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一种高增益水平全向天线的设计及建筑物和地面对短波天线影响的分析

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1绪论

1.1通信水平全向天线的研究动态

1.1.1高增益通信水平全向天线的结构形式和性能

1.1.2通信水平全向天线的设计要求及有关产品

1.2建筑物和地面对天线辐射特性影响的研究意义和现状

1.3本论文研究的内容及主要贡献

2天线研究中的FDTD算法

2.1时域有限差分法的特点和建模的一般步骤

2.2 FDTD算法中的几个核心问题

3通信水平全向天线的设计、优化与仿真

3.1引言

3.2同轴共线水平全向天线的场分布及方向函数的分析

3.2.1同轴共线天线的几何结构和基本原理

3.2.2同轴传输线内部场分布及有限差分形式

3.2.3同轴共线水平全向天线的方向函数

3.3影响天线电参数的主要因素

3.3.1天线的单元数对增益的影响

3.3.2辐射体长度对天线方向性的影响

3.3.3单元间距对天线方向性的影响

3.3.4天线的输入阻抗

3.3.5同轴线内介质特性对天线的影响

3.4同轴共线串馈天线的设计和优化方法

3.4.1天线增益的提高

3.4.2各个单元电流同相的实现

3.4.3抑制其它模式波产生

3.4.4实现匹配降低反射

3.4.5不圆度的调整

3.5优化后的同轴共线水平全向天线

3.5.1所设计天线的几何结构

3.5.2仿真结果与讨论

3.6小结

4高层建筑物和地面对短波天线辐射特性的影响

4.1引言

4.1.1短波天线的一般概念

4.1.2地面等效为良导体的条件

4.2高层建筑物、地面与短波天线FDTD仿真模型的建立

4.2.1鱼骨天线及其模型参数

4.2.2存在建筑物时模型参数

4.2.3地面电参数的描述

4.3 FDTD建模的有关问题分析

4.3.1 FDTD建模基本问题的处理

4.3.2鱼骨天线振子阵列的建模

4.3.3有耗地面的建模

4.4仿真结果与分析

4.4.1无建筑物时鱼骨天线辐射特性的数值仿真与分析

4.4.2建筑物对短波天线辐射特性影响的仿真与分析

4.4.3不同地面对短波天线电参数影响的仿真与分析

4.5小结

5结论

6结束语

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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摘要

本文结合理论分析,利用时域有限差分(FiniteDifferenceTimeDomain,FDTD)算法,研究了有关天线的两个方面的问题,一是设计和优化了一种高增益全向通信天线;二是结合数值仿真,分析了高层建筑物和地面对短波天线的影响。首先,研究了目前高增益水平全向天线的设计形式和原理,针对同轴共线天线,具体分析了该天线的场分布,并结合FDTD数值仿真,探讨了影响天线辐射特性的主要因素。为了提高同轴共线天线的增益,采取了一些措施:计算天线单元的长度,调整单元的间距,抑制杂波的产生,最终实现了天线的每一单元上电流分布相位相同,振幅相等,满足在远场叠加场强最大的条件。为了提高天线的效率,降低介电损耗,天线的每个单元采用两端为介质,中间为空气的同轴线结构。利用时域有限差分算法及有限元算法(FiniteElementMethod),对具体设计和优化的同轴共线水平全向天线,进行了仿真。仿真结果表明,天线增益达到14dBi-15dBi之间,比原设计提高了2.5dBi左右,同时天线的通信带宽扩展到5.6GHz-5.85GHz,比同类产品增加了1倍,基本上满足了设计的要求。最后,研究了高层建筑物和不同电导率的地面对短波天线的影响,探讨了地面等效为良导体的条件,以鱼骨天线为实例,建立了鱼骨天线、高层建筑物和不同地面的FDTD仿真模型,介绍了鱼骨天线振子阵列等效为细导线的建模方法和有耗地面表面阻抗边界条件,并进行了数值仿真。然后根据仿真结果,分析了高层建筑物处于不同方位和不同距离时对短波天线辐射特性的影响,分析了不同电导率的地面对短波天线辐射特性的影响。该数值仿真结果与参考文献和商用软件计算结果一致。

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