摘 要

有学者从运动电荷的角度，对脉冲电磁波通过偶极子天线辐射的物理过程做出了详尽的分析，同时也从天线上分布电容的角度分析了脉冲电流沿偶极天线传播时的等效电路。在此基础上，本文仍旧以线天线为基本辐射单元，同时采用BPSK调制电磁波作为激励源，利用商用电磁仿真软件CST，通过观察以天线相位中心为参考点时位于空间不同方向角上不同远场点输出的时域波形，目的是考察应用在通信领域射频前端信号辐射的物理过程，探究线天线的时域辐射特性，以期对天线的优化设计提供参考。研究结果表明，对于以正弦波作为载波的BPSK调制信号，通过线天线辐射的信号，在远场区，辐射场的分布具有方向性。通过比较天线辐射前后信号的频谱，发现天线对信号具有滤波效应。同时在远区场点的输出波形上会出现明显的拖尾效应，而通过在天线臂上加载电阻的方式，可以实现对于拖尾效应的有效抑制。

关键词：BPSK调制；线天线；数值模拟；时域分析；拖尾效应

Abstract

A scholar had made a detailed analysis about the process of impulse signal radiating from dipole antenna in the view of accelerating charges, and in the meantime, an equivalent circuit for the propagation of the impulse current along the dipole antenna is analyzed from the angle of the distributed capacitance of the antenna. Based on it, we still focus on wire antenna, and decide to adopt BPSK modulation signal as exciting source. Our purpose is to investigate the physical process of radio frequency signal applying in the communication field, understand the time domain radiation characteristics of wire antenna, and provide a reference to optimize the design of antenna by observing the output waveform given by the commercial electromagnetic simulation software CST, at far field points in different angle. The result shows that, for BPSK modulation signal with sine wave as carrier wave, in the distance to the center of the antenna feed point at the same distance, the distribution of the radiation field is directional. By comparing the spectrum of the signal before and after the antenna radiation, the antenna is found to have a filtering effect on the signal. In addition, there is an obvious smearing effect at the end of output waveform. By loading resistance on the arm of antenna, the smearing effect can be effectively suppressed.

Keywords: BPSK; Modulation; Wire antenna; Numerical simulation; Smearing effect

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1背景及意义 1

1.2国内外发展现状 2

1.3本文研究内容 3

第2章 基本原理 4

2.1 BPSK调制原理 4

2.1.1 BPSK信号 4

2.1.2 BPSK调制原理 4

2.2天线辐射基本原理 7

2.2.1 偶极天线 7

2.2.2 偶极天线辐射场 7

2.3拖尾效应 13

2.4仿真工具介绍 14

2.5仿真验证 14

2.6本章小结 16

第3章 天线设计与仿真分析 17

3.1 BPSK调制电磁波通过线天线辐射模拟仿真 17

3.1.1 BPSK调制电磁波 17

3.1.2 CST建模 20

3.1.3 CST仿真结果 23

3.2拖尾效应的时频分析 26

3.3本章小结 28

第4章 总结与展望 29

4.1总结 29

4.2展望 29

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪 论

1.1背景及意义

无线通信技术的发展与人们对于通信需求量的日益增加，促进了相关领域不断的进行优化、创新和发展。而通信的质量则是我们不断追求的目标之一，也是通信系统中调制与解调方式多样化以及对射频天线不断进行优化的原因之一。

调制解调器作为无线数字通信系统的重要组成部分，所采取的调制解调方式将直接决定射频通信链路的信号传输质量。信号的解调方式一般包括相干解调与非相干解调。不同的解调方式，信号的信噪比与误码率不同。一般来说，对于BPSK信号，其解调方式只有相干解调且具有较低的误码率的优点。BPSK，即二进制相移键控，利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式，是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一。Harada H，Prasad R在《Simulation and software radio for mobile communications》一书中^[1]，向我们介绍了BPSK信号的传输机制以及相应的编程算法。在国内的一些有关通信的著作中，对BPSK信号都有详尽的描述。目前，MATLAB、Ansoft Designer、Advanced Dedigner System（ADS）、HFSS等软件，都能提供BPSK通信系统各子模块算法及良好的仿真环境。Peng W，Liu X通过Ansoft Designer实现了对BPSK的调制与解调的模拟仿真^[11]；Tang Y，Lv X实现了基于MATLAB的BPSK信号的仿真^[3]，并且给出BPSK信号与BDPSK信号的误码率的比较；更有学者Sorace R分析了航天器上静电干扰下的BPSK信号的误码率^[9]；2011年，在IMCCC会议上，Zhao Z，Shen Y，Bai Y使用Costas环实现了BPSK解调中的同步载波的设计^[10]；Zorzi F，Mucchi L，Ronga L S分析了引入噪声环调制，通过非相干解调方式模型，使得信号只能在一个终端解调，保证了信息安全^[13]。在硬件上，Popescu S O，Gontean A S向我们展示了如何基于FPGA实现BPSK信号的调制^[12]。而天线作为通信过程的重要组成部件，其性能将直接影响通信质量的好坏。从Dhiraj Sinha1和 Gehan A.J. Amaratunga两位学者通过观察、研究、总结中，我们知道任何形式的对称的谐振器都可以通过明显的破缺变成一个辐射天线^[18]，并从原理上给出了详细的解释，对我们天线模型的建立提供参考。Balanis C A所出版的关于天线的分析与设计的著作^[15]，为我们的研究提供了设计与分析的方法。

近年来，射频识别技术快速发展，线天线也是射频识别领域采用的天线种类之一。由于结构简单，在许多领域都有着广泛的应用，如雷达、探测和通信系统中。由于超宽带技术的兴起，尤其是脉冲天线在通信领域广受青睐。研究脉冲天线的时域辐射特性，对于实现天线的小型化与集成化有很大的参考价值，因此天线尺寸的减小往往带来辐射信号不同程度的畸变，如何采取措施抑制这些畸变，也是一个研究的重点。