05论文正文

1 绪论1.1天线的发展历史英国物理学家麦克斯韦预言电磁波的存在，1887年德国物理学家赫兹为了验证电磁波的存在设计了第一个天线。

1891年意大利科学家马可尼制作了可以在数百米内通信的天线，真正实现天线的无线信号传输，天线开始走出实验室，之后在他主导下架设了横跨大西洋的远距离天线通信[1]。

这时天线的雏形开始出现。

这一时期由于天线的工作频率不是很高，而且在地面的衰减又很大，为了实现远距离通信，往往天线的尺寸做的都是很大，几米至上百米。

后来人们发现短波在地面衰减比较小可以实现远距离通信，同时肯内里和亥维赛发现电离层对短波的反射可以实现远距离通信，开辟了天线的短波通信领域。

这时的天线的种类开始增多，偶极天线、八木天线等经典天线出现，并且天线的增益、带宽等性能大大提高。

这时天线已经能广泛应用于广播通信，航海通信。

再后来出现了面天线，特别在二战时期雷达的出现，大大促进微波技术和天线的发展，利用微波的反射、折射、投射和聚焦等，进一步极大提高天线的增益。

利用雷达天线可以精准的锁定目标的位置。

二战之后，各国科研都向太空进军，出现人造地球卫星，其中在卫星通信方面的天线增益可以高达几十万倍，电磁波向毫米波、亚毫米波甚至光波方向发展。

上世纪六十年代计算机问世后，由计算机编程控制的天线阵出现并开始发展。

近代天线的尺寸成为天线发展的难题，近几十年出现的微带天线成为天线研究的新领域，天线的尺寸缩小到厘米级，出现了各种各样的手持无线设备、读写器等[2]。

1.2天线的分类和用途天线按其工作波长主要分为：长波天线、中波天线，短波天线、超短波天线和微波天线[3]。

主要依据其工作频率的划分。

本论文设计的天线通信频率在433MHz左右，属于微波波段，设计的天线属于微波天线。

选择在433MHz频段是因为在这个频段我国是免申请的，可以直接使用。

天线按其工作性质可以分为发射天线和接收天线。

发射天线就是能把传输线上的信号能量转换成电磁波辐射到自由空间的天线，比如像广播电视台的发射电视信号的发射塔：接收天线就是能接收空间电磁波并把它变成电信号的天线，比如像家用电视的信号天线就是接收电视台的电磁波信号。

在通常情况下，发射天线可以做接收天线，接收天线也可以做发射天线，同一天线作为发射或接收的基本电参数是一样的，这就是天线的互易定律。

本文设计的读写器天线主要是作为接收天线使用，但发射天线采用的是无源工作方式，所以发射天线的能量还要来自读写器天线辐射的电磁波能量。

通常最常见的天线是按其工作原理和结构形式分类，主要分为线天线和面天线。

线天线是指天线是由线状的金属棒或金属空腔组成。

常见的有单极子天线，双极子偶天线，八木天线等。

单极子天线长度一般是工作波长的二分之一或四分之一，是目前应用最广泛的天线，在通信、导航、遥感方面广泛使用。

最常见的汽车上的车载天线就是这种单极子天线。

八木天线从上世纪二十年代问世以来，因其有很高的方向性增益特点，方向性特别好，在以前的家用电视的接收天线经常看到八木天线的影子。

面天线就是发射天线是由金属面构成，例如抛物面天线。

喇叭天线等，主要利用电磁波在遇到金属物体表面时发生发射的特性，还有些利用电磁波的穿透性进行折射聚焦、散射等特性，来增强天线的方向性。

射电望远镜就是一种面天线，通过面天线的反射聚焦可以发射高能量的电磁波束来探索宇宙深处，并能接收宇宙中微弱的电磁波。

在生活中，我们通常家用的锅盖天线就能接收卫星转播电视台信号。

在军事中的雷达就是一种抛物面天线。

在面天线中还有一种天线——微带天线，因其可以做的比较小，重量轻，而且可以和设计的电路板连接在同一个面板上，而得到广泛使用，在生活中的手机、电脑等手持移动设备，RFID电子标签，读写器等都有用到微带天线[4]。

本论文设计的无线射频读写器就是采用的微带天线。

1.3本文研究天线的应用本文设计的天线是射频读写器，该读写器是用在汽车胎压监测系统（Tire Pressure Monitoring System ，TPMS）。

汽车胎压监测系统是最近十年兴起的一种新技术，它的主要目的就是通过实时的监测汽车轮胎的压力情况，当轮胎压力出现异常情况时及时发出报警提示，防止汽车爆胎，提高汽车的安全性系数。

在汽车胎压监测系统中，轮胎气压先通过轮胎内的声表面波压力传感器把气压信号转变成电信号，在经过微处理器处理把胎压信号传送到轮胎内的发射天线，发射天线经过电磁辐射，把载有胎压信号的电磁波辐射到空间去，辐射到空间的电磁波经由读写器内设计的微带天线捕获，把电磁波信号转变为电信号，经过中央处理器的分析处理显示在显示器上。

工作流程图如图1-1所示。

图1-1 TPMS的工作流程图Fig.1-1 Work flow chart of TPMS汽车胎压监测系统分为有源TPMS和无源TPMS。

他们是以在该系统中的胎压传感器有无电池工作来区分。

本论文研究的系统中，采用无源TPMS。

无源TPMS没有电源电池的约束，可以工作在更加恶劣的环境下，而且使用寿命也大大延长，不用担心电池电量带来的麻烦。

但是没有了电源电池它的工作能量来自哪里？答案就是来自所设计的微带天线。

本论文设计的读写器天线不仅仅是信号的接收天线，它还有另一个重要的作用就是给发射装置辐射足够的电磁波能量，保证其正常工作。

因为天线是互易的，不仅可以接收电2磁波也可以发射电磁波。

1.4 HFSS简介本论文设计天线主要用到的软件是HFSS—High Frequency Structure Simulator，是由Ansoft公司推出的三维结构电磁仿真软件。

HFSS提供了简洁直观的设计窗口，类似Windows的友好界面，能计算出任意形状的S11参数和全波电磁场。

HFSS拥有功能强大的处理器，能够计算出各种天线参数，如增益、方向性、远场方向图剖面、3D图和3dB 宽带等[5]。

HFSS现在有很多版本，最新的是Ansoft HFSS 15.0,不过目前最流行的还是Ansoft HFSS 13.0，本论文就是用13.0设计天线。

42 天线基本理论2.1天线辐射基本原理天线向外辐射的实质是天线上的电流变化引起的空间电磁场的分布，组成天线的基本单元有电振子元和磁振子元，只要求出基本振子的辐射场，利用叠加原理就可以得出整个天线的辐射情况。

2.1.1电基本振子辐射在一段载有均匀同相的时变电流元导线称为电流元，这就是最简单的一种天线，它具有的很多特性是任何其他的天线所共有的，所以研究电流的辐射特性是很有理论价值的，任何形状的天线都可以看成由许多首尾相连接的电流元组成，这些电流元是天线的基本单元，又称基本振子。

电流元导线的直径d 要远小于其长度l ，而其长度要远小于波长和观察距离[6]。

如图2—1（a ）所示，电基本振子的中心位于球坐标系的原点处，dl 沿z 轴方向。

利用矢量磁位A 来求电基本振子的辐射场。

图2—1 电基本振子的矢量图和辐射场Fig.2-1 Basic electronic oscillator radiation and field vector将体电流元转化为线电流元：J z d v e I d l =(2-1) 0044jke jke z Idl Je A dv e e r r μμππ--==⎰ (2-2)在球坐标中 r r A e A e A θθ=+：00c o s c o s 4s i n s i n 40j k e r z jke z Idl A A e rIdl A A e r A θϑμθθπμθθπ--===-=-= (2-3)由电流产生的矢量磁位，再利用式（4-4）得到式（4-5）:B =A ∇⨯ (2-4)01H =A μ∇⨯ (2-5)再根据麦克斯韦第一方程H=j E ωε∇⨯得到式(2-6):1=H E j ωε∇⨯ (2-6)再把式（2-3）代入式（2-4）和式（2-5）就得到电基本振子的电磁场为式（2-7):221(1)11(1E 0=01(1)jkr r jkr r jkr E e jkrE e jkr k r H H H e jkr θϕθϕθθθ---⎫=+⎪⎪⎪⎪=+-⎪⎪=⎬⎪=⎪⎪⎪=+⎪⎪⎭） (2-7) 式中E 为电场强度，单位V/m ；H 为磁场强度，单位A/m;下标r 、θ、ϕ表示球坐标中各个分量；91036επ-=是自由空间的介电常数，单位F/m;70410μπ-=⨯是自由空间的磁导率，单位H/m;2k πλ= λ是自由空间的波长。

因此，电基本振子辐射场共有三个分量：两个电场分量r E 和E θ，一个磁场分量H ϕ。

如图2-1所示，每个分量的大小与观察点距离电流元的距离r 有关系，下面将讨论在近区和远区的两种情况。

6(1) 当1kr <<时，此区域称为近区，此时2233111krk r k r <<<<，jkr e -约为1，把式（2-8）代入到式（2-7），就能近似得到式（2-9）。

2k πλ== （2-8）303022c o s 41sin 4E 0=0sin 4r r Idl E jr Idl E j r H H Idl H r θϕθϕθπωεθπωεθπ⎫=⎪⎪⎪=-⎪⎪⎪=⎬⎪=⎪⎪=⎪⎪⎪⎭ (2-9） 从上式中，我们可以看出电场和磁场存在90度的相位差，所以坡印廷矢量的平均值*1S =Re 02av E H ⎡⎤⨯=⎣⎦ ，能量在电场与磁场之间相互交换，所以近场区没有电磁辐射，近场区也被称为感应场。

（2）当1kr >>时，此区域称为远区，此时2233111krk r k r >>>>，因此式(2-7)可以近似得到式（2-10）：i n E 0=0r jkr r jkr E E j e H H H j e θϕθϕθθ--⎫≈⎪⎪=⎪⎪=⎬⎪=⎪⎪⎪=⎭ (2-10) 由上式可得，在远场区与近场区完全不同，在远场区只有两个相位相同的分量，其坡印廷矢量的平均值为：**11Re Re 22av S E H E H θϕ⎡⎤⎡⎤=⨯=⎣⎦⎣⎦ (2-11)由式（4-11）可以看出，在远场区能量沿r 向外辐射，所以电基本振子在远场区是辐射场。

2.1.2 磁基本振子辐射在引入磁流、磁荷概念后，麦克斯韦方程可以如下的形式：A M M E H J t H E J t DB εμρρ⎫∂∇⨯=+⎪∂⎪⎪∂⎪∇⨯=--⎬∂⎪⎪∇∙=⎪∇∙=⎪⎭ (2-12) 其中，M J、M ρ为磁流密度和磁荷密度。

根据在线性媒质中，电磁场的叠加定理，电流、电荷和磁流、磁荷共同产生的电场E 和磁场H 可以分解为电流、电荷独自在媒质中产生的电场E 和磁场H 和磁流、磁荷独自在媒质中产生的电场E 和磁场H 的叠加，即总场为：e m e m E E E H H H ⎫=+⎪⎬=+⎪⎭ (2-13) 代入式（2-12），得到式（2-14）、式（2-15）：000e e e e e e H J j E E j H D B ωεωμρ⎫∇⨯=+⎪∇⨯=-⎪⎬∇∙=⎪⎪∇∙=⎭ (2-14)000m m m m m m m m H j E E j H J D B ωεωμρ⎫∇⨯=⎪∇⨯=--⎪⎬∇∙=⎪⎪∇∙=⎭ (2-15) 通过比较式(2-14)和式(2-15)，可以发现这两个方程是对偶方程，因此根据上面推倒的电基本振子辐射场，利用对偶定律，可以得出磁偶极子的辐射场，如式(2-16)所示。