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[正在讨论]怎么设计基站定向垂直极化天线

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10楼发表于: 2011-06-07 10:07:55

目录 ^Mvgm3hg

前言………………………………………………………………（1） L;RHshTy

第一章天线基础知识……………………………………………(1) da'1H

1.1 引言……………………………………………………………………（） pSa pF)1>

1.2 基站天线的发展方向…………………………………………………（） O}s Mqh

1.3 基站天线的分类………………………………………………………（） 5]f6YlJZ

1.4 偶极子天线的辐射……………………………………………………（） CH9Psr78

1.5 半波阵子的辐射………………………………………………………（） WU$l@:Yo

1.6 HfSS软件介绍………………………………………………………… NI r"i2

第二章天线设计…………………………………………………(10) 9QP-~V{$

2.1 天线的电参数…………………………………………………………（） i2P:I A|@

2.2 垂直极化天线的设计指标……………………………………………（） H|)F-aL[

2.3 垂直极化天线的设计思路与方法……………………………………（） :X*$U ~aQ

2.4 阵元模型的设计和排阵………………………………………………（） j DkBe-`

第三章天线仿真及分析……………………………………………(20) iV5S[uy72.

3.1 pec材料天线的仿真结果…………………………………………………（） $;pHv<

3.1.1 在1.7GHZ频率的仿真………………………………………………（） )TfX}

3.1.2 在2.1GHZ频率的仿真………………………………………………（） "l 8YD&q

3.1.3 仿真结论 ……………………………………………………………（） :u]QEZ@@

3.2 具体材料的天线仿真结果…………………………………………………（） eC3 ~|G_O

3.2.1 在1.7GHZ频率的仿真………………………………………………（） @+{F\SD\

3.2.2 在2.1GHZ频率的仿真………………………………………………（） ;w7s>(ITZ

3.2.3 仿真结论………………………………………………………………（） } fa

3.3 仿真结果分析………………………………………………………………（） W m&*

致谢……………………………………………………………………（） R=2"5Hy=

附录……………………………………………………………………（） ~8&P*oFC

参考文献………………………………………………………………（）
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论文题目：基站定向垂直极化天线仿真设计

专业：通信工程

学生：刘兴伟                 签名：

指导教师：曾召华             签名：

摘要

本文主要通过HFSS仿真软件设计超宽带垂直极化基站天线。文章旨在利用多个半波阵子，通过排阵和加反射板设计出高带宽，高增益，方向性强，低成本的定向基站天线。

文章中利用8个半波振子垂直排列的方式，通过调整每个振子在垂直方向的间距，实现垂直方向的波束宽度压缩。在垂直阵列的后侧放置巨大的金属反射板，通过调整反射板的距离，从而达到水平波束宽度的压缩，保证能量向前方辐射。从而达到要求的1700MHZ～2500MHZ超宽带特性以及要求的增益大于17dBi，水平波束宽度65±5度，垂直波束宽度大于6度，驻波小于1.5，前后比大于25dB的各项技术指标。本文利用HFSS软件设置求解类型，设计振元模型（分配边界条件，分配Lumpport端口激励，设置辐射边界条件，分配材料属性），求解设置（求解频率，扫频设置）运行仿真以及数据后处理，实现天线的仿真与优化。最后得到天线的各种性能指标如水平,垂直，3D方向图等。

【关键词】HFSS 基站天线垂直极化超宽带天线阵列

【论文类型】应用型











Title：stations directional vertical polarization antenna simulation design

Major：communication engineering

Name：XingweiLiu               Signature：

Supervisor：ZhaohuaZeng         Signature：

ABSTRACT

This paper mainly through HFSS simulation software design ultra-wideband vertical polarization base station antennas. This article aims to use multiple half wave by days, managers and add reflex plate design out high bandwidth, high power gain, directional strong, low-cost directional base station antennas.

Article 8 a half wave of vibrator perpendicular arrange ways, through adjusting each vibrator in vertical direction perpendicular direction of spacing, realize the beam width compression. In vertical array rear placed enormous metal reflex plate, the distance by adjusting the reflex plate, thus achieved the level of beam width, ensure energy to compress ahead radiation. Thus meet the required 1700MHZ ~ 2500MHZ ultra-wideband characteristics and requirements of the gain greater than 17dBi, horizontal beam width 65 + 5 degrees, vertical beam width greater than 6 degrees, standing wave is less than 1.5, before and after the 25dB than more than technical indexes. This paper using HFSS software installed solution types, design vibration unit model (distribution boundary conditions, the distribution Lumpport port incentives, setting radiation boundary conditions, allocation of material attribute), solving Settings (solving frequency, sweep frequency Settings) operates simulation and data post-processing, realize the simulation and optimization of the antenna. Finally get the antenna various performance indicators such as horizontal, vertical, 3D directed graph, etc.

【 keywords 】 HFSS base station antennas   vertical polarization ultra-wideband antenna array

【 type of Thesis 】 applied

前言
　随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量的要求的不断提高，要求移动通信网在大容量下仍然具有较高的话音质量。今研究发现，智能天线可将无线电的信号导向具体方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信道到达方向DOA,旁瓣或零陷对准干扰到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目地。同时，利用各种移动用户信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接受和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，是无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不断增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可以满足服务质量和网络扩容的需求。天线仿真有MATLAB，HFSS，MAXWELL等仿真软件。

Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。

使用HFSS，可以计算：(1) 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题。(2) 端口特征阻抗和传输常数。(3) S参数和相应端口阻抗的归一化S参数 (4)结构的本征模或谐振解。(5)自适应网格抛分技术、快速扫频、全波spice 技术以及大矩阵快速压缩算法技术的应用大大提高了求解精度和速度。（6）optimetrics 优化模块可以对具体的参数扫描以及进行优化设计，从而更加提高了效率，将设计人员从烦琐的编程、调试中解放出来。本文中的对称阵子天线的设计就是以Ansoft 软件的计算、仿真结果为基础，而后进行试验，最后的实际试验结果与仿真结果基本吻合。

本文设计的对称阵子天线，为了达到实际基站天线的增益和方向性，选择将半波阵子叠加后，观察半波阵子的阵列图形进行调试仿真。从而得到满足各项技术指标的垂直极化定向天线。

前言.... 1

1 天线基础知识.... 1

1.1引言... 1

1.2基站天线的发展方向... 1

1.3天线的分类与选择... 2

1.4偶极子天线的辐射... 4

1.5对称阵子的辐射... 11

1.6HFSS软件基础与应用... 13

2. 天线设计.... 19

2.1天线的电参数... 19

2.2要求的天线设计指标... 21

2.3垂直极化天线的设计思路与方法... 21

2.4阵元模型的设计和排阵... 22

3.天线仿真及分析.... 24

3.1 pec材料天线的仿真结果... 25

3.1.1在1.7GHZ频率的仿真... 26

3.1.2在2.1GHZ频率的仿真... 28

3.1.3仿真结论... 31

3.2具体材料的天线仿真结果... 32

3.2.1在1.7GHZ频率的仿真... 33

3.2.2在2.1GHZ频率的仿真... 34

3.2.3仿真结论... 37

3.3仿真结果分析... 37

致谢.... 38

附录.... 39

主要参考文献.... 40

1         天线基础知识
1.1引言
    近年来，随着移动通信的快速发展，通信系统的容量和频谱资源的短缺已成为制约移动通信的主要瓶颈。因此对基站天线进行合理设计是提高频谱资源利用率和系统容量的。现代移动通信系统小区可以在划分形成微小区，小区分裂以及扇区化，是提高频谱利用率的方法。采用定向垂直极化天线实现小区内基站天线的定向发射。对基站天线的波瓣进行合理的控制，可减少相邻小区的同道干扰，提高信干比，特别是在GSM 和CDMA系统中，利用扇区天线还可以大大提高系统容量。为此，在垂直平面内采用上半空间旁瓣抑制和下半空间零值填充技术（波束赋形），以控制其垂直面方向图。在水平面内，将每一个小区分成3个或6个扇区），从而要对天线水平面方向图进行波瓣控制。

利用对称阵子设计垂直极化天线阵列实现高带宽，高增益，方向性强的特性。单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力可以采用天线阵列。本文利用对称阵子作为阵元，设计出阵列天线已达到基站天线的各项技术指标。由于移动通信基站天线工作在复杂的移动传播环境中，基站天线的设计须根据系统设计的要求得出天线硬件的技术指标。由于全向天线的基站，其发射功率在各个方向是均匀分布的，发射功率的均匀分布导致了整个小区中其他基站或用户的前向链路干扰。同样的，小区每增加一个新用户就会增加反向链路的干扰和噪声电平，这样会导致信噪比的下降，并由此带来检测性能和解调性能的恶化。减少干扰的方法是使用定向天线，将小区分成更多的扇区。因此研究基站定向垂直极化天线对提高基站的性能以及提高用户的通信质量有很重要的意义。

1.2基站天线的发展方向
在蜂窝移动通信系统中，天线是通信设备电路信号与空间辐射电磁波的转换器。蜂窝移动通信要求基站到移动台的可靠性，所以对天线系统有特别的要求。无线电发射机输出的射频信号通过馈电送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收点后，有天线接收信号，最后送到送到无线电接收机。可见，天线就是把电能转换为电磁波的装置。

目前，国产品牌移动通信天线已经和国际品牌中上水平相当。其中，室内分布系统天线的国内水平甚至高于国际水平，常规基站天线在技术方面可以和国际先进水平一比高下。即使是在电调基站天线方面，特别是2G/3G共用的双宽频电调基站天线领域，国产品牌和国外先进水平的差距也在迅速缩减。

在TD-SCDMA智能天线领域，国内厂家也不断进行技术改进以保障满足市场需求。随着老百姓环保意识日益加强以及考虑到工程施工难度和建设成本方面的问题，天线尺寸及安装要求已经成为选择天线的重要条件。在这方面，很多国内厂家都提出了很好的解决方案。比如大唐移动等公司通过对算法进行优化，在保证与8阵元天线一样的覆盖范围下，提出了6阵元天线的解决方案等等。

目前在2G网络中使用的国产品牌基站天线在技术层面上已经很成熟，基本可以和国外进口天线媲美。但与此同时，国产品牌仍存在一些不足，比如在工艺细节等方面，仍需要进一步改进和提高。即使综合质量已经没有差别，作为市场上的后来者，赢得市场的认可仍然需要时间，用户对其信任度和美誉度的提高也需要一个过程。另外，当前国产品牌天线产业有必要继续寻找产品质量和销售价格之间的平衡点，争取用户的完全信任，同时还要强化知识产权意识，打造核心竞争力。

总的来看，和中国移动通信产业的整体发展历程一样，2G发展初期国外基站天线一统天下，随后国产品牌凭借地利、人和，迅速占据绝对优势。而随着3G时代的来临，国内基站天线企业将迎来新一轮的发展契机。

1.3天线的分类与选择

移动通信天线的技术发展很快，最初中国主要使用普通的定向和全向型移动天线，后来普遍使用机械天线，现在一些省市的移动网已经开始使用电调天线和双极化移动天线。由于目前移动通信系统中使用的各种天线的使用频率，增益和前后比等指标差别不大，都符合网络指标要求，我们将重点从移动天线下倾角度改变对天线方向图及无线网络的影响方面，对上述几种天线进行分析比较。 lo;9sTUHT

1 全向天线 H=SMDj)
    全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用与郊县大区制的站型，覆盖范围大。 d~b
2 定向天线 G;#t6bk
    定向天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。根据组网的要求建立不同类型的基站，而不同类型的基站可根据需要选择不同类型的天线。选择的依据就是上述技术参数。比如全向站就是采用了各个水平方向增益基本相同的全向型天线，而定向站就是采用了水平方向增益有明显变化的定向型天线。一般在市区选择水平波束宽度B为65°的天线，在郊区可选择水平波束宽度B为65°、90°或120°的天线（按照站型配置和当地地理环境而定），而在乡村选择能够实现大范围覆盖的全向天线则是最为经济的。 nsw8[pk
3 机械天线 ScmzbDu
    所谓机械天线，即指使用机械调整下倾角度的移动天线。机械天线与地面垂直安装好以后，如果因网络优化的要求，需要调整天线背面支架的位置改变天线的倾角来实现。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，但天线垂直分量和水平分量的幅值不变，所以天线方向图容易变形。实践证明：机械天线的最佳下倾角度为1°－5°；当下倾角度在5°－10°变化时，其天线方向图稍有变形但变化不大；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图变化较大；当机械天线下倾15°后，天线方向图形状改变很大，从没有下倾时的鸭梨形变为纺锤形，这时虽然主瓣方向覆盖距离明显缩短，但是整个天线方向图不是都在本基站扇区内，在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重的系统内干扰。另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机，不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为1°，三阶互调指标为-120dBc。 P##(V!YR
4 电调天线 Y% cA2V\#m
    所谓电调天线，即指使用电子调整下倾角度的移动天线电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量的幅值大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾。由于天线各方向的场强强度同时增大和减小，保证在改变倾角后天线方向图变化不大，使主瓣方向覆盖距离缩短，同时又使整个方向性图在服务小区扇区内减小覆盖面积但又不产生干扰。实践证明，电调天线下倾角度在1°-5°变化时，其天线方向图与机械天线的大致相同；当下倾角度在5°-10°变化时，其天线方向图较机械天线的稍有改善；当下倾角度在10°-15°变化时，其天线方向图较机械天线的变化较大；当机械天线下倾15°后，其天线方向图较机械天线的明显不同，这时天线方向图形状改变不大，主瓣方向覆盖距离明显缩短，整个天线方向图都在本基站扇区内，增加下倾角度，可以使扇区覆盖面积缩小，但不产生干扰，这样的方向图是我们需要的，因此采用电调天线能够降低呼损，减小干扰。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高（为0.1°），因此可以对网络实现精细调整；电调天线的三阶互调指标为-150dBc，较机械天线相差30dBc，有利于消除邻频干扰和杂散干扰。 7(iRz
5 双极化天线 N0KRND
    双极化天线是一种新型天线技术，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量；一般GSM数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用9根天线，每个扇形使用3根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20-30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。对于天线的选择，我们应根据自己移动网的覆盖，话务量，干扰和网络服务质量等实际情况，选择适合本地区移动网络需要的移动天线： *1]k&# s 在基站密集的高话务地区，应该尽量采用双极化天线和电调天线； fe`G^hV 在边、郊等话务量不高，基站不密集地区和只要求覆盖的地区，可以使用传统的机械天线。我国目前的移动通信网在高话务密度区的呼损较高，干扰较大，其中一个重要原因是机械天线下倾角度过大，天线下倾角度过大，天线方向图严重变形。要解决高话务区的容量不足，必须缩短站距，加大天线下倾角度，但是使用机械天线，下倾角度大于5°时，天线方向图就开始变形，超过10°时，天线方向图严重变形，因此采用机械天线，很难解决用户高密度区呼损高、干扰大的问题。因此建议在高话务密度区采用电调天线或双极化天线替换机械天线，替换下来的机械天线可以安装在农村，郊区等话务密度低的地区。 !/9S
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1.4偶极子天线的辐射

偶极子天线的辐射

一、偶极子天线（元天线）

1、结构：长为Δl的载流导线，中心馈电。

图1.4－1

⑴ 本质上是一个LC振荡电路，振荡频率

　，

⑵　为了有效地辐射能量：f↑，L、C↓

⑶　闭合电路→开放电路→振荡偶极子。

2、电特性

⑴　Δl＜＜λ，Δl上各点的电流（包括相位）

可以看作是相等的，

⑵　Δl＜＜r，Δl上各点到P点的距离，可以看作是相等的

3、实际的线状天线可看成是许多偶极子天线的串联组合。

二、偶极子天线的辐射

1、辐射场表达式

⑴　设偶极子天线上的电流为，在空间产生的矢量位（达朗贝尔方程的解）

在球坐标系中，如图1.4－1

⑵　由　　

⑶ 由　　　

2、讨论

⑴　若kr1＜＜（k＜＜1/r，r＜＜λ/2π＝，天线近区

④～⑥式中，

⑨、⑩式是电偶极子产生的电场。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

电流元产生的磁场　　

与⑧比较，所以⑧式是电流元产生的磁场。

　　∴ ① 近区的磁场是偶极子上的瞬时电流元产生的，与恒定磁场分布相似，

近区的电场是偶极子上的瞬时偶极子产生的，与静电场分布相似。

② E与H相位相差π／2

③　

　　主要是由于在(4)～(6)→(8)～(10)的过程中，略去了一些小项，实际上

是能量交换（电场～磁场）＞＞传输的能量。

⑵　若kr＞＞1（k＞＞1/r，r＞＞λ/2π），天线远区　　　由(4)～(7)式

① 场强

ⅰ）只有 , 分量，TEM波。

ⅱ）E、H同频率，同相位。

ⅲ）r相等的各点相位相等――球面波。

② 波阻抗　　　　

自由空间　η＝120π≈＝377Ω。

③

3、辐射特性（远区）

⑴　辐射方向性

由远区场强表达式（11）、（12）

表明辐射具有一定的方向性：在天线所在的平面内，∝sinθ,θ＝0，场强为0；

θ＝π／2，场强最大；

在垂直于天线的平面内无方向性。

① 方向图函数

ⅰ）定义：

ⅱ）偶极子天线，由（12）式 f（θ）＝sinθ (15)

② 方向图：

ⅰ）定义：按方向图函数f（θ,φ）绘出的图形称为方向图。

ⅱ）偶极子天线的方向图。

(a) 侧视图图1.4－2 (b) 俯视图

方向图直观地表示出天线在不同方向上，相同距离处辐射场强的相对大小。

例：图1.4－2(a)中P₁、P₂点表示出天线在不同方向上，相同距离处辐射场强的相对

大小，设P₁点，E_max＝1，P₂点，E＝sinθ。

⑵ 辐射功率和辐射电阻

图1.4－3

① 辐射功率　　

自由空间无损耗，以偶极子天线为中心作一球面，

天线辐射出去的功率P等于S_av沿球面的积分。　　

② 辐射电阻

ⅰ）定义：天线辐射的功率可看作被一个等效电阻“吸收”，称为辐射电阻

ⅱ）偶极子天线的辐射电阻由(17)式

由（17）式，激励电流I一定，R_r↑，P↓。

例：某发射电台辐射功率10KW，用偶极子天线发射

（a）求在天线的垂直平分面上距离1km处的S_av和E

（b）在与天线的垂直平分面成何角度时，S_av减小一半

解：(a) 由

　　　、：同频率、同相位

　　在效值

(b) 由①式，

⑶　方向系数D

ⅰ）理想点源天线：无方向性天线，方向图是一球面。

ⅱ）方向系数的定义：在辐射功率相同的条件下，某一最大辐射方向的辐射强度与点源天线在同一点的辐射强度之比，描述了天线辐射能量集中的程度。

ⅲ）表达式：　　辐射功率P＝C

例：9.2.1　求元天线的方向性系数

解：由（2）　

由（16）　

对于无方向性天线　

P不变　由（2）、（3）　

P一定，偶极子天线最大辐射方向上辐射强度是无方向性天线的1.5倍。

⑷ 天线的增益

① 天线的效率

② 天线的增益　　G＝ηD　

三、接收天线

1、电磁波的接收图1.4－4

天线用作接收，作用与发射相反，是把空间电磁波的能量转换为天线上振荡电流

的能量，通过馈线传输到接收机。

把一单元接收天线（偶极子天线）放在辐射场中，电场可以分解为两个分量　

E_θ平行于入射面，E垂直于入射面。天线上产生的感应电动势：

一般线天线上的感应电动势

e通过负载Z_l产生感应电流，把信号传送给接收机。

2、同一付天线，用作发射天线或接收天线时，电参数是相同的，只是含义不同。

例：同一天线用作发射、接收天线时，f(θ、φ)和方向图都相同，

发射天线：表示天线在不同方向上，相同距离处辐射场的相对大小。

接收天线：表示天线对来自不同方向，场强相同的电磁波接收能力的相对大小。

偶极子天线　f(θ)＝sinθ，θ＝π／2时接收的信号最强；θ＝0时，接收的信

号为0。

1.5对称阵子的辐射
对称振子是中间馈电，其两臂由两段等长导线构成的振子天线。一臂的导线半径为a，长度为l。两臂之间的间隙很小，理论上可以忽略不计，所以振子的总长度L=2l。对称振子的长度和波长相比拟，本身可以构成实用天线。

图1.5-1对称振子结构及坐标图

要分析对称振子的辐射特性，必须知道它的电流分布。为了精确的求解对称振子的电流分布，需要采用数值分析方法，但计算比较麻烦。实际上，细对称振子天线可以看成由末端开路的传输线张开形成，理论和实践都已证明，细对称振子的电流分布与末端开路线上的电流分布相似，即非常近似玉正弦驻波分布，若取上图的坐标，并忽略振子损耗，则其形式为





12Iz=�56Imsinkl-z=Imsink�56l-z   z鈮�>�560I�56msink>l+z   <0">   （1-5-1）

式中，12Im"> 为电流波腹点的复振幅；k=212蟺位=蠅/c"> 为相移常数。根据正弦分布的特点，对称振子的末端为电流的波节点；电流分布关于振子的中心点对称；超过半波长就会出现反相电流。

确定了对称振子的电流分布以后，就可以计算它的辐射场。

欲计算对称振子的辐射，可将对称振子分成无限多电流元，对称振子的辐射就是所有电流源辐射场之和。

本文以半波振子实现要求技术指标的宽频带天线。

图1.5-2 半波偶极子示意图

图1.5-3半波振子辐射图

本身天线是无源器件，根据能量守恒原理，天线不会产生新的能量，但天线可以把能量辐射到我们想要的制定方向上。。为了衡量天线最大辐射方向上的增益，一般以标准“点源”天线为参考，其相对增大的部分，定义为天线增益，最大辐射点增益约为2.15dB，此时定义半波振子的增益为2.15dBi。

当然，我们也可以以半波振子自身为参考，则半波阵子的增益为0dBd，由此可知，dBd和dBi只是参照物不同而已，不影响天线本身的增益，两者满足0dBd=2.15dBi。



半波阵子的方向函数：

          12F胃=cos锛?/m:t>蟺2cos胃锛?/m:t>sin胃">    （1-5-2）

将多个半波阵子进行叠加，形成阵列就可以提高增益和方向性。天线阵的辐射场是各天线单元辐射场的矢量和。只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差及振幅地等参数就可以得到需要的，更强的方向性。

天线场图赋形：

排列的原则

(1)     在同一直线上垂直排列。

(2)     振子间距接近0.9波长（非电调天线）

(3)     振子数目增加一倍，增益增加3dB，垂直波束宽度减少一半。

1.6HFSS软件基础与应用

这节主要介绍三个方面的内容：

一、简单介绍HFSS软件

二、介绍HFSS软件的基本操作

三、通过实例的讲解，介绍利用HFSS软件怎样实现天线的仿真

一、关于HFSS

在学习这个软件之前，我们首先对生产这个软件的公司有个大致的了解。

Ansoft公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业EDA厂商，成立于1984年，总部设于美国宾西法尼亚州的匹兹堡市。Ansoft公司自1997年进入中国市场后，先后在北京、上海和成都开设了办事处；并在北京理工大学、西安电子科技大学和北京航空航天大学设立三个培训中心。

Ansoft公司高频软件包是一个功能非常强大的设计工具，可应用于迅猛发展的无线技术、宽带通信网络、天线系统、航空航天电子等领域，进行系统分析、电路设计、电磁仿真和物理设计。高频产品包括：Ansoft Designer、HFSS等。

Ansoft HFSS 高频结构电磁场仿真软件，采用切向矢量有限元法求解任意三维无源结构的电磁场，得到特征阻抗、传播系数、辐射场、天线方向图等结果，利用周期性边界条件，可解决：

(1) 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题;

(2 )端口特征阻抗和传输常数:

(3 )S参数和相应端口阻抗的归一化S参数;

(4 )结构的本征模或谐振解。

二、   HFSS软件介绍与操作

这节课我们主要是学习HFSS（High Frequency Structure Simulator, 高频结构仿真器）的操作和使用。

1、启动软件

软件界面

菜单栏（Menu bar）由文件、编辑、视图、工程、绘图、3D模型、HFSS、工具和帮助等下拉式菜单组成。

工程管理（Project Manage）窗口显示所以打开的HFSS工程的详细信息，包括边界、激励、剖分操作、分析、参数优化、结果、端口场显示、场覆盖图和辐射等。

3D模型窗口（3D Modeler Window）是创建几何模型的区域，包括模型视图区域和历史树。

状态栏（Status bar）位于HFSS界面底部，显示当前执行命令的信息。

属性窗口（Properties window）显示在工程树、历史树和3D模型窗口中所选条目的特性或属性。

进度窗口（Progress window）监视运行进度，以图像方式表示进度完成比例。

信息管理（Message Manage）窗口显示工程设置的错误信息和分析进度信息。





2、设置求解模式

在菜单栏中点击HFSS，选择Solution Type.会出现下面的对话框：

（1）激励求解：用HFSS计算无源、高频结构的S参数时，可选择激励求解类型，例如微带、波导、传输线结构。S矩阵解被表示为波导的入射功率及反射波功率。

（2）激励终端求解：用HFSS计算多导体传输线端口的S参数时，可以选择激励终端求解类型。S矩阵解将由终端电压和电流来描述。

（3）本征模求解：计算结构的本征模或谐振时，可选择本征模求解类型。本征模解法可算出结构的谐振频率及在这些谐振频率处对应的场，也可计算谐振腔体的无载Q值。

3、设置单位

在菜单栏里点击3D Modeler选择Unites:

4、绘制图形

一维的有直线、折线、曲线。也可以创建由曲线方程画出所需要的图形。

二维的有：

在这里也能画出由某个曲面方程所要求的面。

三维最基本的有：

5、图形的变换

当然，实际需要中所遇到的不止限于以上模型，我们也可以通过很多变换的手法来画出我们需要的3D图形。

单击菜单栏的Edit

Arrange ]%AmX-U

Move – Translates the structure along a vector

Rotate – Rotates the shape around a coordinate axis by an angle

Mirror – Mirrors the shape around a specified plane

Duplicate ;S Re`

Along Lines – Create multiple copies of an object along a vector

Around Axis – Create multiple copies of an object rotated by a fixed

angle around the x, y, or z axis

Mirror - Mirrors the shape around a specified plane and creates a

duplicate

6．图形的布尔操作

几种布尔操作：

Unite – combine multiple primitives

Subtract – remove part of a primitive from another

Split – break primitives into multiple parts

操作前操作后

Intersect– keep only the parts of primitives that overlap

Sweep – turn a 2D primitive into a solid by sweeping: Along a Vector,

Around an Axis, Along a Path

操作前操作后

Connect – connect 2D primitives. Use Cover Surfaces to turn the

connected object into a solid

操作前操作后

Section – generate 2D cross-sections of a 3D object

7、视角的变换

用以下命令你在创建模型的过程中，可以随时改变视角

Rotate – The structure will be rotated around the coordinate system

Pan – The structure will be translated in the graphical area

Dynamic Zoom – Moving the mouse upwards will increase the zoom factor while moving the mouse downwards will decrease the zoom factor

Zoom In/Out – In this mode a rubber band rectangle will be defined by

dragging the mouse. After releasing the mouse button the zoom factor willbe applied.

快捷键：

ALT + Drag = Rotate

Shift + Drag =Pan

ALT + Shift + Drag = Dynamic Zoom

另外，用鼠标在3D窗口中右点击也可以实现视角的转变。

在模型创建完毕后，我们为了方便以后的调试，可以对模型设置变量并进行优化。

2. 天线设计
2.1天线的电参数
表征天线性能的主要参数有方向图，增益，输入阻抗，驻波比，极化方式，前后比等。

1 天线的输入阻抗：
    天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。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。匹配的优劣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，使用那一个纯出于习惯。在我们日常维护中，用的较多的是驻波比和回波损耗。一般移动通信天线的输入阻抗为50Ω。
2 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1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。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0dB的到无穷大之间，回波损耗越大表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。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。
3 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。因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。就其设计思路而言，一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式，性能上一般后者优于前者，因此目前大部分采用的是±45°极化方式。双极化天线组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线，并同时工作在收发双工模式下，大大节省了每个小区的天线数量；同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。（其极化分集增益约为5dB，比单极化天线提高约2dB。）

4 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，它是选择基站天线最重要的参数之一。
    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。另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。一般地，GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。
5 天线的波瓣宽度：
    波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度（天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系）。
    天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。水平平面的半功率角（H－Plane Half Power beamwidth）:(45°,60°,90°等)定义了天线水平平面的波束宽度。角度越大,在扇区交界处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变,形成越区覆盖。角度越小，在扇区交界处覆盖越差。提高天线倾角可以在移动程度上改善扇区交界处的覆盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线倾角大，应当采用水平平面的半功率角小的天线，郊区选用水平平面的半功率角大的天线；垂直平面的半功率角（V－Plane Half Power beamwidth）:（48°, 33°,15°,8°）定义了天线垂直平面的波束宽度。垂直平面的半功率角越小，偏离主波束方向时信号衰减越快，在越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。
6 前后比(Front-Back Ratio)：
   表明了天线对后瓣抑制的好坏。选用前后比低的天线，天线的后瓣有可能产生越区覆盖，导致切换关系混乱，产生掉话。一般在25－30dB之间，应优先选用前后比为30的天线。

7 水平波束宽度压缩：

通过在天线后侧放置巨大的反射板，通过调整反射板的距离，抱枕能量尽量向正前方辐射。另外，通过天线的结构设计，得到不同水平波束宽度的天线，水平波束宽度越窄，增益越大。

8 垂直波束宽度的压缩：

通过在垂直方向上放置更多半波振子，则垂直方向图被压缩的更厉害，就会获得更大的天线增益。不过需要根据外场环境，得到合理的垂直波束宽度；太窄，会造成小区内部某写地方覆盖不足，太宽，又不利于小区边缘的覆盖。

9 频带宽度：

  当工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在允许范围内，此时对应的频率范围成为频带宽度。按频带划分天线可分为窄频带天线，宽频带天线和超宽频带天线。

因此，设天线最高频率为fmax，最低工作频率fmin，f0为中心频率。对于窄带天线，常用相对带宽。即 (fmax-fmin)/f0。对于超宽带天线，常用绝对带宽。即 fmax/fmin。

通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线，例如引向天线；相对带宽打百分之十几的为宽频带天线，例如螺旋天线；绝对带宽可达到几个倍频的称为超宽带天线，例如对数周期天线。

2.2要求的天线设计指标
1.研究基站垂直极化天线的设计. I+GP`=\

设计指标: :|&S7&l]

A. 频段：1700-2500MHZ的超宽频天线 O\X=vh/D

B. 增益：>17dBi ^1w<wB\B

C. 水平波束宽度：65度 TdKo"H*C

D. 垂直波束宽度：>6度 9O4\DRe5c

E. 驻波：<1.5 ,DIr&5>p2

F. 前后比>25dB。 tNf_,]u

G. 利用HFSS软件，仿真得到该天线各种性能曲线（包括水平、垂直、3D方向图等） rds4eUxe

2.3垂直极化天线的设计思路与方法
用HFSS软件设计阵元模型，分配边界条件和激励，求解设置，设计检查和运行仿真设计，查看仿真分析结果。 tBjMm8lgb

工作流程： ;659E_y>

阵元模型使用半波振子，边界条件使用radiation边界条件，采用8～10个垂直排列的振子设计出阵列天线，再在阵列后方加反射板，调整阵列与反射板的距离使能量最大限度的反射到前方，从而达到定向辐射的目的。

2.4阵元模型的设计和排阵

设计阵元模型:

    首先，计算半波阵子的臂长，要求设计的频带在1700MHZ～2500MHZ范围，可选其中心频率12f0="> 2100MHZ最为求解频率。

           12位=c f0�56 "> =12 2.99792*1082.1*10�569�56"> m =0.14275809m12鈮?/m:t>"> 142.76mm

半波振子的臂长为12l=位4"> = 35.69mm，

半波振子的半径a=2～12mm之间，通过优化可得到最佳的振子半径。一般而言随12la"> 的增大，阻抗参数曲线变得平滑，天线的带宽将会有所增大。用此方法可以在一定程度上改善带宽。

一般而言，振子的间距设计在0.87512位"> ～12位"> 之间，通过优化具体确定。

利用HFSS软件单个振元模型的设计图如下：

     图2.4-1 单个半波振子的振元模型图

图2.1-1中内圆柱为半波振子，关于XY平面对称，中间为LumpPort的馈电形式。振子单臂长度l=35.69mm，振子半径a=10mm，靠近外侧的大圆柱体为模型的辐射边界辐射半径radiation_rad=142.76mm。

为保证天线的垂直波束宽度在6度到8度之间，天线的排阵方式为垂直方向上叠加8个半波振子，每两振子间中心距离为125mm。

排阵后天线阵图如下所示:





图2.4-2   排阵后天线模型示意图

设计好阵列模型过后，通过在天线后侧放置巨大的金属反射板，通过调整反射板的距离能保证能量尽量向前方辐射。这样就通过水平-垂直方向同时压缩获得最理想的增益。

在设计的阵列后加反射板，反射板距离阵列在（lambda/4，lambda/2）之间。图2.4-2阵列后为所加反射板。

在移动通信中天线反射板的形状主要影响天线的前后比及水平方面的辐射方向图。一般而言，基站天线的前后比大于25dB,在25～30dB的天线中一般选择前后比较大的天线。

在反射板前方左右两边加相同材料矩形挡板，用以汇聚半波振子向正前方辐射能量。这样可以进一步提高增益和方向性。如下图所示反射板呈凹槽状。

图2.4-3 凹槽形反射板俯视图

反射板的设计参数：

具体设计反射板的高度为1056.92mm，宽度200mm，厚度2mm，反射板左右两边前方矩形挡板宽度30mm，高度仍为1056.92，厚度2mm。辐射边界到Z轴的距离为100.96mm。在实际应用中并无辐射边界模型，它只不过是HFSS软件在仿真求解过程中虚拟构造的边界条件，但它与实际设计出来的天线误差很小。采用凹槽状的反射板可以进一步提高天线的增益，前后比。

在仿真过程中，采用等幅同相的馈电方式对阵列进行馈电。

采用HFSS11对天线进行仿真，采用模式驱动，设定最高频率点为2.5GHz，扫频范围1.7GHZ～2.5GHZ，采用快速扫描方式，扫频间隔为0.01GHz。

3.天线仿真及分析
本仿真设计采用Ansoft HFSS 11软件进行，具体得出驻波，水平波束宽度，垂直波束宽度，前后比，增益等电参数，设计出符合要求的设计指标。

3.1 pec材料天线的仿真结果
设置其反射板和振子为pec材料，运行后得到天线的参数如图所示。

图3.1-1 各单元振子VSWER参数

3.1-1图为天线的8个振子的驻波参量，由此图可知在1.7GHZ到2.5GHZ内天线的驻波小于1.46，一致性较好，满足了通信中驻波小于1.5的要求。在2.1GHZ左右达到最低点，该天线辐射效率高。

图3.1-2 8单元天线的S参数

图3.1-2所示，S参数和驻波比（VSWR）同样都表示其带宽与频率的关系，从S曲线上可得S参数最大值全部小于-14dB,在2.1GHZ左右达到最低点。从图可知在1.7GHZ到2.5GHZ内全都满足通信标准。其带宽满足800MHZ带宽的超宽带特性。
3.1.1在1.7GHZ频率的仿真
求解频率在1.7GHZ的仿真结果如下，设置材料为pec。

3.1-3 增益随角度Theta的变化曲线

从图3.1-3可得最大增益为17.2991，降3dB的值为14.2991，和图中m3，m4的增益值对照，可知14.2991该值m3和m4之间，m3和m4对应角度分别为94deg和95deg。由此可得垂直波束宽度在8～10deg之间。ｍ２的值为-15.4238。显而易见，前后比为17.2991+15.4238=32.7229dB。

图3.1-4 垂直方向辐射方向图

图3.1-5 水平方向辐射方向图

图3.1-5显示出水平方向辐射方向图，m1为增益最大值点，其值为17.2991dB，下降3dB的值为14.2991。与图中m2和m3的值最接近。由此可得水平方向波束宽度为70～72deg之间。基本符合要求65±5deg的要求。

3.1-6 3D辐射方向图

3.1.2在2.1GHZ频率的仿真
求解频率在2.1GHZ，反射板和振子材料设为pec

图3.1-7 直角坐标系phi在0deg的全向增益（dB）

图3.1-7中标记数据可知theta在90deg的增益为17.7099。m2=13.8184，m3=15.6066，可知，垂直波束宽度在6～8deg。

图3.1-8 直角坐标系phi在0deg的全向增益

图3.1-8可知m1=17.7099，m2=-7.4118。可知其前后比为m1+m2=17.7099-（-7.4118）=25.1217dB。前后比大于25dB，在25dB~30dB之间满足要求的技术指标大于25dB。

图3.1-9 垂直方向的辐射方向图

图3.1-10 theta=90deg的水平方向图

图3.1-10为水平辐射方向图，图中最大点m1的增益为17.5423，由该图可知，天线在H面具有良好的方向性，还可看出，它的后瓣十分平滑，在-8dB以内，并在整个工作频段内辐射方向图较稳定。

图3.1-11 3D辐射方向图（1）

图3.1-12 3D辐射方向图（2）

3.1.3仿真结论
设置材料为pec时，对1.7GHZ和2.1GHZ两个频点进行仿真进行比较：

频点 Cl'3I%$8K ZE"Z_E;r	1.7GHZ Vv~:^6il TptXH?	2.1GHZ G&v. cF#Y' [B"CNnA
材料属性 X.hVMX2B 5d5q0bb	Pec (g#,AX 1xt N3{c	Pec ~4C:2 #hP&;HZ2>"
水平波束宽度 _%6Vcy JN<IMH	70deg WJ m:?, c(!8L\69V}	84～86deg _do( >TQnCG=
垂直波束宽度 oK{H <79 V;>u()	8～10deg 2kQa3Pan )Qixde>]p	6～8deg .80L>0 YDdY'd`*
增益最大值 N[8y+2SZ @Sd l~'"	17.2991dB Yn1CU 4Q5c'	17.7099dB 5$Aiez~tBq =~F.7wq*^
前后比 d}_%xkC 6n5>{X	32.7229dB u\|uPvbM E-XFW]I	25.1217dB nN[gAM ( =VM4Q+'K
驻波 -3eHJccB /%5X:*:H	（1.4，1.5）之间 1)N{!w` 7(1UXtT	<1.1 XbL\l `o,D[Jd

表3.1.3-1

表3.1.3-1可以看出，在1.7GHZ频点和2.1GHZ频点，材料为pec，时，首先比较前后比，一般选择前后比较大的。可选1.7GHZ频率作为工作频率。在1.7GHZ其前后比为32.7229dB。2.1GHZ水平波束宽度在84～86deg，超出了要求的水平波束宽度，超出15deg左右。

选择pec材料，其相对介电常数为1，相对磁导率为1.

从仿真结果可以看出，pec材料仿真的数据基本满足要求的设计技术指标。

结论：

表3.1.3-1描述的是阵列在1.7G、2.2G这两个频点仿真参数值的比较，由表1.3.1-1可以看出，阵列仿真所得的3dB波束宽度在70～86deg之间，基本满足65°±5°的要求，在2.1GHZ的频点水平波束宽度稍大；前后比最差达到25.12dB，也满足了25dB的指标要求；在±60°的范围内更是超过了14dB，也都满足行业要求。总体而言，该阵列取得了较优的水平面辐射特性。同时，阵列在整个工作频带内的增益为15～17dB，最高达到17.7dB。

3.2具体材料的天线仿真结果
以铝为反射板材料。铜材料为振子模型。铜的相对介电常数为1，相对磁导率为0.999991。铝的相对介电常数为1，相对磁导率为1.000021。

图3.2-1 S参数随频率变化曲线

由图3.2-1可知S参数曲线在1.7GHZ～2.5GHZ全都小于-14dB，可知其满足800MHZ的带宽要求。

图3.2-2 驻波随频率的变化曲线

图3.2-2中展示出驻波随频率的变化曲线，可知在2.1GHZ左右达到最低点，驻波在1.7GHZ～2.5GHZ全部小于1.5，满足通信指标。

3.2.1在1.7GHZ频率的仿真
设置求解频率1.7GHZ，铜材料作为半波振子，铝材料作为反射板，进行仿真。

铜的相对介电常数为1，相对磁导率为0.999991。铝的相对介电常数为1，相对磁导率为1.000021.

图3.2-3增益随Theta的变化曲线

由图3.2-3可知峰值增益17.4805dB，后瓣最大增益为-11.4226，可得前后比为17.4805+11.4226=28.9031dB。峰值下降3dB时的值为14.4805，该值和图中标记的m3的值最接近，对应的x轴的值为94deg，由此可推出垂直波束宽度

大于8deg，垂直波束宽度为8deg~9deg，符合要求的大于6deg技术指标。

图3.2-4 垂直方向增益随Theta的变化辐射方向图

图3.2-4为垂直方向随Theta的变化辐射方向图，从图中可看出其后瓣低于-8dB，主瓣增益为17.4805dB。该材料天线前后比较大，对其后侧方向的辐射影响较小。

图3.2-5 水平辐射方向图

图3.2-5为水平辐射方向图，由图可知最增益在1deg，最大增益职位17.4812，下降3dB时的值为14.4812dB，图中标记m2的增益值14.3163dB和14.4812dB最接近，m2该点Phi=36deg。36deg-1deg=35deg。所以水平波束宽度为35*2=70deg。要求的水平波束波束宽度65±5deg。水平波束宽度70deg满足65±5deg的技术指标。从图还可以看出其前后比远大于25dB。

图3.2-6 3D辐射方向图

3.2.2在2.1GHZ频率的仿真
设置求解频率为2.1GHZ得到天线的各项参数值。

以铝为反射板材料。铜材料为振子模型。铜的相对介电常数为1，相对磁导率为0.999991。铝的相对介电常数为1，相对磁导率为1.000021。

图3.2-7 增益随Theta的变化曲线

图3.2-7中Theta在90deg增益最大为17.5037。后瓣在270deg的增益为-8.4181dB。可知，前后比为17.5037-（-8.4181）=25.9218dB，满足通信行业中大于25dB要求。从图中标记处可看出，m3的X轴值为93deg，Y值为15.4092dB。m4的X轴值为94deg，Y轴的值13.6225dB。主板最大值下降3dB的值14.5037在标记点m3和m4Y轴值之间。由此可得， 94-90=4deg，93-90=3deg3dB垂直波束宽度为6～８deg之间，满足垂直波束宽度大于6deg的通信要求技术指标。

图3.2-8 垂直方向辐射方向图

由图3.2-8图可知该辐射方向图的后瓣为-8.4189，主瓣最大值为17.5037.其前后比为25.9226d

3.2-9 水平辐射方向图

图3.2-9为水平辐射方向图，由图可知最大增益为17.7003。最大增益两边随角度的增大，增益的减小非常缓慢，由图可知大约在42~44deg增益下降约为3dB。可知其水平波束宽度84~86之间，比要求的65±5deg大14deg～１6deg。但该设计在三扇区移动通信中仍有价值，因为主瓣增益下降缓慢在65deg区域中信号功率很强，通话质量十分好。但缺点是会影响相邻扇区的信号导致越区切换不易判定。

图3.2-10（1） 3D辐射方向图

图3.2-10（2）旋转后的辐射方向图

如图3.2-10（1）和3.2-10（2）显示了3D辐射图，主瓣正前方增益最大，随phi的增大增益逐渐减小。垂直方向Theta=90deg主瓣前方增益最大，随Theta越远离90deg，其增益值逐渐减小。

3.2.3仿真结论

工作频点 k_}aiHdG }co*%F{1	1.7GHZ w2/3\3p erC)2{m	2.1GHZ F:o<E 42 {zf)im[.
增益 CS<,qvLpL T.{sO`	17.4805 @&G< Np` yd-Kg zm8n	17.5037 &/7D4!N] &bO5+[
前后比 ^`&?"yj<z @h&crI[c	28.9031 u{_jweZ UZ"jQJQ	25.9218 !u;r<:g! \|VPJaiC~
垂直波束宽度 Q-:IE T `0qBuE_^h	8～９deg W$X@DXT=o [`eqma	６～８deg 6HyndB^ kA1C&
水平波束宽度 ;F:~HrxT} _ Db05:r@	70deg XW*,Lo5>H\ _poe{@h!	80～８６deg IV5B5Q'D =Q!)xEK
振子材料 =/b WS,= Zoi\r	铜材料 T1&^IO-F7$ D@cv{ _M/	铜材料 GvCB3z V>YZ^>oeH
反射板材料 AKbrXKx ?tJyQT	铝材料 }>\|M6.n " x/pM.NZF1	铝材料 U(jZf{`Mz q\|23l1PI
驻波 \~:Uj~ =(^-s Jk	（1.4，1.5） lW!}OzE(m L =kc^dU	<1.1 \|QIFtdU5T /s\_"p

表3.2.3-1不同频点天线参数比较

由表可知在1.7GHZ和2.1GHZ两个工作频点基本满足要求的通信指标，在1.7GHZ频点，天线各性能指标更好一些。在2.1GHZ由表可看出水平波束宽度过大。水平波束宽度约超出10deg左右。

3.3仿真结果分析
通过仿真可以得出，选用半波振子，采用垂直排阵的方式，在垂直方向叠加8个半波振子的方法，可以满足1700MHZ～2500MHZ超宽带基站定向天线的设计。

使用不同材料，pec，铝，铜时，由仿真驻波可看出：驻波全都小于1.5，带宽满足要求，垂直波束宽度在6deg～10deg之间，满足要求的技术指标。水平波束宽度在68deg～86deg，在低频点如1700MHZ附近工作频点，水平波束宽度在70deg左右，满足通信标准，随频率的升高，当工作在2500MHZ附近时，水平波束宽度会增加达到80deg以上，导致天线超出覆盖范围。因此，在此本人提出了两种改善的方法，（1）增加半波振子的个数，增加1～２个半波振子，这样会使增益更加提高，垂直波束宽度更窄，但会满足大于6deg的要求。水平波束宽度将会降低。（2）对反射板进行改进，降设计的U型反射板进行改进，降反射板加宽，U型反射板改善，对外层侧边作倾斜的特殊设计，以改善阵列的前后比特性以及阵列波束的收敛性。

仿真中对1700MHZ和2100MHZ频点进行定性分析。分析得出：在1700MHZ的工作频点，增益大于17dB，水平波束宽度68deg～70deg，满足要求的设计指标。垂直波束宽度在6deg～10deg之间，满足要求。驻波小于1.5，满足通信行业标准。由半波振子构成的天线设计简单，制造工艺简单，而且满足要求的设计指标。因此可认为该天线的设计研究有一定的学术价值和应用价值，对今后超宽带天线的研究也有一定的价值。可作为2G，3G通信的基站天线。

致谢

本论文是在曾朝华老师的指导下完成的，曾老师对学术的严谨和精益求精的工作作风给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。在完成毕业设计以及撰写论文的时间里，导师为我创造了优越的学习和实践环境，使我获取宝贵理论知识同时又在实践中不断提高自己。曾导师在这段时间里，不仅亲自知道我完成毕业设计，还要求我每次准时听他给研究生的讲课，这对我毕业设计的完成起到了很大的推动作用。同时我在此也要感谢通信学院刘建老师对我的毕业设计提出了许多宝贵的建议。

感谢曾老师的研究生白新照学长给我提供很多天线方面的资料以及对我毕业设计中遇到的问题，给予一一解答。

由衷的感谢舍友陈思锦，让我在他电脑上进行仿真设计，撰写论文，对舍友的支持和帮助我表示十分感谢。

由衷感谢我的同学，他们对本论文的各种有益建议和帮助，使我的论文在讨论中不断获得进展。

最后，感谢曾经帮助过我的所有老师，衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的老师和教授们!

附录
本文中对称振子采用的激励为Lumped port，由于8个半波振子在工作时，它们之间存在互耦，这会导致它们的阻抗特性有所变化。以下是它们个Lumped port端口的阻抗值。

端口 wQ7G_kVp fcuU,A	电阻 +0,{gDd+ [Ipg",Su;f	电抗 +EmT+$>J Xy74D/ocui
Lumped port1 wz,T7L *q?-M"K	83.2111 ,<^7~d{{3m \|HjoaN)	-67.2927 wc3OOyP@0 <h$Nh0
Lumped port2 b;N[_2 \8~P3M":c	83.2111 ?HP54G<{xz 6a+w/IO3OU	-67.2927 N34.Bt =?*6lS}gy
Lumped port3 U%Kv}s/(F{ T[z]~MJL	64.5769 "w)Y0Qq*z PJ=N.xf}	-65.8596 (\|6Y1`` ]kN<N0;\d
Lumped port4 ,+u.FQv~ 62R94	65.4824 ]8}+%P,Q )wmG&"qsP	-65.2960 C)7T'[ !Od?69W, $
Lumped port5 ,s%1#cbR Z$0+jpG_s	65.4146 /D]V3\|@E & *^FBJEa.	-65.1740 6N{Vcfq 9(9+h]h+3
Lumped port6 eb])= ];-DqK'	66.3298 \|M*jo<C uB(16\|W>S	-65.4243 GwOn&EpY! 4k HFfc
Lumped port7 OX"^a$ fQ\nK H~	65.5447 X#qmwcF i/&?e+i	-65.7549 <K~> :4c 6I$laHx?
Lumped port8 BZ]6W/0 a?zn>tx	64.7962 6,ZfC<) I^M%+\	-65.8944 _f~(g1sE jm-J_o;}z6

表一

驻波比的影响

良好的驻波对天线效率的影响。

驻波比VSWR kWF/SsE #Ub"Ii	回波损耗（dB） BFU6?\r 6@7K\${	传输损耗（dB） Zu4\|1W W\'njN	反射功率（%） W"m\\|x 7,i}M	传输功率（%） )HrFWI'Y b7 pD#v
1.00 02Ftn&bi cTA8F"UGD	无穷 b8?qYm tQSj[Yl	0.00 m;=wQYFr{I -_m>C2$6x	0.00 LQ,RQ~! \|ZEZ@y^	100.0 Zz"b&`K b`NXe7A
1.10 7x/S4Gs'4 E+Jh4$x{	26.4 vv2N;/;I *]ROUk@K=	0.01 p2c4 <f-M ?_\t7f	0.2 9,?\hBEu U~~Y'R\NU	99.8 }Yi)r*LI3 2Xu?/yd
1.20 xW$F-n U>q&p}z0H	20.8 [}7j0& G}o?lo\#h	0.04 ]L'FYOfrpx h8b*=oq	0.8 }Pm>mQZ}, +Zaew679	99.2 T ;Ga G 9;Z2.P"w
1.30 ?4X8l@fR 49)A.Bh&!	17.7 R&w2y$ u!k]Q#2ZR	0.08 M*DFtp< ?'xTSAn	1.7 ~s}0z&v^te 1E(~x;*)	98.3 IrAc&Ehul =j)y.x(
1.40 v&6=(k{E@R 'Zq$W]i	15.6 :NB,Dz+i s m42	0.12 CaX0Jlk* '~dE0ohWb	2.8 f@ &?K< @WppiZ$	97.2 [C GFzxz$ Cd4a7<-
1.50 /UJ@e vepZod}D	14.0 }uI(D&?+h T&?0hSYt	0.18 Qg)=4(<Hr 2<dl23	4.0 4$~]t:n NDG3mCl	96.0 U'pm5Mc\q b&LfL$
2.00 M7Pvc%\) Hx}K wS	9.5 / 38b:, <Tq&Va_w	0.51 8>:kv:MId ya81z4?	11.1 \|!r.p_Zt Rp~#zt9:	88.9 ryz [A:^G NF& ++Vr6

表二

理论上，天线的增益如表三（单位dBd，如采用dBi，数值会增大2.15），其中纵轴表示振子数目，横轴表示水平波束宽度。实际天线开发出来后，增益会略小0.5-1dB。

N4 O'{ Z[.+Wd\)-9	360deg 9NH"Ik* ; Q-f6)+&	180deg xy@1E; gTI!b	120deg `O-LM e eqt+EiH	105deg )4d)G5{ < bHu9D	90deg 9aLS%-x!+ +39Vxe:Oy	60deg q!iMc jB8n\8Bs
1 4<SguW E$z)$`"1	0 _":yUa0D ,&S^Ryc	3 *7"R[!9 ,"U8Fgf[r	4 ^ <Z^3c>/ :Zy7h7P,lT	5 #1MEmt !6eXJ#~[E	6 <1(:W[M Nw'3gJ:	8 b P>!&s_ T-Od\|T@[
2 ]w _,0q c#qOK	3 Q AJX7 !P7##ho0	6 1a#oJU r7tN(2;5	7 yVThbL_YJ LEM{$Fxo&	8 :kycIM]s 2 }QD>	9 uN`{; Av =<-tD<	11 0A%>'< @MfuV4*
3 8ALvP}H CIt>D'/YT	4.5 C;DNL^ xF)AuGdp\	7.5 =d/\8\4 gf]biE"k	8.5 6qA48:/F= ;!<WL@C~	9.5 Az.k6)~ im&E\`L7	10.5 @l9qH1 G"CV S@	12.5 2[&3$-] bl\|k6{A
4 &tFVW[( $or?7 w>	6 W_EM k \|H67ny&K^&	9 %K^l]tWa@ t<O5_}R%d	10 ?^i$} .%W .p%p_	11 Q]_3 #_' zr9o	12 R9SJ;TsE ,63hO.4M	14 i/rdPbq IxT[1$e
6 ; Xy\7tx uLYz!E+E	7.5 e{edI{g gWp\?La	10.5 hWK}] gF W G2 E3y	11.5 JZp*"UzQr )^UM8 s	12.5 \H$Ps9Xh _8C0z=hz	13.5 N> RabD `fEB,0j^	15.5 &x{CC@g/ 8tWOVLquJ
8 @R=gJ:&a hd~X c	9 66<3zadJZU qu[ ~#	12 aH)$#6${Ap 3kFOs$3	13 i<\|5~tm X>mY`$!/	14 {aI8p}T ` bd	15 ;aBK4<-vl Evkb`dU3n	17 Ghgx8 ]e !3>(fj+QS

表三

主要参考文献
【1】王铮张建华   黄冶编著                 天线与电波传输

【2】谢处方饶克谨       编著                 电磁场与电磁波

【3】Ahmed ELZooghby著                         smart antenna engineering

【4】李明翔编著                              HFSS应用详解电磁仿真设计

【5】林昌禄   编著聂在平副主编               天线工程手册

【6】侯维娜                            AnsoftHFSS仿真软件在天线教学中的应用

【7】Yang,X.,S.Ghaheri,and N.R.Tafazolli,“Sectorion Gain inCDMA Cellular Systerms”First Internetional Conference on 3G Mobile Communication Technologies,2000,pp.70-75.

【8】Stutzman,W.L.,and G.A.Thiele,“Antenna Theory and Design,”John Wiley and sons,1998.

【9】Joseph C.Liberti. 无线通信中的智能天线IS-95和第3代CDMA应用. 北京，机械出版社，2002:59～87

【10】殷际杰. 微波技术与天线. 北京，电子工业出版社，2004:219～292

【11】Ansoft High Frequency Simulator Tutorial(The Dipole Antennas)    April 2004

【12】http://www.rfeda.cn http://bbs.rfeda.cn http://blog.rfeda.cn(微波仿真论坛，专业微波社区)

【13】韦慧民李白萍编著蜂窝移动通信技术.西安电子科技大学出版社，2003.5

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mrgong	技术分 +1	支持原创	2011-06-07
mrgong	rf币 +10	感谢您提供的资料，期待您继续分享！	2011-06-07

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