瞬态电磁场测试用单极子天线的设计制作

论文总字数：25846字

摘 要

主要进行瞬态电磁场测试用单圆锥天线的设计制作，使其能够满足高铁、动车组等大型装备现场瞬态电磁骚扰测试的要求。

本文首先对瞬态电磁场的测试环境进行分析和研究，在已有单极子天线的基础上，通过改变天线的结构形状和具体尺寸，提高测试天线的低频响应与灵敏度。介绍了瞬态电磁场的特性、应用和研究现状，并对ANSYS HFSS和CST两款电磁仿真软件进行了简单地介绍和对比。对天线的方向性特性、阻抗特性、极化特性等基本参数进行了普及性的论述，对天线的宽带化技术进行了研究和探讨。介绍了无限长双圆锥天线的工作原理，分析了不同的圆锥天线的特性，概括了前人对圆锥天线一系列研究成果。基于双圆锥天线的理论，对传统的圆锥天线作出改进，设计一款宽频带小型的单圆锥天线。运用ANSYS HFSS软件对天线的各尺寸参数进行仿真分析，做出符合设计要求的单极子天线。其阻抗带宽可以覆盖200MHz-2GHz的频带范围，实现了低频宽带的设计要求，且辐射性能良好。

关键词：瞬态电磁场；单极子；圆锥天线；宽频带；低频响应

The transient electromagnetic field test with monopole antenna design and production

02012507 Guo Qian

Supervised by Zhou Zhongyuan

Abstract：

Mainly for the transient electromagnetic field tests with single conical antenna design and production, make it can satisfy the high speed rail, mu trains and other large equipment field of transient electromagnetic disturbance test requirements.

This article first analyze the transient electromagnetic field in the test environment and research, on the basis of the existing monopole antenna, by changing the structure shape and size of the antenna, to improve the low frequency response and sensitivity of the testing antenna. This article introduces the characteristics, application and research status of the transient electromagnetic field, CST and HFSS of ANSYS electromagnetic simulation software were briefly introduced and compared. The basic parameters of the antenna, like the directional characteristics, the impedance characteristics, the polarization characteristics were discussed in popularity, broadband technology of antenna is studied and discussed. Introduces the working principle of infinite double conical antenna, analyzed the different characteristics of the conical antenna, and summarized the previous series of research results on the cone antenna. Based on the theory of the double cone antenna, make improvement on the traditional conical antenna, design a broad band of small single conical antenna. Size parameters of the antenna were analyzed by ANSYS HFSS, to comply with the design requirements of monopole antenna. It’s impedance bandwidth can cover 200 MHZ to 2 GHZ frequency range, had achieved the design requirements of low frequency broadband, owned good radiation performances.

Key words: the transient electromagnetic field, monopole, conical antenna, broad band, low frequency response

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 2

1.3天线仿真软件介绍 3

1.4本论文主要内容与结构安排 4

第二章 天线的性能参数和宽频带天线 6

2.1 天线的方向特性参数 6

2.1.1方向图 6

2.1.2方向性系数和辐射效率 7

2.1.3天线增益 8

2.2天线的阻抗特性 8

2.2.1辐射阻抗 8

2.2.2输入阻抗 8

2.3天线的极化特性 9

2.4驻波比和回波损耗 9

2.5宽带天线 10

2.5.1宽带天线的带宽 10

2.5.2实现天线宽频带的方法 10

第三章 圆锥天线的基本理论 12

3.1 无限长双锥天线 12

3.2有限长双锥天线 14

3.3双锥天线的自相似原理 14

3.3双锥天线的改进和优化 15

3.4单圆锥天线的锥角对比 16

第四章 一款宽带单圆锥天线的设计与分析 18

4.1天线的设计要求 18

4.2 天线的选型 18

4.3 天线的结构 18

4.4变量参数的分析与确定 20

4.4.1天线锥角2θ对天线的影响 20

4.4.2 锥体高度h₁对天线的影响 20

4.4.3锥体顶端圆面与地板间距离h₂对天线的影响 21

4.4.4锥体顶端半径R₂对天线的影响 22

4.4.5接地板尺寸R₃对天线的影响 23

4.4.6是否添加半球形对天线的影响 24

4.5 确定天线参数 26

4.6天线实物测试 27

4.6.1频域测试 27

4.6.2时域测试 29

第五章 总结与展望 31

致谢 32

参考文献： 33

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

进入21世纪以来，人们逐步迈入了电子化、信息化、科技化的现代社会。随着当今社会科学技术的迅猛发展和人类生活的智能化、现代化，人们对于电子技术领域也提出了更高的要求。与日俱增的电子设备在给我们生活带来便利的同时，也使得我们周围的电磁环境越来越复杂。其中，瞬态电磁场的耦合效应是复杂的高功率电磁环境最主要的危害方式，能够对周围的各类电子系统和电子设备产生不同程度的干扰和破坏，复杂的电磁环境中会导致大多数电子设备出现工作异常的现象，因此对其的防护已经成为当今世界研究的重要课题之一。其中电子系统和电子设备中的瞬态干扰问题尤为突出，解决此类问题已经成为研究电磁兼容课题的重点研究方向^[1]。

瞬态电磁场即持续时间很短、变化很快的单个电磁脉冲或持续时间很短然则周期较长的重复电磁波在自由空间中产生的电磁场。瞬态电磁场又称宽频电磁场、脉冲电磁场或时域电磁场，从不同的方面共同说明了同一种电磁现象。瞬态电磁场产生的电磁脉冲信号与平稳的时谐电磁场所产生的连续波信号不同，具有以下几个明显特征：①瞬态电磁场的观察、测试和分析大都在时域内进行。②瞬态电磁脉冲的频谱能够从零Hz伸延到几十GHz，且幅值变化剧烈，可以涵盖大部分的无线电频段，在频域范围里能够体现出极宽的频带信息，蕴含的信息量极为丰富。③持续时间极其短暂。瞬态电磁场的电磁响应决定于系统的瞬态特性，呈现出“局域性”。④瞬态电磁脉冲一般表现为急速变化的陡峭的前沿和相对较为平稳的后沿。例如，适用于目标探测的脉冲，前、后沿均可以达到零点几到几纳秒；核电磁脉冲前沿约为10纳秒，后沿却可以长达1微秒；雷电电磁脉冲的前沿达到了1微秒，然而后沿却为1毫秒^[2]。

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