论文总字数：22090字

目 录

1.绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要内容及章节安排 2

2. 宽带天线简介 4

2.1 宽带天线的基本参数 4

2.1.1 天线的带宽 4

2.1.2 天线的输入阻抗与VSWR 5

2.1.3 天线的增益 5

2.1.4 天线的方向图 6

2.2 套筒天线的结构 6

2.3 天线加载技术 8

3. 基于顶部加载技术的套筒天线的设计和仿真实测分析 9

3.1 顶部加载套筒天线的设计目标 9

3.2 顶部加载套筒天线的设计与仿真 9

3.2.1 顶部加载套筒天线的结构 9

3.2.2 顶部加载对套筒天线的影响分析 11

4. 对影响顶部加载套筒天线的因素的研究与分析 15

4.1 影响套筒天线性能的因素 15

4.2 天线尺寸对顶部加载的套筒天线性能的影响分析 15

4.2.1 尾巴长度对顶部加载的套筒天线的影响分析 15

4.2.2 尾巴半径对顶部加载的套筒天线的影响分析 16

4.2.3 内套筒长度对顶部加载的套筒天线的影响分析 16

4.2.4 内套筒半径对顶部加载的套筒天线的影响分析 17

4.2.5 外套筒长度对顶部加载的套筒天线的影响分析 17

4.2.6 外套筒半径对顶部加载的套筒天线的影响分析 18

4.2.7 内芯长度对顶部加载的套筒天线的影响分析 19

4.2.8 内芯半径对顶部加载的套筒天线的影响分析 19

4.2.9 顶部加载铜块的长度对顶部加载的套筒天线的影响分析 20

4.2.10 顶部加载铜块的宽度对顶部加载的套筒天线的影响分析 21

5. 基于顶部加载套筒天线的仿真设计及参数优化 22

6. 总结与展望 24

6.1 论文的工作总结 24

6.2 后续研究工作 24

参考文献 25

致谢 27

新型套筒天线的研究与设计

周鹏

，China

Abstract: In this paper, starting from the structure of traditional sleeve antenna, in order to realize the broadband antenna as the goal, by introducing the top loading techniques to reduce the height of antenna, finally designed a sleeve antenna based on the top load.By new technology of loading based on the top of the sleeve top loading part of the antenna structure is discussed and implemented a new top can cover 1.6 GHz to 1.8 GHz loaded sleeve antenna, the antenna within the band, all can achieve good matching pattern (VSWR lt; 1.5), with omni-directional antenna in horizontal direction in the direction of the diagram, and in its working frequency range of the gain is higher than 2 db, finishing the antenna has a certain practical value.

Key words: new sleeve antenna;Gain;Top loading;VSWR

绪论

研究背景与意义

随着通讯技术的高速发展和智能移动产品的逐渐普及,无线通信在人们的日常生活和军事国防中扮演着越来越重要的角色。与此同时，无论是军用通信还是民用通信，人们对通信设备的质量要求也越来越高，对通信技术指标的要求愈加苛刻。而作为电磁波的发射和接收装置，天线在无线通信起着举重若轻的作用，良好的天线可以大大地改善通信系统的整体性能，提高通信设备的发射和接收效率。而原有的传统窄带天线已越来越难以达到现代通信的高指标要求，因此研究出一种损耗小、匹配好、效率高的宽带天线，对提高无线通信质量，推动无线通信的发展，有着重要的研究意义。此外，在移动通信中，通常的标准为VSWR小于1.5，而目前天线设计的目标多VSWRlt;2.0、VSWR＜2.5，甚至更高，这就表明天线可能会有相当一部分的电压会被反射到四周，这种情况在通信大功率运行时是个十分严重且亟待解决的问题。造成这种现象产生的根本原因是太大的VSWR会造成天线产生很强的反射，弱化天线的性能，更严重的是产生的反射波还会对运行中的天线设备产生干扰，使天线不能正常工作，久而久之，天线的设备可能也会出现不同程度的损坏。

与此同时，社会经济的发展也在推动着科学技术的不断革新，轿车也开始慢慢进入寻常百姓人家的生活，而人们追求的也不再仅仅是一辆代步工具，这样就促使着轿车的发展朝着更先进、更高端、更智能的方向前进。轿车的智能化发展离不开优越的车载天线，而目前我国的车载天线仍存在着一些固有的缺点，例如电压驻波比过大、隐身效果不够突出等。为了满足这些先进技术的需要，迫切地需要我们研究和设计出低VSWR、低损耗且匹配良好的车载天线，能够在一定程度上提升天线的工作性能和通信范围。针对这种现象，本文围绕可以用作车载天线的新型顶部加载套筒天线进行了深入的研究和讨论，取得了一些富有创造性的成果。

1.2 国内外研究现状

随着天线技术的不断发展，人们对宽带天线的质量要求日益提高。套筒天线的发展起源于二战时期，当时的人们偶然发现如果在传统单极子天线的四周围上一个金属筒，就能够在一定程度上提升天线的性能，并且还能拓展天线的带宽，这就是最原始的套筒天线。此后，诸多科学家开始了对这种新式套筒天线进行大量的科学实验和研究。最为大家所熟知的就是“Theory of Linear Antennas”，这本书是由R.W.P.King在1956年发表的。R.W.P.King在这本书中首次对套筒天线进行了系统的理论分析，但他是把套筒天线看做半径不变的单极子天线来进行实验研究分析，所以致使最后得到的结果与正确结果存在着很大的偏差^[11]。Mayes和Poggio在1964年使用了一种新的方法，他们把天线的馈电点放置在了更高一点的位置，而不是像传统天线的馈电点是在底部，这种方式推动了套筒天线更进一步的发展^[13]；1988年，Chang和Rispin把天线上的驻波电流纳入研究范围，对各种影响套筒天线的因素展开了更加深入的研究和分析^[14]。同时在这一年Wunsch教授又利用傅里叶级数法对套筒天线进行了新一轮的研究和分析，并最终依靠研究总结出了套筒天线的方向图和阻抗特性，使套筒天线的发展迈向了一个新的台阶；1994年，西安电子科技大学的周良明设计出一种新型的宽带直立套筒天线，该种天线用金属管来替代天线的导电地面，降低了天线的损耗，使天线具有了较高的增益^[6]；2006年，K.George Thomas提出了一种宽带双套筒天线，对套筒天线的发展起到了重要的作用^[21]；2007年，陈瑾 、傅光、吴广德采用给传统天线加顶负载的方法研究出了一种小型化开式套筒加载天线，有效地降低了天线的高度,并且采用开式套筒结构大大地缓解了单极子天线对地面的附着性,并运用电阻电感混合加载技术进一步拓宽了天线的工作频带^[27]；同年西安电子科技大学的卢昭和傅光对套筒单极子天线进行了改进，采用一种新型的加粗套筒单极子辐射体来拓展天线的阻抗带宽，在保证具有可靠的增益效果和全向方向图的情况下拓展了近4个倍频程的天线阻抗带宽^[12]；2008年西安电子科技大学的王磊、傅光、陈俊对套筒天线的形式上做出了改变，在原套筒的顶部加载锥体，大大地提高了套筒天线的电性能^[28]；2010年，西安电子科大的龚书喜、张鹏飞和王山对传统套筒天线做出了改进，设计出一款与地无关的新型宽带双套筒天线，在拓展套筒天线带宽的基础上又能做到良好匹配^[22]；同年，西安电子科技大学的张涛、傅光、张志亚、陈曦和梅征又提出了一种新型的宽带套筒印刷天线，这种天线通过顶部加载的方式降低了传统天线的高度，并且采用的平面套筒结构和渐变的三角辐射贴片有效地拓宽了天线的阻抗带宽，实现了天线的宽频带特性^[30]；2010年，北京航空航天大学的丁宸聪和王忍设计出了一种新型的超宽带单极子套筒天线，该种天线采用双套筒结构，利用圆柱和圆锥互相组合在一起来代替传统套筒天线的圆柱模式作为辐射体，不仅大大地拓展了天线的阻抗带宽，而且还一定程度的减小了天线的体积^[25]；2013年，马志峰和陈星采取了顶部加载金属圆盘和四周加载金属套的措施，设计了一种兼具有带宽和小型化特性的微带单极子天线^[29]；同年，王忍、俞钰峰和冯建杰又设计出了一款高增益的双套筒宽带单极子天线，此种天线采用的是双套筒和圆锥形互相结合模式作为辐射体结构，具有良好的不圆度和全向性，在达到高增益的同时，又能有效地拓展天线的阻抗带宽，并且还能一定程度的减小天线的尺寸，实用性颇高；2016年，钱锐发明了在天线主体的顶部和中部分别加载顶部螺旋线圈和中部螺旋线圈，在实现双频工作带宽的同时又能效地解决外置天线小型化的问题。

1.3 本文主要内容及章节安排

本文在对套筒天线的基础理论知识和主要类型进行总结之后，结合前人的研究成果，从引入顶部加载的思想入手，展开对新型的顶部加载套筒天线的具体分析和研究。在对理论知识研究的基础上，考虑到一些影响套筒天线性能的因素，再利用HFSS软件进行仿真验证，研制出了一种新型的基于顶部加载的宽带套筒天线。仿真后得到的天线水平全向，在1.6GHZ-1.8GHz的频段内性能良好，能够达到VSWRlt;1.5且增益大于2dB的效果，可以很好地适应现代车载天线对具有较大的阻抗带宽且同时能良好匹配的天线的需求。

本文总共分为六章，具体每个章节的内容大致安排如下：

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