全波超宽带平面螺旋天线设计与分析
本次设计使用的软件是HFSS，采用双臂等角螺旋这种结构，使天线的频带达到了3.1-10.6GHz、尺寸在200mm内，与过去的产品比较，实现了超宽频段，而在频带相同的情况下，该天线的结构也较其他天线小，做到更加的小型化。
此次分析首先由频率计算出天线的尺寸，根据尺寸建模，其中螺旋线利用到了HFSS中公式编辑曲线和对称性的功能。辐射面的设计完成后，需要给天线配置一个馈电系统，本设计使用的是同轴馈电，这种馈电能够使天线具有良好的匹配。在优化过程中，对天线的尺寸进行了调整，通过不断的改进，最终得到了合适的参数和完整的设计结构。最终的数据表明，在所设计的频率要求内，本设计所研究的天线类型达到了初始设计的要求 M000227
关键词：平面等角螺旋天线 双臂 超宽带 小型
This article used the software HFSS to design.The double-arm equiangular spiral structure make the antenna’s frequency band range of 3.1 to 10.6 GHz, and the size below 200 mm. Compared with the traditional antenna, not only the UWB have been implemented, and the size is smaller than the other planar equiangular spiral antenna with the same frequency range.
Firstly, the size of the antenna is calculated from the frequency, then model according to the size.The drawing of spiral line use the formula editor curve and the function of symmetry in the HFSS.After the design of the radiation surface, we need to give the antenna a feeder system.This design uses the coaxial feed.The feed can make antenna has a good match. In the process of potimization,through continuous inprovement,I adjust the size of the antenna.Finally,I obtained the suitable parameters and complete the design of the structure.The final date shows that the designed plannar equiangular spiral antenna has reached the requirement of original design during the required frequency range.
Keywords: planar equiangular spiral antenna; double-arms; UWB; miniaturization
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1. 超宽带通信技术的发展 1
1.1 发展历程 1
1.2 技术特点 1
2. 超宽带天线 3
2.1 天线宽带的计算方法 3
2.2 天线的各类带宽 3
2.3 实现天线宽频带的方法 4
2.4 课题的背景及意义 5
3. 平面螺旋天线的理论分析 7
3.1 非频变天线 7
3.2 非频变天线原理 7
3.3 平面等角螺旋天线 8
4. 平面等角螺旋天线制作流程10
4.1 HFSS设计流程概述 10
4.2 平面等角螺旋天线的建模设计流程11
4.2.1螺旋面设计流程 11
4.2.2 馈电部分设计流程 14
4.3平面等角螺旋天线的参数设置 15
4.3.1设置端口激励 15
4.3.2设置边界条件 16
4.3.3设置求解参数 16
4.4 设计检查和运行求解分析 16
5. 测试结果及分析 19
6. 结束语 21
参考文献 22
致谢 23
1.超宽带通信技术的发展
1.1发展历程
追溯到1901年，超宽带（UWB）通信技术可以在马可尼著名的电报传输实验中看到雏形[1]。当时，由电火花放电产生了超宽带信号第一次完成了长距离的电报发送。但是在之后很长的一段时间内，随着超外差式接收机的问世，窄带通信方式一直占据主流，对超宽带通信技术的发展构成了阻碍，而超宽带通信技术发展缓慢的主要原因就在于相关器件和相关电磁算法的缺失。受限于有源器件的性能，从电路的处理增益上面来看，当时的超宽带收发机远低于用超外差式接收信号的机器。由于天线理论的研究很大程度上基于时谐电磁场方法，而且对于超宽带无源器件的分析、设计方法也存在很多弊端。但是随着之后的电磁学算法和快速傅里叶变换的发展，超宽带无源器件的仿真预测问题能够得到很好的解决，但是设计理论以及设计方法还在发展。
二十世纪六十年代，超宽带雷达技术和保密通信技术首先在美军得到发展，他们发现超宽带技术属于高度机密的军事技术，因为其系统的复杂度比较低，定位精度较窄带技术高，对于可截获性方面，也做得比较低，在之后的发展中部高，美军又发现了其发射功率比较低这一个优点。而超宽带技术真正得到了审批，能够走进寻常百姓的生活中，能够为百姓使用是在2000年之后的几年。
超宽带技术虽然已经研究了很长时间，但是这一个术语没有正式得到使用，直到1989年，美国第一次官方认可了这种名称，并被全球各界所引用。他们认为一个信号的20dB带宽>1.5GHz或相对带宽>25%时，即可被称为超宽带信号[2]。但随着技术的进步和使用需求，FCC在2002年又推翻了此前的说法，给出了新的理解。根据最新的技术研究审核通过了，超宽带通信系统可以使用频段为3.1~10.6GHz。
1.2技术特点
过去的窄带通信技术解决了很多的现实问题，衍生出来的很多设备都得到了很广泛的使用，但是近几年，超宽带设备进人公众视线后，就以一发不可收拾的优势打败了曾经风靡的窄带设备，超宽带也确实具有很多优势：
1)频谱复用能力强。
对于超宽带系统，它的发射功率在社会各界有不同的规范，而FCC的要求是最为苛刻的，使得超宽带系统能够以极小几乎可以忽略的干扰与其他无线业务共存，使得超宽带相对于窄带而言几乎就是噪声。
2)超高传输速率。
依据香农定理，超宽带通信系统的物理带宽最大为7.5GHz，可以支撑Gbps级别的信号传输。除此之外，超宽带通信系统能够在一定的空间中具有更多的信号存在。Intel公司的研究结果显示空间容量为1Mbps/，远大于一些窄带系统，如无线局域网、蓝牙等[3]。
3)低系统复杂度。
信号在调制解调过程中不需要载波，这一点可以简化传统超外差式接收机中的一些价格昂贵、能量消耗相对较高的本振和混频器等元器件。因此，超宽带系统的构造成本低，功率消耗也相对更低。
4)抗多径传输能力强。
多径衰落信道在移动通信领域一直是一个难题，尤其是对于窄带通信而言，有可能会导致信号强度急剧衰减。超宽带通信系统传输的是纳秒级的窄脉冲，具有非常短的反射波持续时间，因此抗多径传输能力很强。
2.超宽带天线
随着市场和技术对超宽带天线的需求，学术界和工业上对对超宽带天线技术的研究日益深入，也出现了两类技术划分：一种是类似于像本研究所涉及的技术，使用的是宽频带，辐射信号使用的是连续波；另一种是窄脉冲的信号，也是宽频带范围内[4]。
天线充当着发着和接收信号的任务，对于很多设备开说，是一个重要的组成部分，面对设备需要公用化、宽带化的需求，天线也就首当其冲得需要满足这个要求，需要工作在比较大的频率范围。
当下，学术界、研究所、工业界都在研究天线的宽频带特性，研究的重点在于，如何保证天线在非常宽的频带下依旧要满足良好的电特性。通常情况下，频率的高低，往往会导致影响到电性能的优劣，因此一种天线的频率性质决定了天线的带宽。研究人员往往根据天线的理论知识，按照最严格的要求来确定天线带宽，继而才能得到最优化的设备发射和接收效率。查看完整请+Q:351916072获取
此次分析首先由频率计算出天线的尺寸，根据尺寸建模，其中螺旋线利用到了HFSS中公式编辑曲线和对称性的功能。辐射面的设计完成后，需要给天线配置一个馈电系统，本设计使用的是同轴馈电，这种馈电能够使天线具有良好的匹配。在优化过程中，对天线的尺寸进行了调整，通过不断的改进，最终得到了合适的参数和完整的设计结构。最终的数据表明，在所设计的频率要求内，本设计所研究的天线类型达到了初始设计的要求 M000227
关键词：平面等角螺旋天线 双臂 超宽带 小型
This article used the software HFSS to design.The double-arm equiangular spiral structure make the antenna’s frequency band range of 3.1 to 10.6 GHz, and the size below 200 mm. Compared with the traditional antenna, not only the UWB have been implemented, and the size is smaller than the other planar equiangular spiral antenna with the same frequency range.
Firstly, the size of the antenna is calculated from the frequency, then model according to the size.The drawing of spiral line use the formula editor curve and the function of symmetry in the HFSS.After the design of the radiation surface, we need to give the antenna a feeder system.This design uses the coaxial feed.The feed can make antenna has a good match. In the process of potimization,through continuous inprovement,I adjust the size of the antenna.Finally,I obtained the suitable parameters and complete the design of the structure.The final date shows that the designed plannar equiangular spiral antenna has reached the requirement of original design during the required frequency range.
Keywords: planar equiangular spiral antenna; double-arms; UWB; miniaturization
目录 查看完整请+Q:351916072获取
1. 超宽带通信技术的发展 1
1.1 发展历程 1
1.2 技术特点 1
2. 超宽带天线 3
2.1 天线宽带的计算方法 3
2.2 天线的各类带宽 3
2.3 实现天线宽频带的方法 4
2.4 课题的背景及意义 5
3. 平面螺旋天线的理论分析 7
3.1 非频变天线 7
3.2 非频变天线原理 7
3.3 平面等角螺旋天线 8
4. 平面等角螺旋天线制作流程10
4.1 HFSS设计流程概述 10
4.2 平面等角螺旋天线的建模设计流程11
4.2.1螺旋面设计流程 11
4.2.2 馈电部分设计流程 14
4.3平面等角螺旋天线的参数设置 15
4.3.1设置端口激励 15
4.3.2设置边界条件 16
4.3.3设置求解参数 16
4.4 设计检查和运行求解分析 16
5. 测试结果及分析 19
6. 结束语 21
参考文献 22
致谢 23
1.超宽带通信技术的发展
1.1发展历程
追溯到1901年，超宽带（UWB）通信技术可以在马可尼著名的电报传输实验中看到雏形[1]。当时，由电火花放电产生了超宽带信号第一次完成了长距离的电报发送。但是在之后很长的一段时间内，随着超外差式接收机的问世，窄带通信方式一直占据主流，对超宽带通信技术的发展构成了阻碍，而超宽带通信技术发展缓慢的主要原因就在于相关器件和相关电磁算法的缺失。受限于有源器件的性能，从电路的处理增益上面来看，当时的超宽带收发机远低于用超外差式接收信号的机器。由于天线理论的研究很大程度上基于时谐电磁场方法，而且对于超宽带无源器件的分析、设计方法也存在很多弊端。但是随着之后的电磁学算法和快速傅里叶变换的发展，超宽带无源器件的仿真预测问题能够得到很好的解决，但是设计理论以及设计方法还在发展。
二十世纪六十年代，超宽带雷达技术和保密通信技术首先在美军得到发展，他们发现超宽带技术属于高度机密的军事技术，因为其系统的复杂度比较低，定位精度较窄带技术高，对于可截获性方面，也做得比较低，在之后的发展中部高，美军又发现了其发射功率比较低这一个优点。而超宽带技术真正得到了审批，能够走进寻常百姓的生活中，能够为百姓使用是在2000年之后的几年。
超宽带技术虽然已经研究了很长时间，但是这一个术语没有正式得到使用，直到1989年，美国第一次官方认可了这种名称，并被全球各界所引用。他们认为一个信号的20dB带宽>1.5GHz或相对带宽>25%时，即可被称为超宽带信号[2]。但随着技术的进步和使用需求，FCC在2002年又推翻了此前的说法，给出了新的理解。根据最新的技术研究审核通过了，超宽带通信系统可以使用频段为3.1~10.6GHz。
1.2技术特点
过去的窄带通信技术解决了很多的现实问题，衍生出来的很多设备都得到了很广泛的使用，但是近几年，超宽带设备进人公众视线后，就以一发不可收拾的优势打败了曾经风靡的窄带设备，超宽带也确实具有很多优势：
1)频谱复用能力强。
对于超宽带系统，它的发射功率在社会各界有不同的规范，而FCC的要求是最为苛刻的，使得超宽带系统能够以极小几乎可以忽略的干扰与其他无线业务共存，使得超宽带相对于窄带而言几乎就是噪声。
2)超高传输速率。
依据香农定理，超宽带通信系统的物理带宽最大为7.5GHz，可以支撑Gbps级别的信号传输。除此之外，超宽带通信系统能够在一定的空间中具有更多的信号存在。Intel公司的研究结果显示空间容量为1Mbps/，远大于一些窄带系统，如无线局域网、蓝牙等[3]。
3)低系统复杂度。
信号在调制解调过程中不需要载波，这一点可以简化传统超外差式接收机中的一些价格昂贵、能量消耗相对较高的本振和混频器等元器件。因此，超宽带系统的构造成本低，功率消耗也相对更低。
4)抗多径传输能力强。
多径衰落信道在移动通信领域一直是一个难题，尤其是对于窄带通信而言，有可能会导致信号强度急剧衰减。超宽带通信系统传输的是纳秒级的窄脉冲，具有非常短的反射波持续时间，因此抗多径传输能力很强。
2.超宽带天线
随着市场和技术对超宽带天线的需求，学术界和工业上对对超宽带天线技术的研究日益深入，也出现了两类技术划分：一种是类似于像本研究所涉及的技术，使用的是宽频带，辐射信号使用的是连续波；另一种是窄脉冲的信号，也是宽频带范围内[4]。
天线充当着发着和接收信号的任务，对于很多设备开说，是一个重要的组成部分，面对设备需要公用化、宽带化的需求，天线也就首当其冲得需要满足这个要求，需要工作在比较大的频率范围。
当下，学术界、研究所、工业界都在研究天线的宽频带特性，研究的重点在于，如何保证天线在非常宽的频带下依旧要满足良好的电特性。通常情况下，频率的高低，往往会导致影响到电性能的优劣，因此一种天线的频率性质决定了天线的带宽。研究人员往往根据天线的理论知识，按照最严格的要求来确定天线带宽，继而才能得到最优化的设备发射和接收效率。查看完整请+Q:351916072获取
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/2438.html
