半波偶极子天线毕业设计论文(编辑修改稿)

半波偶极子天线毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

化比较稳定，性能较好 [12]。 天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。 在 射频微波频段，馈线通常使用 50Ω标准阻抗。 所以在设计天线时，需要尽可能地把天线的输入阻抗设计在 50Ω，在工作频带内保证尽可能小得驻波比。 天线的输入阻抗取决于天线的结构、工作频率和周围环境天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 5 的影响。 工程中通常采用近似计算或者用实验方法测量。 匹配的好坏一般用四个参数来衡量即反射系数，行波系数，驻波比和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使用哪种并没有明文规定，看个人的习惯来决定。 在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。 本设计中也将主要使用驻波比和回波损耗，下面将介绍驻波比和回波损耗。 驻波比：它是行 波系数的倒数，其值在 1 到无穷大之间。 驻波比为 1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。 在移动通信系统中，一般要求驻波比小于 ，但实际应用中 VSWR 应小于。 过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。 回波损耗：它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。 回波损耗的值在0do 的到无穷大之间 ，回波损耗与匹配成反比，即回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越小 表示匹配越好。 0 表示全反射，无穷大表示完全匹配。 在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于 14dB。 天线的 极化方式 所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。 当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。 由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播 [13]。 因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。 方向性系数 天线的方向性系数 D 是指在远区场的某一球面上 天线的辐射强度与平均辐射强度之比，即： （ 21） 实际等于辐射功率除以球面积，得： （ 22） 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 6 方向性系数是最大辐射方向上的方向性系数，即： （ 23） 天线的增益 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是衡量天线性能好坏的重要的参数之一。 一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。 天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边缘的信号电平。 增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。 任何蜂窝系统都是一个双向过程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。 天线的 效率 由于天线存在各种损耗，因此实际辐射到空间内的 电磁波功率比发射机输送到天线的功率小。 天线效率为： （ 24） 即是表征天线将输入高频能量转换为无线电波能量的有效程度。 天津职业技 术师范大学 2020 届本科生毕业设计 7 3 理论分析 电基本振子的辐射场 电基本振子又称电流元或者电偶极子，这是一种最简单的天线。 用这样的电基本振子可以组成实际的复杂天线，所以电基本振子的辐射特性是研究复杂天线辐射特性的基础 [8]。 设电流元位于无限大的空间，周围介质是均匀线性且各向同性的理想 性质。 建立直角坐标系，令电流元位于坐标原点，且沿 z轴放置，如图 31所示。 电基本振子上的电流大小使用 I 表示，则矢量位 A 可以表示为： 图 31 电流元的辐射场 (31) 在球面坐标系中 （ 32） (33) 于是 ，可以求得辐射的磁场强度为： 天津职业技 术师范大学 2020 届本科生毕业设计 8 (34) 再利用麦克斯韦方程，可以求得电场强度为： （ 35） 式中， E 为电场强度，单位为 V/m； H 为磁场强度，单位为 A/m；下标 r、 、分别表示球坐标系的各个方向分量； 为自由空间的介电常数，单位为 ； 为自由空间导磁率，单位为 H/m； k 是自由空间相位常数， ，λ是自由空间波长。 由于本文主要讨论天线的辐射场，所以这里只计算远区场。 的区域称为远区，此时 , ,则式（ 34）和（ 35）可以近似为： （ 36） 上式表明，电流元得远区场具有以下特点： ① 传播方向为 r ，电场及磁场均与 r 垂直，远区场为 TEM 波，电场与磁场的关系 为。 ② 电场与磁场同相，复能流密度仅有实部，能量不断向外辐射，所以远区场又称为辐射场。 ③ 远区场强振幅与距离 r 一次方成反比，这种衰减不是介质的损耗引起的，而是球面波的自然扩散。 ④ 远区场强振幅还与观察点所处的方位有关，这种特性称为天线的方向性。 与方位角  及  有关的函数称为方向性因子，以 f (,  ) 表示。 z 方向电流元具有轴对称特点，场强与方位角  无关，即。 z 向电流元在 的轴线方向上辐射为零，在与轴线垂直的 方向上辐射最强。 ⑤ 电场及磁场的方向与时间无关，远区场为线极化。 当然，在不同的方向上极化方向不同。 除了上述线极化特性外，其余四种特性是一切尺寸有限的天线天津职业技 术师范大学 2020 届本科生毕业设计 9 远区场的共性，即一切有限尺寸的天线，其远区场为 TEM 波，是一种辐射场，其场强振幅不仅与距离成反比，同时也与方向有关。 天线的极化特性和天线的类型有关。 接收天线的极化特性必须与被接收的电磁波的极化特性一致，称为极化匹配。 远区场中也有电磁能量的交换部分。 但是由于交换部分的场强振幅至少与距离 r2 成反比，而辐射部分的场强振幅与距离 r 成反比，因此 ，远区中交换部分所占的比重很小，近区中辐射部分可以忽略 [8]。 由此可以看出，在远区内，电场只有 分量，磁场只有 分量，且电场和磁场的相位相同。 此时，坡印廷矢量的平均值为： （ 37） 对于自由空间而言，媒质的波阻抗为： （ 38） 对称天线的辐射 对称天线是一根中 心馈电，长度可与波长相比拟的载流导线。 其 电流分布以中点为对称，因此称为对称天线。 若导线直径 d ，电流沿线分布可以近似认为具有正弦驻波特性。 因为两端开路，电流为零，形成电流驻波的波节，电流驻波的波腹位置取决于对称天线长度。 设对称天线的半长为 L，在直角坐标系中沿 z轴放置，中点位于坐标原点，则电流空间分布函数可以表示为 （ 39） 式中 , Im 为电流驻波的空间最大值或称为波腹电流，位置取决于 对称天线的长度。 常数。 既然对称天线的电流分布为正弦驻波，对称天线可以看成是由很多电流振幅不等但相位相同的电流元排成一条直线形成的。 这样，利用电流元的远区场公式即可直接计算对称天线的辐射场。 电流元 产生的远区电场强度应为 (310) 由 于 ，可以认为组成对称天线的每个电流元对于观察点 P 的指向是相同的，即 与 平行，如图 32所示。 各个电流元在 P 点产生的远区电场方向相同，合成电场为各个电流元远区电场的标量和，即对称的远区电场为 天津职业技 术师范大学 2020 届本科生毕业设计 10 （ 311） 考虑到 ，可以近似认为。 作为一次近似可以认为 图 32 对称天线的辐射 将这些结果代入式（ 311）中， 若认为周围介质为真空或者空气则对 称天线的远区辐射电场为 （ 312） 可见，对称天线的方向性因子为 （ 313） 由上式可见，对称天线的方向性因子与方位角 无关，仅为方位角 的函数。 此外，显然长度不同的对称天线，其方向性因子也不同。 如图 322所示，不同长度的对称天线所在平面内的方向图也不同。 这些 平面方向图绕天线轴线旋转一周即构成空间方向图。 天津职业技 术师范大学 2020 届本科生毕业设计 11 因为组成对称天线的各个电流元在轴线方向上辐射为零，所以无论天线的长度怎么变化，在 及 的轴线方向上始终没有辐射。 当天线的全长小于一个波长时，方向图仅有两个主叶，且 的方向为主射方向，因为在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，相位也相等，合成场强最强。 当天线全长大于全波长时，出现副叶。 尤其当全长等于两个波长时，即半长 ， 原来的主射方向变成零 射方向，因为虽然在此方向上各个电流元产生的电场方向相同，但是一半电流元的时间相位与另一半电流元的时间相位相反，两者产生的场强彼此抵消，导致合成场强为零。 图 322 几种对称天线的方向图 半波偶极子天线性能参数的理论计算 电流分布 对于半波偶极子天线而言，其长度。 把上述参数代入到式（ 39）中，则半波偶极子天线的电流为： （ 314） 辐射场和方向图 已知半波偶极子天线上的电流分布，可以利用叠加原理来计算半波偶极子天线的辐射场。 半波偶极子天线可以看成是由长度为 dz 的电基本振子天线连接而天津职业技 术师范大学 2020。