【文章內容簡介】 真?zhèn)€研究過程進行收尾，回顧得失。本章介紹了UWB無線通信技術的發(fā)展歷史和現狀，并指出了目前超寬帶天線所面臨的問題和解決方法，指出其幾個重點的發(fā)展方向特別是小型化，同時，挑選超寬帶天線中最具代表性的印刷單極子重點闡述其結構的演變。最后，本章對全論文的架構也作了說明，將全論文的結構清晰地呈現了出來。第二章 超寬帶天線理論基礎 引言 通信、廣播、電視、雷達、導航燈無線電技術設備中，都需要有無線電波的輻射和接收，用以完成這個作用的裝置稱之為天線。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變?yōu)轭A定空間的電磁波能量，而接收天線是將預定空間來的電磁波能量轉變?yōu)楦哳l電流能量。 為了有效地將能量從發(fā)射機饋送到天線，將其空間電磁波轉換成高頻電流（或導波）送至接收機。需要解決如下三個問題：第一，有效地進行能量轉換，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，應具有向所需方向輻射無線電波的能力；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)天線應具有相同的極化形式，若不一致，則產生極化失配。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。天線按結構形式分為兩大類，一類是導線，金屬棒或金屬板結構天線，稱為線天線；另一類是似聲學或光學設備，有金屬面或介質面構成的天線天線的基本參數可以分為兩大類，電路參數和輻射參數。電路參數包括阻抗、電壓駐波比、反射系數、回波損耗等；極化、增益、方向圖等則屬于輻射參數。這些知識頻域上的參數，還有如相關系數、脈沖寬度拉伸比等時域特性參數。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系統(tǒng)的性能。UWB天線的設計和實現亦有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶天線，窄帶天線的設計利用諧振特性，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實現，在UWB系統(tǒng)中應用有限。在設計之前，分析UWB天線的性能要求及實現所要面臨的問題是十分必要的。 天線工作基本原理 實際使用的線天線，均可認為是由若干電流元和(或)磁流元所構成。所謂電流元，是指長度dlλ，并載有高頻電流i(t)=Icosωt=Re[Iejωt]的一段導體，以Idl標記。 電流元極其坐標系 計算該電流元在其周圍空間產生的電磁場分布。由電磁場理論有： (21)式中，為媒質波阻抗，自由空間時，有： (22)對不同的區(qū)域，電流元的場特性不同。在近場區(qū)域內電磁能流的坡印亭矢量是純虛數，沒有能流向外，該區(qū)域內能量的振蕩占了絕對優(yōu)勢，該區(qū)域也叫感應場。由于接受點在遠處，所以重點討論遠場（輻射場）。遠場區(qū)有以下特點：（1） 遠場區(qū)只有Eθ和Eφ兩個分量，兩者在空間上互相垂直，在時間上同相位，該且與內沿矢徑方向傳播的電磁波占了絕對優(yōu)勢，電磁場沿矢徑方向向外傳播且不再返回。（2） 比值是一常數，并等于周圍媒質的波阻抗，對自由空間。（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放置于球坐標的原點處。 磁流元及其坐標系 應用對偶性原理，將變量進行替換，則可得出磁流元的輻射場為： (23)式中，dlλ為磁流元的長度，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，但遠區(qū)場分量已改變。 對于實際使用的大多數天線，因其電尺寸已與波長可以比擬，所以不能應用電流元的公式來計算其輻射場。此時輻射場的計算，嚴格說應該根據其特定的邊界條件求解麥克斯韋方程組的解。實際中一般采用近似法中的等效傳輸線法，該法把對稱天線認為是由開路的雙線傳輸線張開而成，因此，在計算天線的輻射場時，天線上的電流可近似認為按正弦律分布(實踐證實這種假設是可行的)，其電流分布可表示為： (24)式中，Im為天線上波腹點的電流；l為振子一臂的長度；為相移常數，λ為自由空間的波長。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個電流為I(z)、長為dz的電流元串聯而成。利用線性媒質中電磁場的疊加定理，對稱振子的輻射場是這些電流元輻射場之矢量和?？芍娏髟狪(z)dz所產生的輻射場為： (25)將式(25)代入上式可得位于處的電流元的輻射場為： (26)式中，為單位矢量。整個天線所產生的總場則為這許多電流元的場疊加的結果，即： (27)由于場點離天線很遠，可取下面的近似。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果可得： ＝ (29)根據式(29)可以確定對稱振子輻射場的大小及方向。 天線基本參數 電路參數 天線的電路參數在本論文中只簡單介紹電壓駐波比（VSWR），駐波比的問題本質上也是回波損耗問題，兩者的本質都是阻抗匹配問題。反射系數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數相加，傳輸線上的歸一化電流為入射波與反射波的復數相減。于是： (212)回波損耗采用反射系數負模的對數分貝來度量，即： （213） 說到駐波比，就順便簡單說說微波網絡參量中的S參量。S參量可以在避開不現實的終端條件以及避免造成待測器件的損壞的前提下，用二端口網絡的分析方法確定所有的射頻器件特征。S參量表達的是功率波，可以用入射功率波和反射功率波的方式定義網絡的輸入輸出關系。： 在線性微波網絡中，由于歸一化電壓和電流之間呈線性關系，所以歸一化入射波與反射波之間也呈線性關系。設端口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)或者寫成矢量形式： (215) 兩端口網絡S參數示意圖其中，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]是兩端口網絡的散射矩陣，簡稱S矩陣。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；，為端口1匹配時端口2的反射系數；，為端口2匹配時端口1至端口2的反向傳輸系數；，為端口1匹配時端口2至端口1的反向傳輸系數； S參數是最能代表微波網絡特性的參數，它可以很容易轉換為Z參數、Y參數、A參數、T參數等其他網絡參數，同時S參數也是用網絡分析儀最容易測定的參數，因此在微波器件的設計測試中S參數是最常用的。適用網絡分析儀測量天線輸入阻抗實質上就是測量天線輸入端口的Z參數。由于Z參數有實部和虛部，是矢量形式，因此只有矢量網路分析儀才能測量天線的輸入阻抗。標量網絡分析儀可以直接測量出天線輸入端的VSWR，其定義如下： (216)對于天線而言，當輸出端口匹配時，輸入端口反射系數S11即為反射系數。 輻射參數 天線的輻射參數在此僅介紹輻射方向圖和方向性系數及增益。 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、場強、相位和極化，在一般情況下，輻射方向圖在遠場測定，并表示為空間方向坐標的函數，稱為方向（圖）函數。實際上，我們最關心的是天線輻射能量的空間分布，在沒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。立體方向圖形象、直觀，但畫起來復雜。由于這個緣故，天線方向圖通常是用兩個互相垂直的主平面內的方向圖表示，稱為平面方向圖。主平面的取法因問題的不同而異。架設在地面的線天線，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、與地面平行的平面。在此平面內，功率通量密度或場強隨方向角φ變化。鉛垂平面是方位角φ=常數、與地面垂直的平面，在此平面內，功率通量密度或場強隨仰角Δ變化。研究超高頻天線，通常采用的兩個主平面是E面和H面。E面是最大輻射方向和電場矢量所在的平面，H面是最大輻射方向和磁場矢量所在的平面。位于自由空間的電基本振子，其E面是通過振子軸的子午平面（φ=常數的平面），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(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度與參考天線的輻射強度之比。參考天線通常選擇理想點源，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，與理想點源比較，天線在某些方向上的輻射強度增加了，在另外一些方向上的輻射強度必定就減弱了。我們關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。方向性系數通常取對數分貝，單位是dBi，其中i表示與各向同性(isotropic)的理想點源比較。 方向性系數(D)是以總輻射功率相同為基點，沒有考慮天線將輸入功率轉換為輻射功率的效率。為了更完整地描述天線的定向特性，更常用的參數是天線的增益指標。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。如果參考天線是理想點源，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D的關系見式（225）： （217）其中η為天線效率，天線輸入端的阻抗失配、饋電網絡的插入損耗、天線結構的導體損耗、介質損耗、天線輻射的表面波損耗等因素都會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D，設計合理時，二者差別較小，當然還與具體的天線類型和結構有關。設計不合理時，二者相差可能很大。 阻抗匹配 阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗的匹配與否關系到信號的質量優(yōu)劣。阻抗匹配則傳輸功率大，對于一個電源來講，當它的內阻等于負載時，輸出功率最大，此時阻抗匹配。最大功率傳輸定理，如果是高頻的話，就是無反射波。阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負載阻抗要和傳輸線的特征阻抗相等，此時的傳輸不會產生反射，這表明所有能量都被負載吸收了。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，對絞線則為100歐姆，只是取個整而已，為了匹配方便。阻抗匹配的技術可以說是豐富多樣，但是在具體的系統(tǒng)中怎樣才能比較合理的應用，需要衡量多個方面的因素。對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：1 串聯終端匹配串聯