若干宽带全向天线的研究与设计

发布时间：2020-07-11 11:43

【摘要】：随着信息化时代的来临,人们对信息传递速度提出了更高的要求,宽带天线的使用,可以很好的满足人们对于信息快速传递的要求,而且可以减少无线通信系统中天线的数量,避免了多个天线之间的相互耦合,达到节省成本等效果。全向天线因为可以在某个方位面上实现能量的均匀辐射或均匀的接收来自空间的电磁波,不管在民用通信领域还是军事上,都有着巨大的需求。本文围绕国内外研究热点宽带全向天线展开研究,并紧跟实际工程需求,提出了两种宽带全向天线,具体工作内容如下:对于宽带全向椭圆极化天线的研究设计,首先,通过仔细分析设计指标要求,查阅国内外相关文献,决定采用多个倾斜折合振子天线组合设计实现宽带全向椭圆极化天线,并详细论述了其实现椭圆极化天线的原理。其次,采用仿真软件对该宽带全向椭圆极化天线进行仿真,研究了折合振子天线的倾斜角度的变化对该天线在H面水平极化增益以及垂直极化增益的影响,通过调节折合振子天线的倾角使得该天线水平极化增益比垂直极化增益大4dBi。然后,对该天线进行实际调试。由于该天线带宽较宽,在匹配设计时,串、并联电容电感等元器件在史密斯圆图上的转动快慢不一样,这样可以通过串、并联电容电感等元器件,来调节天线的驻波。最后,将调试完成的天线放置在外场,进行增益的测量。测试结果表明,在108-156MHz范围内,该天线的驻波在3以下,水平极化增益约-1dBi,垂直极化增益约-5dBi,且天线在水平面的不圆度在2dB以下,呈现出良好的360°均匀辐射特性。对于宽带全向斜45°极化天线的研究设计,首先也是根据指标要求,确定天线需要采用宽带全向垂直极化天线加斜极化器组合形式,根据工程经验,宽带全向垂直极化天线初步选择采用双锥天线形式。其次,采用仿真软件的办法,对天线进行仿真分析,发现传统双锥天线形式的带宽不够,所以需要对其进行变形改进设计。然后,在传统双锥天线末端接上一个圆柱体,使得电流在经过锥形渐变结构后不至于突变,这样可以减小传统双锥天线末端结构突变而产生反射波造成的影响,进而有效的展宽天线的带宽,再通过仿真,发现改进型双锥天线的带宽比传统双锥天线宽。最后将设计完成的天线进行加工制作及天线测量。测试结果表明该天线的极化角度约43.5°。该天线的驻波小于2.5,呈现了良好的宽带阻抗匹配特性。该天线实际测量的H面不圆度比仿真值大,在天线的工作频段内,该天线不圆度小于7dB,基本上达到全向辐射要求。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820
【图文】：

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及该天线整体结构实物照片。单元天线实物图天线整体实物图图3.7 天线实物照片3.3.3 天线调试天线制作完成之后，然后开始进行天线的调试。在实际调试过程中，可以通过添加合适的元器件优化天线的阻抗特性，将天线的电压驻波比（VSWR）在 108-156MHz频段内降低到 3 以下。因此如何设计一个合适的宽带匹配网络，达到设计指标要求，是完成该宽带全向椭圆极化天线设计的工作重点之一。在网络设计部分可能需要用到

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42(a) 笼形天线 (b) 宽带全向椭圆极化天线实物照片图3.18 天线实物照片表 3.1 给出了该宽带全向椭圆极化天线垂直极化不圆度测量结果。表 3.2 是该天线水平极化不圆度测试结果，表3.3给出了标准偶极子天线的测试结果。采用比较法，同时取每个频点 12 组测量数据的平均值，我们可以得到该天线的增益测试结果如表3.4 所示。从表 3.1 以及表 3.2 可以看出，该天线低、中、高频的不圆度整体较好，基本验证了该宽带全向椭圆极化天线具有良好的全向辐射特性。考虑到在测量过程中各种因素导致的测量误差，从表 3.4 可以看出，该天线在 108-156MHz 范围内平均水平极化增益 G1≈-1dB，平均垂直极化增益 G2≈-5dB

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53(a) 参数 u 对驻波的影响 (b) 参数 s 对驻波的影响图4.8 参数 u 和 s 对天线驻波的影响图4.9给出了天线的主平面H面水平极化增益以及垂直极化增益随着第一层极化栅直径的变化曲线。图4.10是天线的电压驻波比随着第一层极化栅直径的变化曲线。从图4.9可以看出第一层极化栅离辐射体的距离对天线的水平极化增益以及垂直极化增益影响较大，随着 R3 增大天线 H 面水平极化以及垂直极化方向图不圆度变差，H面垂直极化增益比水平极化增益大 1.2dB 左右，总的来说符合斜 45°极化要求。从图 4.10 可以看出随着 R3 增大，低频部分驻波变差，意味着在一定程度上第一层极化栅离辐射体越近，天线的驻波越好。但是第一层极化栅的直径不能取得过小，如果取得太小，即离辐射体很近，极化栅在双锥天线辐射的近场区域，使得第一层极化栅的极化扭转效果变差。所以 R3 的取值应该在一定范围内进行，需要同时考虑到天线整个频段内的驻波特性以及天线的?

【参考文献】