無線調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)之天線設(shè)計(jì)

在通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)想將信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。必然需要用饋線將其送到天線，再以電磁波形式輻射出去；同樣，在接收機(jī)，通過天線接收后通過饋線發(fā)送給接收機(jī)。由此可見，天線是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中重要的無線電設(shè)備，并且，天線也是能量轉(zhuǎn)換器，能將高頻電流或波導(dǎo)轉(zhuǎn)換為無線電波，也能把無線電波轉(zhuǎn)換為高頻電流或波導(dǎo)。天線種類繁多，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、廣播電視、雷達(dá)定位等領(lǐng)域，已成為了必不可少的設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】無線調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng) 天線 通信

1 天線分類及主要參數(shù)

天線種類繁多，新品種也層出不窮。其分類也是多中多樣，從使用范圍來看，天線可以分為廣播天線、通信天線、手機(jī)天線、基站天線等等；從使用用途看，有發(fā)射天線、接收天線、收發(fā)共用天線；從天線的方向性和增益來看，有定向天線、全向天線、強(qiáng)方向天線、高增益天線、低增益天線、扇形和筆形波束天線等等，從極化方面看，有線極化天線、圓極化天線、橢圓極化天線等。天線還可以從很多方面分類，并且，近年來也出現(xiàn)了很多新型天線，比如微帶天線、智能天線、自適應(yīng)天線等等。本文，主要討論為微波發(fā)射系統(tǒng)中微波天線。

在無線調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中，主要采用微波天線作為其發(fā)射天線，并且，微波天線也是微波通信設(shè)備中重要的組成部分，其天線的性能直接影響發(fā)射系統(tǒng)的質(zhì)量與效能。主要技術(shù)參數(shù)：

1.1 方向性

1.1.1 方向性圖

天線的方向性圖是一個(gè)立體圖形。天線的特性可以用相互垂直的平面（E平面和H平面）內(nèi)方向性圖來描述。天線方向性圖反映了天線輻射能量的集中程度，方向性圖越尖銳，則輻射能量越集中，否則能量越分散。若天線方向性圖為一球面，則表示電磁能量均勻地輻射到四周，也稱此為無方向性，這也是理想點(diǎn)源在空中的輻射場(chǎng)。

天線的方向性圖可以通過測(cè)試來繪制，比如測(cè)出功率就可繪出功率方向性圖，測(cè)出場(chǎng)強(qiáng)就可繪出場(chǎng)強(qiáng)的方向性圖，這兩者圖形形狀完全一樣。通常天線方向性有多個(gè)葉瓣，其中最大輻射方向的為主瓣，其余為副瓣或旁瓣。在方向性圖中，主瓣信息也是我們最關(guān)心的。

在方向性圖中，方向性圖的主瓣寬度、主瓣零點(diǎn)角以及副瓣電平都是需要關(guān)注的，其中，副瓣電平是越低越好。天線的方向圖可以用直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)兩種方法來繪制。

1.1.2 方向性系數(shù)

方向性圖一定程度上反映了天線的輻射狀態(tài)，但它是一個(gè)相對(duì)值，為了定量描述天線集中輻射程度，引人了方向性系數(shù)。方向性系數(shù)是，同一距離及相同輻射條件下，最大輻射方向上輻射功率密度與無方向天線（電源）功率密度之比，用D來表示。可見方向性越尖銳的天線D越大，相反D越小，而D=1，則是無方向性天線，即理想點(diǎn)源輻射場(chǎng)。

1.2 天線效率

一般來說，構(gòu)成天線的導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)都有一定的能量損耗，輸入天線的功率不可能全部轉(zhuǎn)化為自由空間電磁波的輻射功率，我們把天線輻射功率Pr與天線輸入功率之比稱作天線效率，即 ηa =。通常微波天線的效率都很高， ηa接近于1。但是這里定義的天線效率并沒有包含因天線與饋線傳輸系統(tǒng)失配引起的損耗。

1.3 天線阻抗

天線阻抗是指天線輸入端口想天線輻射口方向看過去的輸入阻抗，它取決與天線結(jié)構(gòu)與天線頻率。只有當(dāng)天線的輸入阻抗與饋線阻抗良好匹配時(shí)，天線的轉(zhuǎn)換效率才最高，否則天線輸入端口上產(chǎn)生反射，在饋線上形成駐波，從而增加了輸入損耗。大多數(shù)天線輸入阻抗的匹配是在工程設(shè)計(jì)中采用近似計(jì)算，然后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，修真來確定。

另外，增益系數(shù)、天線極化和頻帶寬度等參數(shù)也是天線設(shè)計(jì)中主要技術(shù)指標(biāo)。

2 天線的設(shè)計(jì)

天線可以采用多種軟件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，他們根據(jù)使用的分析方法不同，又可分為基于有限元法為核心的Ansoft公司的HFSS軟件，基于矩量法的Zland公司的IE3D軟件，基于FDTD法的Zland公司的FIDELITY軟件，以及CST軟件和microwave office等。如圖1所示。

Ansoft HFSS 高頻結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，采用切向矢量有限元法求解任意三維無源結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)，得到特征阻抗、傳播系數(shù)、輻射場(chǎng)、 天線方向圖等結(jié)果，利用周期性邊界條件，可解決：

（1）基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問題。

（2）端口特征阻抗和傳輸常數(shù)。

（3）S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)。

（4）結(jié)構(gòu)的本征模或諧振解。基本操作步驟：

a. 畫模型（Draw a geometric model）。

b. 修改項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)（Modify a models design parameters）。

c. 確定模型設(shè)計(jì)參數(shù)的變量（Assign variables to a models design parameters）。

d. 指定設(shè)計(jì)的解設(shè)置（Specify solution settings for a design）。

e. 驗(yàn)證設(shè)計(jì)設(shè)置（Validate a designs set-up）。

f. 運(yùn)行HFSS模擬（Run an HFSS simul-ation）。

g. 創(chuàng)建2D散射參數(shù)的直角坐標(biāo)曲線（Create a 2D x-y plot of S-parameter results）。

3 總結(jié)

在無線調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中，天線是非常重要一部分。而Ansoft HFSS軟件是一個(gè)類似于Microsoft Windows圖形用戶界面輸入模型，用于任意三維無源器件的高性能電磁場(chǎng)仿真器。它能解決平面天線、波導(dǎo)及線天線、陣列天線和雷達(dá)散射截面等問題，是非常優(yōu)秀的天線仿真軟件。

作者簡介

景文芳（1986-），女，四川省廣元市人。大學(xué)本科學(xué)歷，碩士學(xué)位。現(xiàn)為四川師范大學(xué)成都學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)殡娮优c通信工程領(lǐng)域。

作者單位

四川師范大學(xué)成都學(xué)院 四川省成都市 610000endprint