無線調頻發射系統之天線設計

無線調頻發射系統之天線設計

文/景文芳

在通信系統中，發射機想將信號進行遠距離傳輸。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，通過天線接收后通過饋線發送給接收機。由此可見，天線是發射機和接收機中重要的無線電設備，并且，天線也是能量轉換器，能將高頻電流或波導轉換為無線電波，也能把無線電波轉換為高頻電流或波導。天線種類繁多，已經廣泛應用于移動通信、廣播電視、雷達定位等領域，已成為了必不可少的設備。

【關鍵詞】無線調頻發射系統 天線 通信1 天線分類及主要參數

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、手機天線、基站天線等等；從使用用途看，有發射天線、接收天線、收發共用天線；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，近年來也出現了很多新型天線，比如微帶天線、智能天線、自適應天線等等。本文，主要討論為微波發射系統中微波天線。

在無線調頻發射系統中，主要采用微波天線作為其發射天線，并且，微波天線也是微波通信設備中重要的組成部分，其天線的性能直接影響發射系統的質量與效能。主要技術參數：

1.1 方向性

1.1.1 方向性圖

天線的方向性圖是一個立體圖形。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，這也是理想點源在空中的輻射場。

天線的方向性圖可以通過測試來繪制，比如測出功率就可繪出功率方向性圖，測出場強就可繪出場強的方向性圖，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心的。在方向性圖中，方向性圖的主瓣寬度、主瓣零點角以及副瓣電平都是需要關注的，其中，副瓣電平是越低越好。天線的方向圖可以用直角坐標和極坐標兩種方法來繪制。

1.1.2 方向性系數

方向性圖一定程度上反映了天線的輻射狀態，但它是一個相對值，為了定量描述天線集中輻射程度，引人了方向性系數。方向性系數是，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，即理想點源輻射場。

1.2 天線效率

一般來說，構成天線的導體和絕緣介質都有一定的能量損耗，輸入天線的功率不可能全部轉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，它取決與天線結構與天線頻率。只有當天線的輸入阻抗與饋線阻抗良好匹配時，天線的轉換效率才最高，否則天線輸入端口上產生反射，在饋線上形成駐波，從而增加了輸入損耗。大多數天線輸入阻抗的匹配是在工程設計中采用近似計算，然后通過實驗測量，修真來確定。另外，增益系數、天線極化和頻帶寬度等參數也是天線設計中主要技術指標。

2 天線的設計

天線可以采用多種軟件進行分析和設計，他們根據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 高頻結構電磁場仿真軟件，采用切向矢量有限元法求解任意三維無源結構的電磁場，得到特征阻抗、傳播系數、輻射場、 天線方向圖等結果，利用周期性邊界條件，可解決：

（1）基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題。

（2）端口特征阻抗和傳輸常數。

（3）S 參數和相應端口阻抗的歸一化 S參數。

（4）結構的本征模或諧振解。基本操作步驟：

a. 畫模型（Draw a geometric model）。

b. 修改項目設計參數（Modify a model’s design parameters）。

c.  確定模型設計參數的變量（Assign variables to a model’s design parameters）。d. 指定設計的解設置（Specify solution settings for a design）。

e. 驗證設計設置（Validate a design’s set-up）。

f.  運行 HFSS 模擬（Run an HFSS simul-ation）。

g.  創建 2D 散射參數的直角坐標曲線（Create a 2D x-y plot of S-parameter results）。 

3 總結

在無線調頻發射系統中，天線是非常重要一部分。而 Ansoft HFSS 軟件是一個類似于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仿真器。它能解決平面天線、波導及線天線、陣列天線和雷達散射截面等問題，是非常優秀的天線仿真軟件。

作者簡介

景文芳（1986-），女，四川省廣元市人。大學本科學歷，碩士學位。現為四川師范大學成都學院助理實驗師。研究方向為電子與通信工程領域。 

作者單位

四川師范大學成都學院　四川省成都市　610000