【文章內容簡介】 實現體積小巧、性能良好的集成化天線，非線性介質如液晶材料方面的 UWB 天線研究也開始受到關注； (4) 小型 UWB 天線的精確測量技術：如何減小其他因素 (如饋線亂真發(fā)射 )對小型天線的輻射特性影響，以及電小 UWB 天線的效率測量，都是值得研究的問題； (5) 利用廣義信道和隨機過程方法評估天線與系統(tǒng)性能： 廣義信道特性是關于方位角、俯仰角的復雜函數，只有在充分積累數據的基礎上才有望建立的傳播模型具有一般性，通過該模型和傳輸性能，可以對 UWB 天線的性能進行評價和分析，選擇性能最佳的收發(fā)天線。 可見，超寬帶天線的研究內容涉及到電磁場數值計算、微波集成電路與精密加工工藝、新型材料、儀器與測量技術、通信信號處理等理論和技術，還有大量研究工作有待今后完成。 論文結構框架說明 本論文的主要研究工作和內容安排如下： 第一章作為緒論，簡述本論文的研究背景、研究歷程和研究現狀。簡要地介 紹了超寬帶無線通信技術的歷史和優(yōu)勢，回顧了超寬帶天線的發(fā)展歷程及國內外關于多種超寬帶天線的研究現狀和發(fā)展方向。 第二章為天線原理的闡述，介紹超寬帶天線的性能參數及特點。這章作為研究超寬帶天線的理論基礎。 第三章為仿真設計，簡單介紹有限元法的電磁計算方法，對軟件 HFSS 簡單介紹。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。 第四章是實驗對比，是本論文的工作重點，對設計的兩款天線進行優(yōu)化。通過對天線尺寸、介質介電常數、輻射板和底板的形狀，饋電 方式等方面來研究超寬帶天線，使得到的模型至少在 ~ 內 VSWR≤ 2。通過實驗對比得到優(yōu)化的結果作為最終成果。 最后是本論文的結語，對真?zhèn)€研究過程進行收尾，回顧得失。 本章小結 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 電流元和磁流元的輻射 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。設電流元如圖 所示放置。 圖 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： ?????????????????0])1(11[s in2)11(c o s222?????????????EerjrjrI d ljEerjrI d lErjrjr (21) 式中， ???? 為媒質波阻抗，自由空間時，有： )(3 7 71 2 0000 ????? ????? (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： （一） 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。 （二） 比值 ????EE 是一常數，并等于周圍媒質的波阻抗，對自由空間 ??377? 。 （三） 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，它與圖 的電流元相對應。 圖 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： ????????????redlIjHerdlIjEjmrjm?????????s in2s in2 (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。 對稱振子的輻射 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： ??? ?????? ?????? 0),(s in 0),(s in)( zlzlI lzzlIzImm ?? (24) 式中， Im為天線上波腹點的電流； l 為振子一臂的長度； ??? 2? 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。 可知電流元 I(z)dz所產生的輻射場為： ??? ?? ?? ? rjer dzzIjdE s in)(30 (25) 將式 (25)代入上式可得位于 z? 處的電流元的輻射場為： ???????????????2222111121s i n)(s i n30s i n)(s i n30????????????dzer zlIjdEdzer zlIjdErjMrjM (26) 式中， ??? 、 21 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： ????? 0 20 1 ll dEdEE?? (27) 由于場點離天線很遠，可取下面的近似 ??? ?? 21 ， ??? ?? 21 。 在計算積分時，分母中的 rrr ?? 21 ，但在相位因子中可取下式計算： ?????????c o sc o s21 zrr zrr (28) 將式 (28)代入 (29)并考慮以上的近似結果可得： ????? ????? ????? ? ???? ])(s i n)(s i n[s i n3000 c o sc o sllrjrjrjM dzezldzezler IjE ＝ ?? ??? ? ?? ? rjM ellrIj ]s i n c o s)c o sc o s ([60 (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。 圖 天線與傳輸線系統(tǒng) 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。 S 參量的兩端口網絡模型示意圖如圖 所示 ： 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 ： ?? ???? 11m inm a xVVV SW R?????? ?1?1IVZin入射波電壓或電流 反射波電壓或電流反射系數 ????? ?lg20RL ??????????????????? 212221 121121 aaSS SSbb (214) 或者寫成矢量形式： ? ? ? ? ? ?aSb ?? (215) 圖 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： 021111??aabS ，為端口 2匹配時端口 1 的反射系數； 012222??aabS ，為端口 1匹配時端口 2 的反射系數； 012112??aabS ，為端口 2匹配時端口 1 至端口 2的反向傳輸系數； 021221??aabS ，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，