论文总字数：16645字

目 录

1.绪 论 1

1.1 本课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文的主要研究工作 3

2．超宽频圆极化天线研究理论设计 4

2.1 超宽带圆极化天线的物理参数 4

2.2球面螺旋天线的理论分析 5

2.3双臂半球螺旋天线的设计方式 7

2.4 本章小结 9

3．天线的宽带谐振腔 10

3.1平面谐振腔理论 10

3.2平面谐振腔的一般结构 10

3.3 圆台谐振腔理论 11

3.4 本章小结 12

4.超宽频圆极化天线设计 13

4.1天线的结构设计 13

4.2 双臂螺旋天线的设计 13

4.2.1 三圈双臂螺旋天线的仿真研究 13

4.2.2 四圈双螺旋天线仿真研究 15

4.3四臂螺旋天线的仿真研究 18

4.4 本章小结 19

5．超宽频圆极化天线整体设计与仿真 20

5.1天线谐振腔的设计 20

5.2天线的整体仿真 21

5.3 本章小结 24

6．结束语 25

6.1本文总结 25

6.2后期展望 25

超宽频圆极化天线研究

殷星晨

，China

Abstract: In recent years, with the continuous development of mobile satellites, the coverage area of antennas has gradually increased. Antennas are an indispensable part of wireless communications. Traditional spiral antennas are mostly planar spiral antennas or cylinders and cones. Antennas, which make traditional spiral antennas have many limitations in their current use, are not well adapted to today's needs.

In this thesis, based on the formal research on multiple UWB antennas at home and abroad, a dual-band hemispherical ultra-wideband circularly polarized antenna is designed. A resonant cavity is added outside the structure of the antenna to ensure the antenna radiate as much as possible in front direction. Thus, the effective radiation angles in both E-plane and H-plane increase. The whole design of the antenna includes the radiation spiral and the reflection cavity. The simulation results show that the antenna has a frequency range of 3GHz-7GHz, and the VSWR and directional antenna pattern basically meet the design requirements.

Keywords: UWB, circular polarization, hemisphere antenna

1.绪 论

近年来，随着移动卫星的不断发展，天线的频带宽度要求也变得越来越高，超宽频的指标也变得非常重要，本文前半部分介绍了超宽频天线研究的目的与意义，中间为超宽频天线的设计思路与理论，最后为实现天线设计的设计与验证过程。

1.1 本课题研究背景及意义

近年来，随着移动卫星的不断发展，天线的覆盖面积需求也在逐渐增大，天线作为无线通讯中的不可或缺的一个环节，传统的天线多为贴片天线和螺旋天线，贴片天线频段较短，且贴片天线只能在很小的频段内实现圆极化，如想要用贴片天线实现超宽频带则要用多个贴片天线实现，则天线体积则较大且圆极化无法完全实现，而传统的螺旋天线多为平面螺旋天线或圆柱、圆锥天线，天线的螺旋直径与工作波长做定了天线的辐射特性，圆柱形螺旋天线在轴向辐射时，波瓣宽度以及带宽均相对较窄，如果想实现圆极化，则螺旋圈数较多，对天线的体积有较大影响，因此传统的圆柱螺旋天线体积较大且圆极化覆盖角度过小，这使得传统的贴片天线和螺旋天线在现在的使用中大多有一定的局限性，不能很好的适应现今超宽带圆极化的需求。

因此结合传统的平面螺旋天线与圆柱天线，超宽频圆极化天线有着在超宽的接收频带和圆极化天线的特征，圆极化天线最重要的特征即不仅能够接受线极化天线所发射的电磁波，同时也能接受圆极化天线所发射的电磁波，因此超宽频圆极化天线在军事和民用上都有着不可替代的作用。另外，由于圆极化天线的特性使得圆极化天线能够隔离绝大多数旋向相反的圆极化电磁波，因此在卫星通信方面，它可以很好的屏蔽来自于地面的各种干扰，而在民用上也能很好的抑制多径干扰等现象。

虽然球面螺旋天线提出很早，但只到近年来才得到人们的重视，半球面螺旋天线与传统的螺旋天线相比，有着尺寸小，覆盖面广等优势，因此在其便利性和可携带性上有着不可替代的作用，因此，半球面螺旋天线与传统螺旋天线相比，有着足够的研究价值。

1.2 国内外研究现状

二战前夕，微波速调管和磁控管的发明，导致了微波雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到更为充分的利用。这一时期广泛采用了抛物面天线或其他形式的反射面天线，螺旋天线也是在此时诞生。此时的螺旋天线多为平面螺旋天线或圆柱圆锥体天线。

螺旋天线以其特性阻抗平缓、圆极化特性好、端射和边射性能优越等特点广泛应用于航天、气象、定位、中继等诸多领域。随着科技的发展，螺旋天线优越的电气性能也得到更加广泛的应用。

螺旋天线的辐射能力是美国科学家 JohnD.Kraus于1947年在实验中发现的，自此之后，螺旋天线以其在宽频带上具有近乎一致的电阻性输入阻抗和在同样的频带上按“超增益”端射阵的波瓣图工作特点很快在各领域得到了广泛的应用。许多学者对螺旋天线的辐射特性进行了研究，给出了螺旋天线辐射设计多经验公式。而GPS全球定位系统上使用的就是螺旋天线阵。

H.B.Riblet于1960年率先提出了球面螺旋天线，并进行了实验。Hui等人提出了半球形螺旋天线^[1]，将螺旋线均匀规则的缠绕在一个绝缘半球面上，形成一个半球面螺旋天线，设计图如(1-1),这种天线增加了圆极覆盖角度，同时降低了传统螺旋天线的体积，在多臂的条件下，轴比等性能也会表现良好。

图1-1文献[1]天线设计结构

而国内的螺旋天线多为等距螺旋天线，如文献[2]设计的一种平面阿基米德螺旋天线，结构如图1-2，该天线半径为30mm，轴比小于3dB的有效带宽为2.5GHz-8.4GHz。

图1-2文献[2]天线设计结构

而文献[3]的设计是一个单臂的螺旋半球天线，结构图如1-3，该天线球面半径为32.5mm，轴比小于3dB的有效带宽为1.8GHz-8GHz。

图1-3 文献[3]的天线设计结构

1.3 论文的主要研究工作

通过对超宽带圆极化天线的理论研究，以及对半球螺旋天线设计方法的详细学习，本文设计制作出一副工作频段在1.2GHz-25GHz的小型化超宽带圆极化天线。每一章工作内容如下。

第一章为绪论，主要研究了制作超宽带圆极化天线的必要性和发展趋势，简单介绍了国内外半球螺旋天线的理论与仿真制作，同时对全文内容进行概括总结。

第二章为超宽频圆极化天线研究理论设计，主要对本文用到的球面，半球面螺旋天线进行了详细的理论分析，包括天线的物理结构原理，天线的电场原理，双臂螺旋天线的设计原理与思路。

第三章为天线的宽带谐振腔介绍，主要对天线的谐振腔进行了介绍，由于双臂螺旋半球天线是双向辐射天线，因此要将反向的辐射进行反射，包括谐振腔的理论，平面谐振腔的一般形式和新型的圆台型谐振腔，对天线的各种性能进行优化。

第四章从理论设计的角度出发，介绍了超宽频圆极化天线的基本结构，主要包括天线辐射结构。总共设计了3种结构的天线，并通过HFSS仿真软件对双臂螺旋天线的基本结构做出仿真设计，以及仿真结果的分析，选出一种基本满足设计需求的天线，通过分析验证了初步设计的正确和可行性。

第五章从总体设计的角度出发，根据需求计算了谐振腔的结构和大小，并将天线辐射结构和天线谐振腔综合起来，通过HFSS仿真软件对天线整体进行仿真，并对天线的整体进行分析，通过分析验证了总体设计的正确和可行性。

第六章为全文总结，根据第二，第三章的设计理论，第四，第五章的仿真结果，进行分析，总结本文出现并解决的问题，提出本文尚未解决的一些问题，尚待改进部分，以及未来需要改进的和进一步研究的内容。

2．超宽频圆极化天线研究理论设计

2.1 超宽带圆极化天线的物理参数

根据^[1]中的半球天线设计理论,将螺旋线等间距缠绕在半径为a的半球面上，螺旋圈数为N，在球坐标下可得

() (2-1)

(2-2)

而由文献^[1][4],半球面天线为将平面螺旋天线投影到一个半球面上，可知半球面螺旋天线的半径r的最大值的表达式为

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16645字

相关图片展示：