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高增益通信全向天线的设计

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(毕业论文44页21875字)摘要:全向天线广泛应用于点对多点通信、广播、数据传输、组建无线扩频网等领域,针对当前对其电性能的更高要求,本文分析了全向天线的基本设计原理和思路,采用同轴交叉串馈方式设计了一种同轴共线全向天线,通过对其场分布的分析,并结合单极直立天线探讨了影响天线辐射特性的主要因素。课题要求实现天线的高增益,本文对提高天线增益采取了如下几个措施:选择合适的天线单元长度,调整单元间的间距,改进天线的结构,介质的部分填充,抑制杂波的产生,实现了天线的每一单元上电流分布相位相同,振幅相等,达到在远场叠加场强最大的条件。
本文通过对天线的调整与优化,实现了天线增益的提高,满足了全向高增益的要求。通过利用HFSS软件对天线进行了建模和仿真,得出了仿真结果,通过Origin软件对仿真结果进行处理,使结果更加清晰。本文所设计的天线的中心频率为1GHz ,水平面增益达到了10dB以上。

关键词:全向天线;同轴共线天线;仿真;增益

 


The Design of Omni Directional High Gain Communication Antennas

Abstract: Omni directional antenna is widely applied to point-to-multipoint communications, broadcasting, data transmission, wireless network set up fields. In view of its higher electrical performance requirements, considering its distribution analysis, the paper analyzes the basic design principles and ideas of omni directional antenna, uses cross-Series coaxial feed design a coaxial collinear omni directional antennas, and discusses the radiation characteristics of the antenna’s main factor by the combination of unipolar vertical antenna affect. In order to get high-gain antenna, the following measures are taken to improve the gain of the antenna, Such as choosing a suitable antenna unit length, adjusting the spacing unit, improving antenna structure, part of the media filling, clutter inhibit the emergence of the antenna to achieve each module current distribution on the same phase and amplitude equal. Finally, the largest field conditions are got in the far field.
Through the adjustment and optimization of the antenna, higher antenna gain is achieved, to meet the requirement of high-gain omni directional antenna. By using HFSS software, the antenna modeling and simulation are finished to get the antenna simulation results, through dealing with the simulation results by the Origin software, the author obtains the results more clearly. In this paper, the antenna, center frequency of 1GHz, is designed and simulated, horizontal gain over 10dB is achieved.

Key Words: Omni directional antenna, Coaxial collinear antenna, Simulation, Gain

 

 


目  录

第1章  绪论 1
1.1 全向天线概述 1
1.2 课题背景、目的及意义 1
1.2.1 课题的背景 1
1.2.2 课题的目的及意义 2
1.3 通信全向天线的研究动态 2
1.4 高增益通信全向天线的几种形式 2
1.5 通信全向天线的设计要求 5
1.6 本文的主要内容 5
第2章  天线的基本理论 6
2.1 概论 6
2.2基本振子的辐射 7
2.2.1 电基本振子的辐射 7
2.2.2 磁基本振子的辐射 9
2.3 天线的特性参数 10
2.4 同轴共线全向天线的场分布及方向函数的分析 12
2.4.1传输线的基本理论 12
2.4.2 同轴共线天线的几何结构和基本原理 13
2.4.3 同轴共线全向天线的方向函数 14
2.4.4 单极直立天线 18
2.5 微带全向天线辐射原理 21
2.6 小结 22
第3章  同轴共线全向天线的设计与优化 23
3.1 概论 23
3.2 对同轴共线天线特性参数影响的主要因素 23
3.2.1 天线的输入阻抗与匹配 23
3.2.2 天线的单元数与增益 24
3.2.3 辐射体长度与天线方向性 25
3.2.4 同轴线内的介质 25
3.3 同轴共线全向天线的设计和优化方法 28
3.3.1 部分填充介质方法提高天线增益 28
3.3.2 实现各单元电流的同相提高增益 28
3.3.3 实现匹配降低反射 29
3.3.4 抑制其它模式波产生 29
3.3.5 不圆度的调整 30
3.4 优化后的同轴共线全向天线 30
3.5 小结 31
第4章  仿真结果分析 32
4.1 仿真结果与讨论 32
4.2 小结 37
结论 38
致谢 39
参考文献 40

 

 

 


 
第1章  绪论
1.1 全向天线概述
全向天线是一种(水平面)辐射能力完全相同的天线,它广泛应用于点对多点通信、广播、数据传输、组建无线扩频网等领域.本文研究的套筒天线即同轴共线天线在水平面内也实现了全向.不圆度是全向天线的一个难题,也是全向天线中不得不讨论的问题。有两种方案解决同轴共线天线不圆度的问题:一是在选择同轴线时,在不影响其它性能的基础上,尽可能的使用相对电尺寸较小的天线,即同轴线外径相对工作波长越小,对天线的不圆度影响越小;二是改变内外导体直接相连接的方式,而使所有单元中心轴在同一条直线上,即实现真正的共线,使单元间内外导体通过细导线交叉连接,这个方法能很好保证天线水平面的方向图的不圆度在很小的水平上。但第二种方法制作起来较麻烦,并且结构稳定性不如直接相连接的形式。不圆度得到调整,天线的全向性问题也迎刃而解。
1.2 课题背景、目的及意义 
天线作为无线电通信的发射和接收设备,直接影响电波信号的质量,因而,天线在无线电通信中占有极其重要的地位。本节结合天线的发展,阐述课题的背景与目的意义。
1.2.1 课题的背景
为适应现代通信设备的需求,天线的研发主要朝几个方面进行,即减小尺寸、多波段工作、智能方向图控制。随着电子设备集成度的提高,通信设备的体积也越来越小,这时天线对于整个设备就显的过大,这就需要天线减小自身尺寸。然而,在不明显影响天线的增益和效率的同时减小天线的尺寸却是一项艰巨的工作。电子设备集成度提高,经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务,宽带和多波段天线能满足这样的需要。天线受环境影响也日益严重,当前高增益天线的设计以及天线受环境影响的问题倍受关注。本文采用理论分析和软件仿真相结合的方法,研究了有关天线的方面的问题,设计和实现了通信中心频率在1GHz的高增益全向通信天线。
1.2.2 课题的目的及意义
全向天线在通信系统中起着越来越重要的作用,本文通过对多种结构形式的全向天线如微带全向天线的分析,具体设计了一种全向天线——同轴共线全向天线。
对同轴共线全向天线进行了数值计算和研究,阐述了影响这种天线辐射性能的主要因素,并分析了设计和优化这种天线的方法;然后对其进行仿真,仿真结果表明,该天线的增益有所提高,天线的主要电参数基本满足了设计的要求。
1.3 通信全向天线的研究动态
全向天线是一种在水平面内辐射能力完全相同的天线,它广泛应用于点对多点通信、广播、数据传输、组建无线扩频网等领域。随着微电子技术的迅猛发展, 近20年来通信和广播系统在功能、容量、质量和服务业务上不断地升级, 同时,对全向天线提出了越来越高的性能指标要求。
在以往的网络建设过程中,在用户数量不太多的偏远郊区,由于移动用户分布比较稀疏,话务量也不是很高,为了充分利用设备资源,这些地区的蜂窝一般划分得比较大,所设的基站数目一般都比较少、密度比较低,而且通常使用水平方向上为全向天线的形式,采取分集天线技术手段覆盖周围的地区,因此一个基站所覆盖的面积都比较大。并且,天线系统通常工作在复杂的传播环境下, 电波在空中传播时将受到多方面的衰落, 信道受到地形、温度、湿度等环境因素的影响。这些方面都会对通信质量产生不利的影响,难免有覆盖不到的地方,使移动用户接受不到良好的服务。为了保证通信质量,对这样的地区如果采用建新基站的方法来解决覆盖的问题,投资会是很大的,因此需要找出一种既能改善覆盖效果,又不使投资增加很多的方法来解决这个问题。这就要求天线的增益相对比较高, 因此近年来开发高增益全向天线, 来改善通信质量是通信系统中一个迫切的研究课题。

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