紧密相关而如何控制天线的近场
14、将是在设计生 产和使用天线阵列中所不得不面对和解决的问题 其次随着电子器件工艺的进步和小型化精密化的通信产品趋势的涌现如手 机这样的通信终端就对其中的收发天线提出很高的要求不仅是在性能上而且 在对生物的辐射损伤上也有相应的要求功率和辐射不得超过一定的范围显然这 直接涉及到产品中天线部件的近场 再者几乎每个通信系统都对电磁兼容有相当的要求那么只要使用了天线的 系统都必须要面对天线的近场辐射要确保其近场满足系统整体的电磁兼容EMC 指标 其实从上世纪九十年代以来,天线在近场区的耦合越来越多地和电磁兼容 EMC联系在一起41,实际上这已经是它在工程应用中一个很重要的方向另外 通过研究测量天线的近场数
15、据后还可以进一步转换得出天线的远场42 1.3 研究现状及主要问题 目前,对于线天线近场的研究并没有很成熟的理论方法上文提到的几种方法 中象 A.D.Y 的 方法还不能直接应用到线天线的近场分析中因为该法对接收天线 的间距有一个下限而这个下限对线天线做发射天线时是常常不满足的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 较多运用的方法还是通过数值分析方法,先求出线天线上的电流分布,进而求出 近场.而常用的分析线天线电流分布和场的矩量法由于对天线的积分方程中的核函 数简化过多导致计算结果的不够精确 再有其他的方法,如通过近场远场的互相转换关系,先通过测量手段得到天线远 场分布的数据从而得
16、到近场的分布情况 当然也有人针对具体形状的天线专门处理从而得出近场的近似表达式或者数值 解但仅适用于特定的天线而已 1.4 论文的主要工作 论文就线天线的近场展开分析研究重点讨论了和简化了求解线天线近场的方 法和阐述了它的应用意义天线的近场分布,决定了它的近场耦合强度,对天线阵列 天线测量和电磁兼容等实际工程应用领域都有重要价值. 论文论述了常用描述线天线的参数 分析了对天线近场研究的状况, 提出了度量 和描述线天线的近场耦合强度的方法推导了直线加载天线满足的海伦积分方程和 曲线天线满足的广义海伦积分方程用矩量法来计算对称振子和细固定升角圆锥螺 旋天线的电流分布后再通过矢量势公式求得它们的近场并利用所提出的度量方 法分别计算它们的近场耦合强度 上述分析的正确性,利用对称振子天线进行了验证 本文采用了一些独特的处理方法在对称振子的核函数中使用了精确的非简 化的形式保证了近场分析的结果的正确性用特殊函数中的方法简化
