【正文】 線；（2）1949年Schelkunoff的球形天線；（3）1945年Kandoian研制的盤錐天線；（4）1946年Brillouin的全向和定向同軸喇叭天線等。LPDA具有極寬的帶寬，達到10∶1甚至更高，且具有較高的增益，在短波、超短波、微波等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 隨著近年來通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對天線的要求也越來越嚴(yán)苛，從而促進了超寬帶天線的發(fā)展。簡而言之，就是某項給定的技術(shù)指標(biāo)不超出給定的范圍所對應(yīng)的頻率范圍。所以，UWB天線的研究就具有非常重要的意義。毫無疑問，通過占有高達7500MHz的頻帶，超寬帶技術(shù)必將成為無線短距離高速通信方面的霸主并在未來成為該領(lǐng)域的核心技術(shù)，因此它一出現(xiàn)就被業(yè)內(nèi)人士戲稱為“藍牙殺手”。和一般傳統(tǒng)采用連續(xù)載波傳輸信息不同，UWB采用極短的脈沖信號才傳輸信息，通常每個脈沖持續(xù)時間只有急事皮秒到幾納秒之間，故UWB又稱為脈沖無線電。特別是近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得無線系統(tǒng)要求的帶寬不斷增大。另一款輻射面和地面共面，整體大小30mm30mm，輻射面較大，采用同軸線饋電，發(fā)現(xiàn)地板與輻射板之間的間隙和輻射半圓片的半徑對天線性能影響最大，通過優(yōu)化可獲得2—18GHz的工作帶寬。在保證工作頻率內(nèi)VSWR小于2的基礎(chǔ)上盡可能地縮減天線的尺寸。近年來，隨著微電子器件的技術(shù)和工藝的提高，UWB技術(shù)開始應(yīng)用于民用領(lǐng)域，超寬帶天線已成為天線和通信領(lǐng)域的研究熱點。本文首先簡單介紹超寬帶天線的研究現(xiàn)狀和背景，并結(jié)合其幾種常見類型闡述天線的工作原理和基本參數(shù)。設(shè)計了兩款印刷單極子，其輻射面均是從最基本的圓形單極子變換而來。在本課題設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)共面波導(dǎo)同軸線饋電的天線比微帶線饋電的更容易獲得優(yōu)良的阻抗匹配。而且由于低頻段已經(jīng)被電視廣播、第二第三代移動通信系統(tǒng)、軍事應(yīng)用瓜分完畢。這些脈沖所占的帶寬甚至高達數(shù)GHz，因此數(shù)據(jù)傳輸速率幾百Mbps，這在當(dāng)前信息爆炸的時代是非常有誘惑力的。超寬帶技術(shù)較早主要針對軍事應(yīng)用而言，如沖激雷達、探地雷達、星載通信系統(tǒng)等，近年來超寬帶還應(yīng)用于隱身領(lǐng)域。超寬帶天線，顧名思義就是帶寬非常寬的天線（3—11GHz），這種說法其實是在頻域的對天線帶寬的定義是就某個參數(shù)而言，天線的性能符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍。對于超寬帶通信的獨特之處，超寬帶天線與一般的窄帶天線在設(shè)計時區(qū)別較大，因此需要特別對待。近年來，UWB天線主要包括以下幾種形式：頻率無關(guān)天線（對數(shù)周期和螺旋天線）、雙錐單錐天線、加脊喇叭天線、Vivaldi天線、行波天線及加載天線等。喇叭天線的研究比對數(shù)周期天線要早得多，由于其有良好的時域和頻域特性，在超寬帶天線中占有很重要的地位，特別是近年來作為標(biāo)準(zhǔn)天線測量待測天線的增益，但對超寬帶系統(tǒng)來說，它的體積太大了，應(yīng)用有限。但由于現(xiàn)實中不存在理想的雙錐天線，其改進型的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，方向圖帶寬較窄，因此限制了它的應(yīng)用。1992年，Honda等人在球形單極子天線的基礎(chǔ)上提出圓盤單極子天線，獲得了8∶1以上的阻抗帶寬。實際應(yīng)用中又對偶極子做鏡像處理，形成更小結(jié)構(gòu)的單極子天線。本課題的兩款天線就是在圓形的基礎(chǔ)上進行不同的變形、切割、倒角而形成的，一款是半圓形的漏斗狀、一款是類六邊形狀，均獲得了較好的性能。在實際應(yīng)用中，共面波導(dǎo)饋電的寬縫隙天線應(yīng)用更加廣泛，因為利用共面波導(dǎo)饋電的結(jié)構(gòu)更容易進行集成設(shè)計。從天線的發(fā)展趨勢來看，20世紀(jì)九十年代以前主要偏重于三維立體結(jié)構(gòu)，隨著通信設(shè)備朝著便攜式小型化多業(yè)務(wù)方向發(fā)展，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)要求天線向高效率、大容量、多功能、智能化發(fā)展。小型化問題隨之而來，目前平面超寬帶天線整體尺寸一般從2525mm到5050mm不等，適用于USB系統(tǒng)的1530mm的天線很少，小型化作為一個方向必將成為超寬帶天線的研究熱點，不少研究人員相繼提出小尺寸寬帶天線。 ：如前文提到，UWB系統(tǒng)超寬的工作頻帶會與其他系統(tǒng)的工作頻率重疊產(chǎn)生干擾。況且實驗的邊界條件是隨機的，不同的傳播環(huán)境很可能會導(dǎo)致實驗有不同結(jié)論，單純的實驗工作量太大，重復(fù)性差?？赡苡写^續(xù)深入研究的理論和應(yīng)用課題包括以下5個方面。簡要地介紹了超寬帶無線通信技術(shù)的歷史和優(yōu)勢，回顧了超寬帶天線的發(fā)展歷程及國內(nèi)外關(guān)于多種超寬帶天線的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。初步建立超寬帶天線模型進行仿真，這章的主要工作是熟悉軟件使用，尋求方法減少仿真次數(shù)。 最后是本論文的結(jié)語，對真?zhèn)€研究過程進行收尾，回顧得失。下圖便是一個無線電通信系統(tǒng)，其中，發(fā)射天線將高頻電流能量轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)定空間的電磁波能量，而接收天線是將預(yù)定空間來的電磁波能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電流能量。在同一系統(tǒng)中收、發(fā)天線應(yīng)具有相同的極化形式，若不一致，則產(chǎn)生極化失配。這些知識頻域上的參數(shù)，還有如相關(guān)系數(shù)、脈沖寬度拉伸比等時域特性參數(shù)。 天線工作基本原理 實際使用的線天線，均可認(rèn)為是由若干電流元和(或)磁流元所構(gòu)成。在近場區(qū)域內(nèi)電磁能流的坡印亭矢量是純虛數(shù)，沒有能流向外，該區(qū)域內(nèi)能量的振蕩占了絕對優(yōu)勢，該區(qū)域也叫感應(yīng)場。（3） 輻射場隨距離r的增加而減小，這是能量擴大到更大空間的結(jié)果。磁流元的輻射特性與電流元的輻射特性相似，但遠(yuǎn)區(qū)場分量已改變。在分析計算對稱振子的輻射[9]時，可以把對稱振子看成是由無數(shù)個電流為I(z)、長為dz的電流元串聯(lián)而成。在計算積分時，分母中的，但在相位因子中可取下式計算： (28)將式(28)代入(29)并考慮以上的近似結(jié)果可得： ＝ (29)根據(jù)式(29)可以確定對稱振子輻射場的大小及方向。S參量可以在避開不現(xiàn)實的終端條件以及避免造成待測器件的損壞的前提下，用二端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法確定所有的射頻器件特征。各矩陣元素稱散射參量，簡稱S參量，物理意義如下：，為端口2匹配時端口1的反射系數(shù)；，為端口1匹配時端口2的反射系數(shù)；，為端口2匹配時端口1至端口2的反向傳輸系數(shù)；，為端口1匹配時端口2至端口1的反向傳輸系數(shù)； S參數(shù)是最能代表微波網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)，它可以很容易轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)、Y參數(shù)、A參數(shù)、T參數(shù)等其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，同時S參數(shù)也是用網(wǎng)絡(luò)分析儀最容易測定的參數(shù)，因此在微波器件的設(shè)計測試中S參數(shù)是最常用的。 輻射參數(shù) 天線的輻射參數(shù)在此僅介紹輻射方向圖和方向性系數(shù)及增益。 在三維坐標(biāo)中，方向圖描述了一個三維曲面，這樣的方向圖稱為立體方向圖或空間方向圖。架設(shè)在地面的線天線，由于地面的影響較大，通常采用水平平面和鉛垂平面作主平面。研究超高頻天線，通常采用的兩個主平面是E面和H面。磁基本振子的E面和H面與電基本振子的剛好互換。我們關(guān)心的是天線最大輻射方向上的強度與理想點源的輻射強度之比，即為方向性系數(shù)。增益(G)指在輸入功率相同的條件下，天線在某特定方向上的輻射強度與參考天線的輻射強度之比。設(shè)計不合理時，二者相差可能很大。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無反射波。阻抗匹配的技術(shù)可以說是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應(yīng)用，需要衡量多個方面的因素。串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。并聯(lián)終端匹配優(yōu)點是簡單易行，顯而易見的缺點是會帶來直流功耗。 在處理系統(tǒng)的實際應(yīng)用問題時，總會遇到一些非常困難的工作，對各部分級聯(lián)電路的不同阻抗進行匹配就是其中之一。設(shè)計者必須熟悉用正確的格式輸入眾多的數(shù)據(jù)。(3)經(jīng)驗：只有在該領(lǐng)域工作過多年的人才能使用這種方法。然后介紹了天線的幾種參數(shù)，重點介紹本課題及超寬帶天線所涉及到的參數(shù)駐波比、方向圖、方向性系數(shù)，并有駐波比引出微波網(wǎng)絡(luò)S參量，對該參量所推導(dǎo)出的反射系數(shù)、回波損耗做了簡單說明。接著介紹單極子天線的設(shè)計方法，設(shè)計出兩款基本天線，用于下一章優(yōu)化。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危險，將導(dǎo)致無法求解。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機法。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。Ansoft HFSS提供了一個直觀、易于使用、用于建立任意三維無源器件模型的界面。創(chuàng)建互連結(jié)構(gòu)模型。HFSS有多種邊界條件，在高速設(shè)計中最常用的有，理想電邊界表示電場垂直于表面。HFSS假定你定義的波端口連接到一個半無限長的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料，每個端口都是獨立地激勵并且在端口中每一個入射模式的平均功率為1W，使用波端口可以計算特性阻抗、復(fù)傳播常數(shù)和S參數(shù)。HFSS具有功能強大又很靈活的數(shù)據(jù)管理和繪圖能力，可以輸出適合于Matlab編程。在超寬帶單極子天線設(shè)計中，由于帶寬超寬，所以只要求駐波比小于2即可，而方向圖要求全向，貼近半波對稱振子的方向圖。 本章的微帶單極子天線就是按照上述方法粗略計算出最低3GHz貼片天線的輻射板的面積，然后用等效面積法處理，得出最初的模型。輻射片的圓片半徑為10mm，從頂部和左右切去三個弓形，形成如圖所示的輻射片，整體大小為30mm30mm1mm，空氣盒子為130mm130mm120mm，邊界條件設(shè)為Radiation。 ，從電壓駐波比上可以看到，天線在低頻段嚴(yán)重阻抗失配，在整個3—11GHz的范圍內(nèi)可以說完全沒有達到目標(biāo)要求，有待進一步改進。輻射片是從圓形中切出的一部分弓形，采用共面波導(dǎo)同軸線饋電。 天線正面圖 同軸線細(xì)節(jié)圖 設(shè)置仿真的頻率為7GHz，添加掃頻，仿真3—11GHz的結(jié)果，每1GHz仿一個點。 本章小結(jié)本章首先介紹了有限元法的原理，將求解域分解成許多小的有限元域，對各個元域求解，然后再推導(dǎo)整個域的解，這是一種用簡單代替復(fù)雜的方法。第四章 超寬帶天線的仿真對比及優(yōu)化 引言前一章設(shè)計了兩款超寬帶印刷單極子天線，一款微帶線饋電，一款是共面波導(dǎo)同軸線饋電，并對其進行了仿真，從仿真結(jié)果來看，這兩款天線都沒有達到要求，前者在低頻段嚴(yán)重失配，后者亦沒有達到所要的駐波比小于2的目標(biāo)。 微帶線饋電天線的仿真對比與優(yōu)化基于計算機內(nèi)存考慮，在控制變量分析的時候，一次只改變一個參數(shù)進行仿真，多參數(shù)的契合分析將有針對性地進行。=12mm和g=9mm的駐波比曲線。改變接地板高度后。通過更加輻射片半徑，切割的弓形大小發(fā)現(xiàn)，在不大規(guī)模改變其形狀的基礎(chǔ)上，無法對天線的阻抗匹配產(chǎn)生影響。紅色的實線是原始輻射片經(jīng)過位置稍微變化而來，形狀不變，在2—，駐波比小于2。底板中部開出寬4mm的槽，槽的長度對駐波比曲線優(yōu)化不大，這里只選較優(yōu)的4mm，槽的高度設(shè)為變量d，分別設(shè)置1mm、下面來分析仿真結(jié)果。 開槽優(yōu)化后天線駐波比變化，該天線經(jīng)過優(yōu)化后雖然帶寬展寬了，但是在2—3GHz附近的阻抗匹配情況又變差了。經(jīng)過大量的仿真實驗，發(fā)現(xiàn)切角值為5mm時，低頻段的駐波比有較好的改善，達到了要求，故將其定為優(yōu)化后的參數(shù)。 優(yōu)化后天線方向圖分析 —、7GHz、11GHz的E面和H面方向圖 3GHz E面方向圖 3GHz H面方向圖 7GHz E面方向圖 7GHz H面方向圖 11GHz E面方向圖 11GHz H面方向圖在E面，天線成“8”字形，類似于偶極子天線的輻射形式，11GHz前都有較好的一致性，不過在11GHz處產(chǎn)生了變化?！? 原始天線A 降低接地板高度后的天線B 增大輻射片半徑后的天線C 改變縫隙之后的天線D 接地板倒角后的天線E將原始天線A的接地板高度由20mm降為16mm變成天線B。 下面，對天線E做更細(xì)致的仿真分析，分析其方向圖特性。 本章小結(jié)本章作為全論文的中心，將第三章的兩款天線優(yōu)化設(shè)計了一遍，其中微帶線饋電的優(yōu)化過程較詳細(xì)，分為接地板高度、