无线调频发射系统之天线设计

在通信系统中，发射机想将信号进行远距离传输。必然需要用馈线将其送到天线，再以电磁波形式辐射出去；同样，在接收机，通过天线接收后通过馈线发送给接收机。由此可见，天线是发射机和接收机中重要的无线电设备，并且，天线也是能量转换器，能将高频电流或波导转换为无线电波，也能把无线电波转换为高频电流或波导。天线种类繁多，已经广泛应用于移动通信、广播电视、雷达定位等领域，已成为了必不可少的设备。

【关键词】无线调频发射系统 天线 通信

1 天线分类及主要参数

天线种类繁多，新品种也层出不穷。其分类也是多中多样，从使用范围来看，天线可以分为广播天线、通信天线、手机天线、基站天线等等；从使用用途看，有发射天线、接收天线、收发共用天线；从天线的方向性和增益来看，有定向天线、全向天线、强方向天线、高增益天线、低增益天线、扇形和笔形波束天线等等，从极化方面看，有线极化天线、圆极化天线、椭圆极化天线等。天线还可以从很多方面分类，并且，近年来也出现了很多新型天线，比如微带天线、智能天线、自适应天线等等。本文，主要讨论为微波发射系统中微波天线。

在无线调频发射系统中，主要采用微波天线作为其发射天线，并且，微波天线也是微波通信设备中重要的组成部分，其天线的性能直接影响发射系统的质量与效能。主要技术参数：

1.1 方向性

1.1.1 方向性图

天线的方向性图是一个立体图形。天线的特性可以用相互垂直的平面（E平面和H平面）内方向性图来描述。天线方向性图反映了天线辐射能量的集中程度，方向性图越尖锐，则辐射能量越集中，否则能量越分散。若天线方向性图为一球面，则表示电磁能量均匀地辐射到四周，也称此为无方向性，这也是理想点源在空中的辐射场。

天线的方向性图可以通过测试来绘制，比如测出功率就可绘出功率方向性图，测出场强就可绘出场强的方向性图，这两者图形形状完全一样。通常天线方向性有多个叶瓣，其中最大辐射方向的为主瓣，其余为副瓣或旁瓣。在方向性图中，主瓣信息也是我们最关心的。

在方向性图中，方向性图的主瓣宽度、主瓣零点角以及副瓣电平都是需要关注的，其中，副瓣电平是越低越好。天线的方向图可以用直角坐标和极坐标两种方法来绘制。

1.1.2 方向性系数

方向性图一定程度上反映了天线的辐射状态，但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引人了方向性系数。方向性系数是，同一距离及相同辐射条件下，最大辐射方向上辐射功率密度与无方向天线（电源）功率密度之比，用D来表示。可见方向性越尖锐的天线D越大，相反D越小，而D=1，则是无方向性天线，即理想点源辐射场。

1.2 天线效率

一般来说，构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，我们把天线辐射功率Pr与天线输入功率之比称作天线效率，即 ηa =。通常微波天线的效率都很高， ηa接近于1。但是这里定义的天线效率并没有包含因天线与馈线传输系统失配引起的损耗。

1.3 天线阻抗

天线阻抗是指天线输入端口想天线辐射口方向看过去的输入阻抗，它取决与天线结构与天线频率。只有当天线的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时，天线的转换效率才最高，否则天线输入端口上产生反射，在馈线上形成驻波，从而增加了输入损耗。大多数天线输入阻抗的匹配是在工程设计中采用近似计算，然后通过实验测量，修真来确定。

另外，增益系数、天线极化和频带宽度等参数也是天线设计中主要技术指标。

2 天线的设计

天线可以采用多种软件进行分析和设计，他们根据使用的分析方法不同，又可分为基于有限元法为核心的Ansoft公司的HFSS软件，基于矩量法的Zland公司的IE3D软件，基于FDTD法的Zland公司的FIDELITY軟件，以及CST软件和microwave office等。如图1所示。

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。基本操作步骤：

a. 画模型（Draw a geometric model）。

b. 修改项目设计参数（Modify a model’s design parameters）。

c. 确定模型设计参数的变量（Assign variables to a model’s design parameters）。

d. 指定设计的解设置（Specify solution settings for a design）。

e. 验证设计设置（Validate a design’s set-up）。

f. 运行HFSS模拟（Run an HFSS simul-ation）。

g. 创建2D散射参数的直角坐标曲线（Create a 2D x-y plot of S-parameter results）。

3 总结

在无线调频发射系统中，天线是非常重要一部分。而Ansoft HFSS软件是一个类似于Microsoft Windows图形用户界面输入模型，用于任意三维无源器件的高性能电磁场仿真器。它能解决平面天线、波导及线天线、阵列天线和雷达散射截面等问题，是非常优秀的天线仿真软件。

作者简介

景文芳（1986-），女，四川省广元市人。大学本科学历，硕士学位。现为四川师范大学成都学院助理实验师。研究方向为电子与通信工程领域。

作者单位

四川师范大学成都学院 四川省成都市 610000