室内全向吸顶天线设计解剖.docx

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室内全向吸顶天线设计解剖

南京工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

***学号：

***

系部：

康尼学院

专业：

通信工程

题目：

室内全向吸顶天线设计

指导者：

***教授

评阅者：

***讲师

2013年6月南京

ADesignofanIndoorOmni-directionalCeilingAntenna

ADissertationSubmittedto

NanjingInstituteofTechnology

FortheAcademicDegreeofBachelorofScience

By

AiyaDay

Supervisedby

Prof.QiWang

CollegeofCommunicationEngineering

NanjingInstituteofTechnology

June2013

摘　要

本毕业设计在对天线基本理论、主要参数、工程应用进行详细阐述的基础上，采用基于有限元法的数值仿真技术HFSS，设计了一种全向辐射的吸顶天线。

天线能够在双频带806~960和1710~2500MHZ有效地工作，回波损耗小于-10dB，增益达到5dB。

根据仿真优化数据制作了一个室内全向吸顶天线的实验模型，利用网络矢量分析仪、路由器、笔记本以及wirelessMon等软、硬件对天线进行测量，包括回波损耗、辐射方向性和增益等，与仿真结果比较具有很好的一致性。

本文还对不同几何参数的吸顶天线物理性能的影响进行多方面的研究。

最终所设计的天线具有较好的工程应用性。

关键词：

室内全向吸顶天线；AnsoftHFSS；回波损耗；增益方向图

Abstract

Basedontheantenna'sfundamentaltheoryandthemainparameters,engineeringapplication,thispaperdesignedaceilingantennawithomnidirectionalradiation,whichisbasedontheFEMnumericalsimulationtechnologyofHFSS.Theantennacanworkinthedoublefrequencybandbetween806~960and1710~2500MHzeffectively.Theantenna'sreturnlossislessthan-10dbandthegaincanreach5dB.Accordingtothesimulationoptimizationdata,IconstructanexperimentmodelofOmni-directionalradiationceilingantenna.ByusingsoftwareWirelessMonandhardwaressuchasvectornetworkanalyzer,routers,laptopcomputer,theantenna'sreturnloss,radiationpatternandgainaremeasured.Itisshownthatthemeasureddatahasagoodconsistencywiththesimulationresults.Thispaperalsomadeall-roundstudytotheantenna'sphysicalpropertiesfordifferentgeometricparameters'.Thefinaldesignedantennahasgoodengineeringapplication.

Keywords:

IndoorOmni-directionalceilingantenna；AnsoftHFSS.Returnloss；Gainpattern

第1章绪论

1.1引言

天线是实现电磁波传播的必备器件：

信号发射端通过天线实现电磁波辐射，信号接收端通过天线实现电磁波感应。

所以，无论哪种通信系统，只要它的传输方式为无线传输，那么就必须使用天线，不必考虑该系统的工作频率为多少，在哪种频段，也不用考虑该系统用的何种多址技术或调制技术，

无线品种繁多，以供不同工作频段、不同极化方式、不同覆盖范围、不同结构、不同功能以及不同用途等。

天线在移动通信网络中起着举足轻重的作用，如果天线的选择类型不好或是天线的参数设置不当，都会直接影响网络的质量。

目前，在室内覆盖工程中大量使用的是传统的全向吸顶天线，其实在实际工程中暴露出了一些技术缺陷，如在高频段信号向正下方聚集、信号分布不均匀等。

为解决这些问题，研究人员开发出了众多高效率的新型全向吸顶天线[1][3]。

本论文的重点就是研究双频带全向吸顶天线的方向性和实现形式。

1.2选题背景与意义

随着城市里移动用户的飞速增加以及高层建筑物越来越多，话务密度和覆盖要求也不断上升。

由于建筑本身具有屏蔽和吸收作用，使得无线电波有较大的损耗，造成移动信号的弱场强区或盲区，并且建筑物类似大型购物商场、会议中心，因为移动电话的使用密度比较大，局部网络容量不能满足用户的需求，无线信道会发生拥塞的现象。

室内覆盖系统能够很好的解决上述问题。

室内覆盖是针对室内使用群、作为改善建筑物内的移动通信环境的成功方案，全国各地的运营商对此方案都较为认同。

该方案的原理是通过室内分布天线系统把移动基站的信号分布在室内各个角落，因而保证了室内区域的信号覆盖较为理想。

就现代技术发展来看对天线的要求不仅仅体现在电气性能上，对其他指标：

结构、质量、材料等很多方面的要求也越来越苛刻[2][3]。

为了适应现代通信设备的需求，天线研发的主要方面有：

减小尺寸，宽带和多波段工作、只能方向控制等。

由于电子设备的集成度越来越高，通信设备的体积也越来越小，这是天线对于整个设备就显得过大，这就需要天线减小自身尺寸。

然后，在不明显影响天线的增益以及天线的效率的同时减小天线的尺寸确实一项艰难的工作。

电子设备集成度的提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内来支持两个或更多的无线服务，宽带和多波段天线能满足这样的需求。

1.3国内外现状

1.3.1国内现状

随着经济的发展，城市中高楼密度不断增大，地下设施也不断增多。

导致移动通信的信号传播受到严重影响。

从而形成移动通信的许多盲区和死区。

为扩大基站覆盖范围，提高移动通信的质量，室内覆盖系统相继在各个城市建立起来。

不管是光纤，还是天线系统的室内覆盖系统，吸顶天线是系统不可缺少的重要组成部分[2]。

针对于传统的全向吸顶天线高频信号快速衰减和信号不均匀、不稳定等缺陷，中国联通自主研发出宽带广覆盖新型全向吸顶天线，使高频信号覆盖范围更广，信号分布均匀、稳定，解决了2G、3G无线网络的覆盖不同步的问题、改变了“小功率、多天线”的3G室内分布覆盖设计原则，并且工作频带更宽[1][6]。

1.3.2国外现状

有关吸顶天线的研究最早是由美国的J.Q.Howell和R.E.Munson完成的。

1973年，R.E.Munson提出了一种微带天线单元的设计。

1974年，J.Q.Howell对基本的微带贴片天线（矩形和圆形）进行了研究和设计。

从20世纪80年代开始，吸顶天线理论以及应用的深度和广度有了长足的发展，并逐渐趋于成熟。

时至今日，吸顶天线在室内有了大量的运用。

1.4毕业设计的主要内容

本论文主要对天线的基本参数、性能指标以及吸顶天线的理论基础、类型，性能仿真进行了介绍，对天线的方向性进行研究，主要包括了以下几个方面：

用HFSS软件建模天线并进行仿真。

对辐射方向图和回波损耗进行比较，找到内部的规律性。

通过改变天线的口径大小和尺寸，研究天线口径在不同尺寸下方向图的特点，并观察比较，得出不同方向图的差异及原因。

最后，就全文的成果加以总结，讨论了室内全向吸顶天线天线中遇到的难题及对进一步研究的展望。

第2章天线基本原理

2.1天线概述

日常生活中我们有关无线的工作都是基于电磁场电磁波基本理论的，同样，天线基本理论的核心内容也是电磁场基本理论。

在无线通信中，需要解决的首要问题就是在一定边界条件和激励条件下麦克斯韦（Maxwell）方程组的求解问题。

因此，天线问题的关键就是具有复杂边界条件的电磁场边值问题。

这一章节我们主要阐述了电磁场的基本理论。

天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。

电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。

可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信[8]。

2.2天线的基本概念

2.2.1电基本振子的辐射

电基本振子（ElectricShortDipole）又叫电流源，是一段理想的高频电流直导线，其长度

远小于波长

其半径

远小于

，同时振子沿线的电流

处处等幅同相。

用这样的电流元可以构成实际的更复杂的天线，因而电基本振子的辐射特性是研究更复杂天线辐射特性的基础[3]。

如图2.1所示在电磁场理论中，已给出了在球坐标系原点O沿

轴放置

的电基本振子在无限大自由空间场强的表达式为：

2.2.2发射天线的电参数

（1）天线的效率

载有高频电流的天线导体和该天线的绝缘介质都会产生损耗，所以输入天线的实际功率不能都转换成电磁波能量[1][2][3]。

我们常用天线效率（Efficiency）来表示该能量转换的有效程度。

天线效率一般定义为天线辐射功率

与输入功率

之比，记为

，即：

（2）天线的增益系数

增益系数（Gain）表示了天线的定向收益程度。

增益系数的定义：

在同一距离和输入功率相等的前提下，天线在其最大辐射方向上产生的功率密度

与理想的无方向性天线（理想点源）在同一点产生的辐射功率

密度之比，记为G。

用公式表示：

（3）天线的极化

所谓天线的极化通常是指天线辐射电磁波的方向，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。

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[2][3][9]。

（4）天线的阻抗特性

天线通过传输线与发射机相连，天线作为传输线的负载，与传输线之间存在阻抗匹配问题。

天线和馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特点阻抗，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[10][11]。

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。

（5）天线的驻波比

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，回波损耗越小表示匹配越差，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。

（6）天线的频带宽度

根据频带宽度的不同，可以把天线分为窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。

通常，相对带宽只有几百分之几的为窄带天线，例如引向天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线，例如旋转天线；绝对带宽可达到几个倍频程的称为超宽频带天线，例如对数周期天线。

（7）天线的波瓣图

波瓣宽度是矩形口径喇叭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）[1][2]。

图2.2为某天线的方向图，它有很多波瓣，其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其他波瓣统称为副瓣，位于主瓣正后方的波瓣称为后瓣。

2.3电磁场的有限元法

2.3.1有限元法基本原理

有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域化为有限个互不重叠的单元。

每一个单元可以按照不同的方式进行组合，每一个单元又可以有不同的形状，所以可以形成不同几何形状的求解区域。

在每个单元中，选择一些节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，利用加权余量法和变分原理，离散求解微分方程。

使用不同的插值函数与权函数的形式，就构成了不同的有限元方法。

2.3.2有限元法求解问题的基本步骤

通常我们解决天线问题。

主要用有限元的以下几步骤：

第一步：

问题及求解域定义：

根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

第二步：

求解域离散化：

将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，即有限元网络划分。

显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

第三步：

确定状态变量及控制方法：

一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

第四步：

单元推导：

对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。

为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。

第五步：

总装求解：

将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。

总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。

第六步：

联立方程组求解和结果解释：

有限元法最终导致联立方程组。

联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。

求解结果是单元结点处状态变量的近似值。

对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。

第3章HFSS仿真技术

3.1HFSS软件简介

AnsoftHFSS[4]是一个计算电磁结构的交互软件包。

计算模拟器包括在分析电磁结构细节问题时的后处理命令。

使用AnsoftHFSS，我们可以计算出：

●基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题。

●端口特征阻抗和传输常数。

●S参数和相应端口阻抗的归一化S参数。

●一种结构的特征或谐振解。

当通过该软件画出结构，明确每一个物体的介质参数，建立端口标识、源或者特别的表面特征，本系统就可以产生必要的场解。

当建立一个问题时，AnsoftHFSS可以允许在指定频段内的一个或几个频率点。

AnsoftHFSS可以有效地运行在UNIX工作站和PC机的WINDOWS下。

3.2HFSS仿真技术的主要功能

HFSS仿真软件充分的利用了自动匹配网格的产生及加密、切向矢量有限元ALPS（AdaptiveLanczosPadeSweep）和模式－节点转换（Mode-node）等先进技术，从而使操作人员可利用有限元法（FEM）在自己的电脑上对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。

HFSS自动计算多个自适应的解决方案，直到满足用户指定的收敛要求值。

其基于Maxwell方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。

3.3HFSS仿真设计解决思路

HFSS仿真设计解决思路

1.在较低频段，由于天线工作波长或谐振波长比较长，相当于降低了系统的电尺寸，使得利用软件进行辅助计算成为可能。

2.利用虚拟原型，通过精确的三维全波电磁仿真预测其电性能，可全面仿真分析不同布局下系统天线的阻抗和辐射特性、相互间耦合以及电磁场分布情况。

3.研究系统各天线不同布局与各天线自身性能、天线间的互耦及电磁场分布之间的关系，并利用参数化、调谐试验、优化设计、敏感性和公差统计分析最终解决各种平台系统天线布局优化设计。

3.4HFSS仿真软件的应用

HFSS适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任意形状三维电磁场仿真，是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，该软件彻底摆脱了传统的设计模式，大大减少了研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。

HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器、拥有空前电性能分析能力的后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。

第4章室内全向吸顶天线的研究

4.1天线的设计

4.1.1天线设计的基本思路

所设计的室内全向吸顶天线频率覆盖GSM/CDMA/PCS/3G/WLAN,工作频率在806~2500MHz之间，能够实现室内覆盖。

其主要特点：

宽频带，低驻波，体积小，易于普通天花板的吸顶安装。

4.1.2天线的设计要求

本设计所设计的室内全向吸顶天线要求是一个工作在806~960/1710~2500MHz的双频段具有最佳增益的天线，且增益在2~5dBi之间，激励信号的输入阻抗为50Ω的同轴线导入，极化方式为垂直极化。

4.2天线仿真模型的构建

1、新建工程

（1）运行HFSS并新建工程

双击桌面上的HFSS快捷方式图标

，启动HFSS软件。

HFSS运行后，它会自动新建一个工程文件，选择主菜单栏中的【File】

【SaveAs】命令，把工程文件另存为Thewholeantennatotheceiling.hfss文件。

（2）设置求解类型

设置当前设计为模式驱动求解类型。

从主菜单中选择【HFSS】

【SolutionType】命令，打开如图4.1所示的SolutionType对话框，选中DrivenModal单选按钮，单选

按钮，完成设置。

图4.1设置求解类型

（3）设置模型长度单位

设置当前设计在创建模型时所用的默认单位为毫米。

从主菜单栏中选择【Modeler】

【Units】命令，打开如图4.2所示的SetModelUnits对话框。

在Selectunits下拉列表中选择mm，然后单击

按钮，完成设置。

图4.2设置长度单位

2.添加和定义设计变量

在HFSS中定义和添加如表所示的所有设计变量。

在主菜单栏中选择【HFSS】

【DesignProperties】命令，打开设计属性对话框。

再单击对话框中的

按钮，打开AddProperty对话框。

在AddProperty对话框的Name文本框中输入第一个变量名称length，在Value文本框中输入该变量的初始值6cm，然后单击

按钮，即可添加变量length到设计属性对话框，使用相同的操作方法，分别定义天线的其他参数值，如图4.3所示。

图4.3定义变量

最后单击

按钮，完成所有变量的定义和添加工作。

3.设计建模

（1）创建参考地

在空间三维坐标系中，创建一个中心位于坐标原点，半径为r1，高为h1的圆柱，并将其命名为GND。

从主菜单栏中选择【Draw】

【Cylinder】命令，或者单击工具栏上的

按钮，进入创建圆柱的状态，然后在三维模型窗口上创建一个任意大小的圆柱，新建的圆柱会添加到Solids节点下，其默认名称为Cylinder1。

双击操作历史树Solids节点下的Cylinder1选项，打开新建圆柱属性对话框的Attribute选项卡。

如图4.4所示，在该选项卡中将圆柱面的名称修改为GND，然后单击

按钮退出。

图4.4Attribute选项卡

再双击操作历史树GND节点下的CreateClyinder，打开新建圆柱属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置新建圆柱的顶点坐标和尺寸。

在Position文本框中输入顶点位置坐标为（0,0,0），在半径和高度文本框中分别输入r1、h1，如图4.5所示，然后单击

按钮。

图4.5Command选项卡

（2）创建反射圆台

在接地面上创建一个圆台模型，模型的底面位于xoy平面，中心位于坐标原点。

模型的材质为pec，并将该模型命名为groundrt。

在主菜单栏中选择【Draw】

【Cone】命令，或者单击工具栏上的

按钮，进入创建圆台的状态，然后在三维模型窗口中创建一个任意大小的圆台。

新建的圆台会添加到操作历史书的Solids节点下，其默认名称为Cone1.

双击操作历史树Solids节点下的Cone1，打开新建圆台属性对话框中的Attribute选项卡，把圆台的名称修改为groundrt，设置其材质为pec，如图4.6所示，然后单击

按钮退出。

图4.6Attribute选项卡

再双击操作历史树Cone1节点下的CreateCone，打开新建圆台属性对话框中的Command选项卡，在该选项卡中设置圆台的顶点坐标和尺寸。

在Position文本框中输入顶点位置坐标为（0,0,0），在上表面半径和下表面半

径文本框中分别输入r2、r3，在高度文本框中输入h2，如图4.7所示，然后单击

按钮。

图4.7Command选项卡

（3）创建辐射喇叭

在反射圆台上面创建一条线段，然后围绕z轴旋转，形成一个喇叭面，

再创建一个中心在z轴上的圆与喇叭面相接。

并将其命名为Patch。

从主菜单栏中选择【Draw】

【line】命令，或者单击工具栏上的

按钮，进入创建线段的状态，然后在三维型窗口上创建一个任意大小的线段，新建的线段会添加到操作历史树Lines下，其默认的名称为Polyline1。

双击操作历史树Lines节点下的Polyline1，打开新建线段属性对话框中的Attribute选项卡，如图4.8所示，把线段的名称修改为Patch，然后单击确定。

图4.8Attribute选项卡

再双击历史树Patch节点下的CreateLine，打开新建线段属性对话框中的Segment选项卡，在该选项卡中设置线段的坐标，在point1和point2文本框中分别输入（0，a1，b1）和（0，a2，b2）。

然后单击

按钮退

出。

从主菜单栏中选择【Draw】

【Sweep】

【AroundAxis】命令，默认其选项，单击

退出。

如图4.9所示。

图4.9SweepAroundAxis选项卡

再从主菜单栏中选择【Draw】

【circle】命令，或者单击工具

按钮，进入创建平面圆的状态，在三维模型中创建任意一个大小的圆，新建的圆会添加到操作历史树的Sheets节点下的Circle1，打开新建园属性对话框中的Attribute选项卡。

把远的名称修改为round，如图4.10所示，然后单击

退出。

图4.10Attribut