---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ Vivaldi基于CST的超宽带微带天线设
计
摘要天线，在任何无线电系统组成中，都是必不可少的组件。随着无线电通信技术的发展，天线在各个领域得到了广泛的应用。
超宽带技术是当今最具竞争力和发展前景的技术之一。其具有许多窄带系统无法比拟的优点，例如：高数据速率、低系统成本和抗多径效应,抗干扰性强、频谱覆盖范围广、距离分辨率高、对现有系统干扰小等。
由于无线电的应用频段被不断地扩展，进而促进了超宽带电磁学的产生。在超宽带频段内，时域特性的研究表明，时域电磁波是人类非常重要的资源，作为超宽带无线电系统中不可缺少的一员，超宽带天线的研究也因此变得相当有意义。
本论文主要研究了关于超宽带微带天线的设计。首先
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介绍了天线及微带天线的基本理论，然后重点研究了超宽带天线，Vivaldi天线，详细分析设计了Vivaldi天线的传统模型，以及改进模型，并利用CST STUDIO SUITE 2010软件仿真，分析了Vivaldi天线可以使用的工作频率范围、性能以及尺寸等。5558
关键词天线，超宽带，CST，Vivaldi天线
毕业设计说明书外文摘要
TitleTheCST-basedUltra-WidebandMicrostrip AntennaDesign
Abstract
Antenna, in the composed of any radio system, are essential components. With the development of radio communication technology, the antenna has been widely applied in various fields.
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The ultra-wideband technology is one of the most competitive and promising technologies. It has many incomparable advantages of narrowband systems, such as: high data rate, low system cost and the effect of anti-multipath, strong interference, a wide range of the spectrum covering , high resolution, small interference to existing systems.
4.1.2 超宽带天线设计的难点13
4.1.3 扩展天线带宽的方法13
4.1.4 超宽带天线类型确定14
4.2 vavildi天线理论15
4.2.1 Vivaldi天线国内外应用情况15
4.2.2 Vivaldi天线类型16
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4.3传统vavildi天线的仿真设计17
4.3.1传统Vivaldi天线结构模型17
4.3.2微带线-槽线馈电式Vivaldi天线设计17
4.3.3微带线-槽线馈电式Vivaldi天线仿真结果及分析24
4.4对拓Vivaldi天线的仿真设计26
4.4.1对拓Vivaldi天线结构原理26
4.4.2对拓Vivaldi天线尺寸的确定27
4.4.3对拓Vivaldi天线仿真结果及分析29
结束语34
致谢35
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 参考文献36
1.绪论
1.1选题背景及研究意义
随着社会的发展，科技的进步，无论是军事通信还是民用通信系统，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求设备宽带化、小型化、共用化。天线作为辐射和接收电磁波的部件，是无线系统中重要的组成部分。天线性能的优劣直接决定无线通信系统通信质量的好坏。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，宽频带天线的研究也日益活跃，成为学科领域中一个重要的研究分支。在军事领域中，为了实现保密通信，消除干扰，多频段、多功能电台和宽带调频电台将广泛应用。调频速率越来越高，调频范围越来越广，原有的窄带天线已无法满足要求。另外，狭小的空间内密布多副天线，相互之间的干扰较为严重，影响通信质量。为了解决上述矛盾，有效的解决办法就是研制高性能、宽频带、小型化天线，以减少载体
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上天线的数目。在民用通信系统中，无线通信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤为重要。其信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此相适应，通信设备日趋宽带化，台站设施也由最初的点对点、一点对多点发展到移动和全球漫游。而天线作为移动通信系统的发射和接收部件，其宽带化的研究显然有重要的现实意义。
1.2天线及微带天线简介
1.2.1天线的概念及特点
天线[ ]，在任何无线电系统组成中，都是必不可少的组件。简单地说，天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器，完成空间波和传输线导行波之间的相互转换。天线的基本功能是实现辐射或接收无线电波，分别称为发射天线或接收天线。
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，
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进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等。
无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。随着科学技术的飞速发展，人们的生活日益现代化，有限的频率资源越来越紧张，人们对无线通信的容量及传输速率提出了更高的要求。无论是军事通信还是民用通信系统，不仅要求高质量地传输语言、文字、图像、数据等信息，而且要求设备宽带化、小型化、共用化。天线作为辐射和接收电磁波的部件，是无线系统中重要的组成部分。天线性能的优劣直接决定无线通信系统通信质量的好坏。
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1.2.2微带天线的概念及特点
1953年G.A.Deschamps提出来了微带天线的概念[ ]，1955年法国的Gutton和Baissinot等人申请了微带天线的相关专利，在随后的很长一段时间，微带天线的发展缓慢，受多方面因素的制约，研究的成果比较少；上个世纪70年代，具有低损耗角正切特性、有吸引力的热特性以及良好的机械特性的介质基片研发出来了，从此，微带天线的开发与应用得到了快速的发展，Howell和Munson研制了第一个实用的微带天线，从此，人们对微带天线单元以及微带天线阵列进行了广泛的研究开发，各种结构的微带天线被应用到不同的领域中，并产生了大量的学术和科研成果[ ]。至今，还没有对微带天线作一个具体完整的概念[ ]，简单的微带天线可以是由贴在带有金属地板的基片上的贴片构成的。
第4章：详细分析了Vavildi天线的设计理论，及设计仿真的结果，与传统模型相比，改进型的Vavildi天线具有更高的性能。
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 2.超宽带天线
2.1超宽带信号介绍
超宽带简称UWB,全称是Ultra Wide-Band，超宽带通信与其他通信技术的根本不同之处在于它的发射机和接收机之间采用非常窄的射频脉冲进行通信。早在1989年，美国国防高级研究计划局（DARPA）就对超宽带进行了明确定义[ ]。2002年时，美国联邦委员会（FCC）对超宽带的定义进行了调整，并规定民用通信可用的超宽带频段为3.1GHz-10.6GHz。
超宽带信号的定义如下：
满足上两式的信号即为超宽带信号，式中和为超宽带信号的上下截止频率。
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超宽带要求相对带宽比高出20%或者绝对带宽大于0.5GHz，其传输速率可超过100Mbps，具有这样特性的系统称为UWB系统。
图2.1.1.1 超宽带频谱图
2.2超宽带天线简介
2.2.1 超宽带天线概述
超宽带天线[ ]，顾名思义就是带宽非常宽的天线，这种说法其实是在频域中对天线带宽的定义，就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围。在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等在允许的范围内。也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围。
超宽带天线是能够将超宽带高频电流能量转换成空间
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电磁波的器件，用于辐射和接收超宽带无线电波。超宽带天线一般要求具有一定的方向性，较高的效率，满足超宽带系统正常工作的宽频带范围，其质量影响着整个无线超宽带系统的性能。与传统天线相比，其设计也面临更多的挑战。
在超宽带天线的研究中一般采用美国DARPA给出的带宽的定义[ ]，它定义天线的带宽为：
（1）在工作带宽内要保证UWB天线具有很好的匹配阻抗，这要求UWB天线在整个工作频带内驻波电压比低而平稳。驻波电压比（VSWR）是衡量天线输入/输出之间阻抗匹配额的参数，要求在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小。同时，在UWB脉冲源输出端安装一个隔离器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。
（2）要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工
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作频带内相位中心不变。相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和接收机的性能变坏。
（3）在工作带宽内天线要保证具有高而稳定的辐射效率。尤其是对于移动设备的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。如下式所定义的UWB天线的效率，其中激励源功率和回波损耗，而且还与源脉冲的频谱有关。为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。
（2.3）
（4）在工作带宽内天线还要保持具有稳定的天线增益、极化，在各个频点上的功率方向图要大致相同。
3.CST软件
3.1CST工作室套装介绍[ ]
CST工作室套装是面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款最有效、最精确的专业仿真软件
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包，共包含七个工作室子软件，集成在同一平台上。七个工作室子软件如下：
（1）CST 设计工作室/CST DESIGN STUDIO；（2）CST 印制板工作室/CST PCB STUDIO；（3）CST电缆工作室/CST CABLE STUDIO；（4）CST MS工作室/CST MICROSTRIPES；
（5）CST微波工作室/CST MICROWAVE STUDIO；（6）CST电磁工作室/CST EM STUDIO；
（7）CST 粒子工作室/CST PARTICLE STUDIO。CST软件的主要特点有：
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（1）以有限积分技术（FIT）为基础，可用于解决从静态场计算到时域和频域的高频应用的各种电磁场问题；
（2）丰富的2D/3D结果显示，并能动态显示场量；
（3）强大的后处理模板，能对2D/3D场量，1D信号及标量值（0D）进行灵活的处理。如对任意曲线、任意曲面进行积分等；
（4）内置的VBA（Visual Basic for Applications）兼容宏语言，带有功能完整的开发环境，通过VBA宏命令可方便对CST仿真进行控制。
3.2CST软件使用
对于CST的使用，作者在此过程中遇到的问题，及通过查阅资料、请教学长最后解决问题的体会如下：
（1）天线的每个参数是相互影响的，为保证端口的馈线的特性阻抗为50欧姆，可以采用CST自带的软件计算。该软件非常强大，可以计算各种不同情况下的
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特性阻抗，包括同轴线、微带线和共面波导等情况的特性阻抗值。本文仿真采用的是微带侧馈的馈电方式，微带线的特性阻抗应该为50欧姆，在已知基板的厚度和相对介电常数的情况下计算馈线的宽度值，点击CST中的“Macros”→“Calculate”
→“Calculate analytical line impedance”如图3.2.1所示。
（2）曲线的画法。CST中，在主菜单的Curves下，可以画直线、圆、椭圆、多边形等线条，但是对于按数学公式规律变化的曲线而言，不能仅通过Curves来画，需要点击Macros – Construct – Curves –Create 2D-Curve analytical来创建一条二维曲线，然后在history list里修改曲线的数学方程及起始点即可。
图3.2.1计算微带线的特性阻抗
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（4.2）
式中，为电阻，对应于有用功率；为电抗，对应于无功功率。只有天线的输入阻抗等于馈电单元的特性阻抗时，才能使得天线获得最大的功率。因此，阻抗匹配的好坏影响整个功率传输，从而影响整个系统的性能指标。
（2）反射系数
天线的反射系数的定义是天线的反射电压与入射电压的比值
（4.3）
式中，是天线的反射系数，是天线的反射电压，是天线的入射电压。
（3）天线驻波比
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天线的电压驻波比的定义是天线的入射端的电压的最大值与最小值的比值
（4.4）
式中，是天线的电压驻波比，是天线的入射端电压的最大值，是天线的入射端电压的最小值。，等于1时，天线工作在匹配状态。
驻波比和反射系数是存在对应关系的，两者都可以表征天线是否在工作频段处于匹配状态。若天线的输入阻抗为，馈线的阻抗为，那么反射系数
（4.5）
为0时，天线工作在匹配状态，反射系数和驻波比之间的关系为：
（4.6）
（4）方向性和方向图
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天线的辐射特性与空间坐标系之间的函数称为天线的方向性函数，依据方向性函数绘制的图形称为方向图。空间立体方向图能够很直观和形象的表现整个的辐射特性，但是绘制起来比较麻烦，人们通常采用平面方向图来表征天线的空间电磁辐射特性，E面（H面）是电场强度(磁场强度)矢量和最大辐射方向所在的平面，通常，需要进行归一化处理。
天线增益和方向图有密切关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益就越高。增益是用来衡量天线向一个特定方向收发信号的能力。
（7）极化
天线的极化特性反应了天线在最大辐射方向上的电场的空间取向，是在最大辐射方向上电场矢量的运动轨迹。根据电场矢量极化形式，可以划分为三种极化方式：线极化、圆极化和椭圆极化；圆极化和线极化是椭圆极化的特殊情况；线极化又可分为水平极化和垂
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直极化；圆极化可分为左旋圆极化和右旋圆极化。天线不能接收与其正交方向上的极化分量，线极化天线不能够接收与极化方向垂直的线极化波；圆极化不能够接收与其旋转方向相反的圆极化分量。
（8）带宽
天线的带宽定义为当频率改变时，天线的电参数能保持在规定的技术要求范围内，此时对应的频率变化范围称为天线的频带宽度，简称为带宽。天线的频带宽度常常使用绝对带宽和相对带宽来表示。
绝对带宽的定义是天线的上限频率与下限频率的差值（4.11）
式中，是天线的绝对带宽，是天线上限频率，是天线的下限频率。
相对带宽的定义是天线的绝对带宽与中心频率的比值
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（4.12）
式中，是天线的相对带宽，是天线的中心频率。
超宽带天线中的频带宽度指的是其主要电气指标如驻波比、增益、主瓣副瓣大小、极化特性、辐射方向图等均满足所要求的频率范围，各个参数的带宽有各自的定义名称，如阻抗带宽、方向图带宽、增益带宽、极化带宽等。
4.1.2 超宽带天线设计的难点
图4.1.3.1 频带扩展方法
当天线的结构已定，不便修改时，一般通过安装宽带匹配网络来展宽带宽。现有技术，可以将自动天线调谐器和谐振天线组合，来自动实现带宽的扩展，使用灵活方便，而且效果不错。这是一种值得推广的方法。