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1、泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 超宽带盘锥天线的特性分析与研究 Analysis and reasearch of Ultra-wideband dish cone antenna characteristics物理与信息工程 学 院 电子信息科学与技术专 业07级1班学生姓名 学 号 指导教师 职 称 副教授（博士）完成日期 2011-4-3 教务处 制超宽带盘锥天线的特性分析与研究物理与信息工程学院 电子信息科学与技术 指导老师 副教授（博士）摘 要：近年来，随着通信技术的迅猛发展，超宽带( Ultra-Wide Band, UWB)通信技术以其低功耗、高带宽、低复杂度等优点
2、而倍受重视。超宽带天线已成为目前天线领域的一大研究热点。盘锥天线由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成，因此其结构简单；盘锥天线是一种垂直极化全向天线，具有极宽的工作频段，且全向均匀性好。可用于与宽带梳状波发生器组成电场辐射发射测试项目的比对装置。关键词：超宽带；盘锥天线；全向天线目录第一章：引言41.1 超宽带天线的发展41.2 HFSS功能简介41.3 本文研究的内容及意义4第二章：盘锥天线的设计52.1 盘锥天线的演变过程52.2 盘锥天线的尺寸设计规律5第三章：盘锥天线的锥角对天线性能的影响53.1 锥角对天线方向图的影响53.2 锥角对天线输入阻抗的影响73.3 锥角对天线电压驻波比的影响
3、8第四章：盘锥天线的其它参量对天线性能的影响94.1 变量S对天线性能的影响94.1.1 变量S对天线方向图的影响94.1.2 变量S对天线输入阻抗的影响114.1.3 变量S对天线电压驻波比的影响114.2 变量D对天线性能的影响124.2.1 变量D 对天线方向图的影响124.2.2 变量D对天线输入阻抗的影响144.2.3 变量D对天线电压驻波比的影响154.3 变量Cmin对天线性能的影响164.3.1 变量Cmin对天线方向图的影响164.3.2 变量Cmin对天线输入阻抗的影响184.3.3 变量Cmin对天线电压驻波比的影响184.4 变量Cmax对天线性能的影响194.4.1
4、变量Cmax对天线方向图的影响194.4.2 变量Cmax对天线输入阻抗的影响214.4.3 变量Cmax对天线电压驻波比的影响22第五章:总结23致谢24参考文献25第一章：引言1.1 超宽带天线的发展超宽带技术1是目前被广泛研究的一种新兴的无线通信技术，主要由于超宽带通信技术具有高数据率、功耗低、低复杂度等特点，为通信技术的发展开辟了新机遇。但是超宽带又因为要占用极宽的带宽与其他通信系统同享频段，会造成信号干扰，又给超宽带技术的研究带来了新的挑战。在1898年，Oliver Lodge提出了球形偶极子、正方形偶极子、双锥极子、三角形偶极子甚至包括领结形偶形极子天线和单极天线的概念。后来随着
5、短波通信发展的需求和宽带技术的进步，人们对这些天线进行了深入的研究 。在设计超宽带天线使其结构简单、价格低廉、容易加工等特点的基础上，对领结形天线、单极天线、盘锥天线2-3等这些置于平板上的天线，通过调整天线缝隙和形状来实现超宽带。超宽带天线4是与UWB技术共同发展的，是UWB系统的重要组成部分，超宽带天线的性能好坏直接影响UWB系统的功能。对超宽带天线的分类有多种分法，根据天线增益可分为低增益天线和高增益天线，根据天线的方向性可分为全向天线和定向天线等。虽然超宽带天线目前有了很大的发展，但是还远不能满足人们的需求，主要在于超宽带天线的设计还面临很大的挑战。随着微波集成电路的发展，超宽带天线的
6、研究与应用也会更快地变为现实。目前，利用集成电路方式进行馈电，制作出超宽带平面槽天线等多种形式的超宽带天线，其特点是能产生对称波束，利用平衡超宽带馈电，具有超宽带特性。1.2 HFSS功能简介HFSS软件5由Ansoft公司开发，是三维电磁场仿真软件，它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗。可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。广泛应用于天线、馈线、滤波器、功分器、光电器件、隔离器的设计和电磁兼容、电磁干扰、天线局部和互耦等问题的计算。1.3 本文研究的内容及意义本文采用Ansoft公司的电磁场高频仿真软
7、件HFSS进行仿真设计，在常规盘锥天线设计的基础上，对盘锥天线的结构进行优化设计，在较宽的频带内实现良好的阻抗匹配，从而使得天线具备驻波低、全向均匀性6好的特点。第二章：盘锥天线的设计2.1 盘锥天线的演变过程盘锥天线7的演变过程可认为是有双锥天线演变成下半个锥体用金属圆盘代替的锥形天线，由此可见，盘锥天线是由一个导体圆盘和一个导体圆锥构成。圆盘与馈电同轴电缆的内导体相连接，圆锥的锥顶与同轴线外导体相连接。图（1）为盘锥天线的结构图，盘锥天线的斜高为L，下底板是半径为D圆形金属板，上锥体为不带帽的空心锥，锥体的半张角为，锥底的半径为Cmin，锥顶半径为Cmax，锥底与圆盘之间高度为S。 图（1
8、）盘锥天线的结构图2.2 盘锥天线的尺寸设计规律盘锥天线的斜高L8应稍大于下限频率对应的波长的四分之一，L与关系如公式（1），其中为比例系数，取值范围在1.11.3，是下限频率对应的波长。L与圆盘半径D应取锥顶半径Cmax的0.7倍左右；盘锥天线的锥角的选择与斜高L有关，为了有足够的阻抗过渡空间，当锥角较小时，斜高L应取大些；圆盘与圆锥之间的距离S几乎与斜高L和锥角无关。 （1）第三章：盘锥天线的锥角对天线性能的影响3.1 锥角对天线方向图的影响图（2）为半锥角9取不同值时，盘锥天线对应的E面方向图。图（3）为半锥角取不同值时盘锥天线对应的H面方向图。 （a）=15 （b）=30 （c）=45
9、 （d）=60图（2）盘锥天线的E面方向图 （a）=15 （b）=30 （c）=45 （d）=60图（3）盘锥天线的H面方向图由图（2）可知，随着半锥角的增大，天线的辐射10更趋于全向。由于盘锥天线的结构具有对称性，因而在H面内其辐射是全向性的的，由图（3）可知，盘锥天线的H面方向图为圆。3.2 锥角对天线输入阻抗的影响图（4）为半锥角取不同值时，盘锥天线的输入阻抗与频率的关系曲线。 （a）=15 （b）=30 （c）=45 （d）=60图（4）盘锥天线的输入阻抗盘锥天线优良的阻抗宽频带特性11主要得益于它的特殊的几何结构。盘锥天线可以看成下锥体半张角为90,上锥体半张角为的双锥天线，具有很低
10、的特性阻抗。盘锥天线的特性阻抗近似为：（） （2）根据上式可以看出盘锥天线的输入阻抗跟半张角成反比，随着半张角的增大，盘锥天线的输入阻抗在减小。3.3 锥角对天线电压驻波比的影响图（5）为半锥角取不同值时，盘锥天线的电压驻波比与频率的关系曲线。 （a）=15 （b）=30 （c）=45 （d）=60图（5）盘锥天线的电压驻波比根据图（5）四个盘锥天线电压驻波比图可以得看出，随着半锥的增大，在相同驻波要求下，天线的带宽变得更好。第四章：盘锥天线的其它参量对天线性能的影响4.1 变量S对天线性能的影响当D、Cmin、Cmax取值不变时，通过改变S来考察S取不同值时对天线方向图、输入阻抗、电压驻波比
11、的影响。4.1.1 变量S对天线方向图的影响图（6）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，S取不同值时天线的E面方向图；图（7）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，S取不同值时天线的H面方向图。 （a）S=0.5mm E面方向图 （b）S=1mm E面方向图 （c）S=1.5mm E面方向图图（6）（a）S=0.5mm H面方向图 （b）S=1mm H面方向图（c）S=1.5mm H面方向图图（7）由图（6）和图（7）可知，圆盘与锥底之间的间隙S对天线的方向图影响很小。4.1.2 变量S对天线输入阻抗的影响图（8）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=2
12、4mm，S取不同值时天线的输入阻抗。 （a）S=0.5mm 输入阻抗 （b）S=1mm 输入阻抗（c）S=1.5mm 输入阻抗图（8）由图（8）可知，圆盘与锥底之间的间隙S不影响盘锥天线的输入阻抗，有公式（2）可以看出，盘锥天线的输入阻抗只与盘锥天线的锥角有关。4.1.3 变量S对天线电压驻波比的影响图（9）为D=17mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，S取不同值时天线的电压驻波比 （a）S=0.5mm 电压驻波比 （b）S=1mm 电压驻波比（c）S=1.5mm 电压驻波比图（9）由图（9）可知，圆盘与锥底之间的间隙S对盘锥天线的电压驻波比影响较小。综上所述，圆盘与锥底之间的间隙S对
13、天线的影响较小，在一定条件下可忽略S对天线性能的影响。4.2 变量D对天线性能的影响当S、Cmin、Cmax取值不变时，通过改变D来考察D取不同值时对天线方向图、输入阻抗、电压驻波比的影响。4.2.1 变量D 对天线方向图的影响图（10）为S=1mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，D取不同值时天线的E面方向图；图（11）为S=1mm，Cmin=2mm，Cmax=24mm，D取不同值时天线的H面方向图。 （a）D=8.5mm E面方向图 （b）D=17mm E面方向图（c）D=25.5mm E面方向图图（10） （a）D=8.5mm H面方向图 （b）D=17mm H面方向图（c）D=25.5mm H面方向图图（11）由图（10）、图（11）可知，圆盘半径D的大小对盘锥天线的方向图影响较大。若半径D过大，会减小水平方向处的场强。4.2.2 变量D
