【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(lái)的電磁波能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電流能量。 為了有效地將能量從發(fā)射機(jī)饋送到天線，將其空間電磁波轉(zhuǎn)換成高頻電流（或?qū)Рǎ┧椭两邮諜C(jī)。需要解決如下三個(gè)問(wèn)題：第一，有效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，提高輻射功率或提高天線系統(tǒng)的信噪比。天線作為傳輸線的終端負(fù)載，要求天線與傳輸線匹配；第二，天線作為一種照射或接收器件，應(yīng)具有向所需方向輻射無(wú)線電波的能力；第三，天線作為一種極化器件可分為線極化，圓極化和橢圓極化。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。天線一般都是可逆的，即同一副天線既可用做接受天線，也可用做發(fā)射天線。天線按結(jié)構(gòu)形式分為兩大類，一類是導(dǎo)線，金屬棒或金屬板結(jié)構(gòu)天線，稱為線天線；另一類是似聲學(xué)或光學(xué)設(shè)備，有金屬面或介質(zhì)面構(gòu)成的天線天線的基本參數(shù)可以分為兩大類，電路參數(shù)和輻射參數(shù)。電路參數(shù)包括阻抗、電壓駐波比、反射系數(shù)、回波損耗等；極化、增益、方向圖等則屬于輻射參數(shù)。這些知識(shí)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(shí)域特性參數(shù)。在UWB系統(tǒng)中，作為重要組成部分的UWB天線的性能很大程度上制約了整個(gè)系統(tǒng)的性能。UWB天線的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)亦有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶天線，窄帶天線的設(shè)計(jì)利用諧振特性，帶寬有限，而傳統(tǒng)的寬帶天線基于行波特性和頻率不變性來(lái)實(shí)現(xiàn)，在UWB系統(tǒng)中應(yīng)用有限。在設(shè)計(jì)之前，分析UWB天線的性能要求及實(shí)現(xiàn)所要面臨的問(wèn)題是十分必要的。 天線工作基本原理 實(shí)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。所謂電流元，是指長(zhǎng)度dlλ，并載有高頻電流i(t)=Icosωt=Re[Iejωt]的一段導(dǎo)體，以Idl標(biāo)記。 電流元極其坐標(biāo)系 計(jì)算該電流元在其周?chē)臻g產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布。由電磁場(chǎng)理論有： (21)式中，為媒質(zhì)波阻抗，自由空間時(shí)，有： (22)對(duì)不同的區(qū)域，電流元的場(chǎng)特性不同。在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)電磁能流的坡印亭矢量是純虛數(shù)，沒(méi)有能流向外，該區(qū)域內(nèi)能量的振蕩占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，該區(qū)域也叫感應(yīng)場(chǎng)。由于接受點(diǎn)在遠(yuǎn)處，所以重點(diǎn)討論遠(yuǎn)場(chǎng)（輻射場(chǎng)）。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)有以下特點(diǎn)：（1） 遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)只有Eθ和Eφ兩個(gè)分量，兩者在空間上互相垂直，在時(shí)間上同相位，該且與內(nèi)沿矢徑方向傳播的電磁波占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，電磁場(chǎng)沿矢徑方向向外傳播且不再返回。（2） 比值是一常數(shù)，并等于周?chē)劫|(zhì)的波阻抗，對(duì)自由空間。（3） 輻射場(chǎng)隨距離r的增加而減小，這是能量擴(kuò)大到更大空間的結(jié)果。 下面考察磁流元的輻射，如圖22所示表示磁流元。Imdl放置于球坐標(biāo)的原點(diǎn)處。 磁流元及其坐標(biāo)系 應(yīng)用對(duì)偶性原理，將變量進(jìn)行替換，則可得出磁流元的輻射場(chǎng)為： (23)式中，dlλ為磁流元的長(zhǎng)度，Im為磁流元上的磁流。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(chǎng)分量已改變。 對(duì)于實(shí)際使用的大多數(shù)天線，因其電尺寸已與波長(zhǎng)可以比擬，所以不能應(yīng)用電流元的公式來(lái)計(jì)算其輻射場(chǎng)。此時(shí)輻射場(chǎng)的計(jì)算，嚴(yán)格說(shuō)應(yīng)該根據(jù)其特定的邊界條件求解麥克斯韋方程組的解。實(shí)際中一般采用近似法中的等效傳輸線法，該法把對(duì)稱天線認(rèn)為是由開(kāi)路的雙線傳輸線張開(kāi)而成，因此，在計(jì)算天線的輻射場(chǎng)時(shí)，天線上的電流可近似認(rèn)為按正弦律分布(實(shí)踐證實(shí)這種假設(shè)是可行的)，其電流分布可表示為： (24)式中，Im為天線上波腹點(diǎn)的電流；l為振子一臂的長(zhǎng)度；為相移常數(shù)，λ為自由空間的波長(zhǎng)。在分析計(jì)算對(duì)稱振子的輻射[9]時(shí)，可以把對(duì)稱振子看成是由無(wú)數(shù)個(gè)電流為I(z)、長(zhǎng)為dz的電流元串聯(lián)而成。利用線性媒質(zhì)中電磁場(chǎng)的疊加定理，對(duì)稱振子的輻射場(chǎng)是這些電流元輻射場(chǎng)之矢量和?？芍娏髟狪(z)dz所產(chǎn)生的輻射場(chǎng)為： (25)將式(25)代入上式可得位于處的電流元的輻射場(chǎng)為： (26)式中，為單位矢量。整個(gè)天線所產(chǎn)生的總場(chǎng)則為這許多電流元的場(chǎng)疊加的結(jié)果，即： (27)由于場(chǎng)點(diǎn)離天線很遠(yuǎn)，可取下面的近似。在計(jì)算積分時(shí)，分母中的，但在相位因子中可取下式計(jì)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(duì)稱振子輻射場(chǎng)的大小及方向。 天線基本參數(shù) 電路參數(shù) 天線的電路參數(shù)在本論文中只簡(jiǎn)單介紹電壓駐波比（VSWR），駐波比的問(wèn)題本質(zhì)上也是回波損耗問(wèn)題，兩者的本質(zhì)都是阻抗匹配問(wèn)題。反射系數(shù)的定義為反射波與入射波的比值： (210) VSWR定義為電壓最大值與電壓最小值之比： (211) 天線的輸入阻抗為電壓與電流之比，傳輸線上的歸一化電壓為入射波與反射波的復(fù)數(shù)相加，傳輸線上的歸一化電流為入射波與反射波的復(fù)數(shù)相減。于是： (212)回波損耗采用反射系數(shù)負(fù)模的對(duì)數(shù)分貝來(lái)度量，即： （213） 說(shuō)到駐波比，就順便簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)微波網(wǎng)絡(luò)參量中的S參量。S參量可以在避開(kāi)不現(xiàn)實(shí)的終端條件以及避免造成待測(cè)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。S參量表達(dá)的是功率波，可以用入射功率波和反射功率波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系。： 在線性微波網(wǎng)絡(luò)中，由于歸一化電壓和電流之間呈線性關(guān)系，所以歸一化入射波與反射波之間也呈線性關(guān)系。設(shè)端口1上的歸一化入射波和反射波為a1，b1，端口2上的歸一化入射波和反射波為a2，b2，則： (214)或者寫(xiě)成矢量形式： (215) 兩端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)示意圖其中，列矩陣[b]是歸一化反射波矩陣，列矩陣[a]是歸一化入射波矩陣，方陣[S]是兩端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣，簡(jiǎn)稱S矩陣。各矩陣元素稱散射參量，簡(jiǎn)稱S參量，物理意義如下：，為端口2匹配時(shí)端口1的反射系數(shù)；，為端口1匹配時(shí)端口2的反射系數(shù)；，為端口2匹配時(shí)端口1至端口2的反向傳輸系數(shù)；，為端口1匹配時(shí)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(shí)S參數(shù)也是用網(wǎng)絡(luò)分析儀最容易測(cè)定的參數(shù)，因此在微波器件的設(shè)計(jì)測(cè)試中S參數(shù)是最常用的。適用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線輸入阻抗實(shí)質(zhì)上就是測(cè)量天線輸入端口的Z參數(shù)。由于Z參數(shù)有實(shí)部和虛部，是矢量形式，因此只有矢量網(wǎng)路分析儀才能測(cè)量天線的輸入阻抗。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以直接測(cè)量出天線輸入端的VSWR，其定義如下： (216)對(duì)于天線而言，當(dāng)輸出端口匹配時(shí)，輸入端口反射系數(shù)S11即為反射系數(shù)。 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。 天線的輻射方向圖是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形化表示。所謂的輻射參量包括輻射的功率通量密度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化，在一般情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)定，并表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)，稱為方向（圖）函數(shù)。實(shí)際上，我們最關(guān)心的是天線輻射能量的空間分布，在沒(méi)有特別指明的情況下，輻射方向圖一般均指功率通量密度的空間分布。 在三維坐標(biāo)中，方向圖描述了一個(gè)三維曲面，這樣的方向圖稱為立體方向圖或空間方向圖。立體方向圖形象、直觀，但畫(huà)起來(lái)復(fù)雜。由于這個(gè)緣故，天線方向圖通常是用兩個(gè)互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖表示，稱為平面方向圖。主平面的取法因問(wèn)題的不同而異。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。所謂水平平面是仰角Δ=常數(shù)、與地面平行的平面。在此平面內(nèi)，功率通量密度或場(chǎng)強(qiáng)隨方向角φ變化。鉛垂平面是方位角φ=常數(shù)、與地面垂直的平面，在此平面內(nèi)，功率通量密度或場(chǎng)強(qiáng)隨仰角Δ變化。研究超高頻天線，通常采用的兩個(gè)主平面是E面和H面。E面是最大輻射方向和電場(chǎng)矢量所在的平面，H面是最大輻射方向和磁場(chǎng)矢量所在的平面。位于自由空間的電基本振子，其E面是通過(guò)振子軸的子午平面（φ=常數(shù)的平面），H面是垂直于振子軸的赤道平面（θ=90176。的平面）。磁基本振子的E面和H面與電基本振子的剛好互換。 方向性系數(shù)(D)用于描述天線在某特定方向上能量集中的程度。定義為在總輻射功率相同的條件下，天線在某特定方向上的輻射強(qiáng)度與參考天線的輻射強(qiáng)度之比。參考天線通常選擇理想點(diǎn)源，是理想中的各向同性天線，由于總輻射功率相同，能量是守恒的，與理想點(diǎn)源比較，天線在某些方向上的輻射強(qiáng)度增加了，在另外一些方向上的輻射強(qiáng)度必定就減弱了。我們關(guān)心的是天線最大輻射方向上的強(qiáng)度與理想點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度之比，即為方向性系數(shù)。方向性系數(shù)通常取對(duì)數(shù)分貝，單位是dBi，其中i表示與各向同性(isotropic)的理想點(diǎn)源比較。 方向性系數(shù)(D)是以總輻射功率相同為基點(diǎn)，沒(méi)有考慮天線將輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的效率。為了更完整地描述天線的定向特性，更常用的參數(shù)是天線的增益指標(biāo)。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(qiáng)度與參考天線的輻射強(qiáng)度之比。如果參考天線是理想點(diǎn)源，單位為dBi；如果參考天線是半波振子，單位為dBd。增益G與方向性系數(shù)D的關(guān)系見(jiàn)式（225）： （217）其中η為天線效率，天線輸入端的阻抗失配、饋電網(wǎng)絡(luò)的插入損耗、天線結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、天線輻射的表面波損耗等因素都會(huì)降低天線的輻射效率。天線效率η總是小于1，因此天線增益G總是小于方向性系數(shù)D，設(shè)計(jì)合理時(shí)，二者差別較小，當(dāng)然還與具體的天線類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)。設(shè)計(jì)不合理時(shí)，二者相差可能很大。 阻抗匹配 阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間的一種合適的搭配方式。阻抗的匹配與否關(guān)系到信號(hào)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。阻抗匹配則傳輸功率大，對(duì)于一個(gè)電源來(lái)講，當(dāng)它的內(nèi)阻等于負(fù)載時(shí)，輸出功率最大，此時(shí)阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無(wú)反射波。阻抗匹配是指在能量傳輸時(shí)，要求負(fù)載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時(shí)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了。反之則在傳輸中有能量損失。一般規(guī)定同軸電纜基帶50歐姆，頻帶75歐姆，對(duì)絞線則為100歐姆，只是取個(gè)整而已，為了匹配方便。阻抗匹配的技術(shù)可以說(shuō)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(gè)方面的因素。對(duì)于什么情況下需要匹配，采用什么方式的匹配，為什么采用這種方式，下面分列幾點(diǎn)：1 串聯(lián)終端匹配串聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗低于傳輸線特征阻抗的條件下，在信號(hào)的源端和傳輸線之間串接一個(gè)電阻R，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，抑制從負(fù)載端反射回來(lái)的信號(hào)發(fā)生再次反射。選擇串聯(lián)終端匹配電阻值的原則很簡(jiǎn)單，就是要求匹配電阻值與驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗之和與傳輸線的特征阻抗相等。理想的信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗為零，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器總是有比較小的輸出阻抗，而且在信號(hào)的電平發(fā)生變化時(shí)，輸出阻抗可能不同。串聯(lián)匹配是最常用的終端匹配方法。它的優(yōu)點(diǎn)是功耗小，不會(huì)給驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)額外的直流負(fù)載，也不會(huì)在信號(hào)和地之間引入額外的阻抗；而且只需要一個(gè)電阻元件。 2 并聯(lián)終端匹配并聯(lián)終端匹配的理論出發(fā)點(diǎn)是在信號(hào)源端阻抗很小的情況下，通過(guò)增加并聯(lián)電阻使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，達(dá)到消除負(fù)載端反射的目的。實(shí)現(xiàn)形式分為單電阻和雙電阻兩種形式。并聯(lián)終端匹配優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)直流功耗。單電阻方式的直流功耗與信號(hào)的占空比緊密相關(guān)；雙電阻方式則無(wú)論信號(hào)是高電平還是低電平都有直流功耗。因而不適用于電池供電系統(tǒng)等對(duì)功耗要求高的系統(tǒng)。史密斯圓圖常作為阻抗匹配的設(shè)計(jì)指南。 在處理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題時(shí)，總會(huì)遇到一些非常困難的工作，對(duì)各部分級(jí)聯(lián)電路的不同阻抗進(jìn)行匹配就是其中之一。匹配的目的是為了保證信號(hào)或能量有效地從“信號(hào)源”傳送到“負(fù)載”。有很多種阻抗匹配的方法，看看相比于其他計(jì)算方法而言，史密斯圓圖的優(yōu)點(diǎn)在什么地方。其他的方法包括：(1)計(jì)算機(jī)仿真：由于這類軟件是為不同功能設(shè)計(jì)的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起來(lái)比較復(fù)雜。設(shè)計(jì)者必須熟悉用正確的格式輸入眾多的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)人員還需要具有從大量的輸出結(jié)果中找到有用數(shù)據(jù)的技能。另外，除非計(jì)算機(jī)是專門(mén)為這個(gè)用途制造的，否則電路仿真軟件不可能預(yù)裝在計(jì)算機(jī)上。(2)手工計(jì)算：這是一種極其繁瑣的方法，因?yàn)樾枰玫捷^長(zhǎng)的計(jì)算公式、并且被處理的數(shù)據(jù)多為復(fù)數(shù)。(3)經(jīng)驗(yàn)：只有在該領(lǐng)域工