【導讀】易與有源器件和電路集成為單一模件、便于獲得圓極化、易于實現(xiàn)雙頻帶、雙極化等，受到了廣泛的重視和研究。但是由于其固有帶寬窄、輻射效率低、功率容量小等缺點，對其應用產(chǎn)生了限制。本論文即是圍繞天線寬帶化進行的。論了天線的尺寸、結(jié)構(gòu)等對天線性能的影響。搜索并閱讀相關文獻，了解超寬帶技術(shù)的特點和發(fā)展現(xiàn)狀。翻譯一篇英文文獻。學習微帶天線和超寬帶天線的基本原理。用微波仿真軟件HFSS實現(xiàn)準自補的超寬帶天線的仿真。指導下進行的研究工作及取得的成果。和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，了明確的說明并表示了謝意。要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。聲明的法律后果由本人承擔。涉密論文按學校規(guī)定處理。寬是超寬帶天線研究的一個重要方向。饋電方式，最后介紹了超寬帶技術(shù)的特點和發(fā)展以及基本的超寬帶天線的結(jié)構(gòu)原理。補天線工作帶寬為，并在此頻率范圍內(nèi)滿足回波損耗系數(shù)小于-10dB。

　　

【正文】 就需要另行考慮了。即便如此，腔模理論由于具有結(jié)果準確，計算量小的優(yōu)勢，在工程設計領域獲得了廣泛應用。 [6] 全波分析理論 這種方法也稱積分方程法。通常先求出在特定的邊界條件下單位點源所產(chǎn)生的場即源函數(shù)或格林函數(shù)，然后根據(jù)疊加原理，把它乘以源分布后，在源所在的區(qū)域進行積分而得出總場。因為通常源未知，因而要先利用邊界條件得出源分布后的積分方程，在解出源分布后再由積分算式來 求出總場。積分方程法是以開放空間中的格林函數(shù)為基礎的，其基本方程是嚴格的。但是，由于嚴格的格林函數(shù)要在譜域中展開，求解積分方程有較大的難度和計算量。根據(jù)具體問題的實際情況，積分方程法發(fā)展起來了一種簡化處理方法 :不是通過求解積分方程來得出場源（或等效場源 )分布，而是基于十論文微帶大線的分析和寬頻帶設計先驗性知識來假定場源分布，例如利用空腔模型或傳輸線模型的已有結(jié)果來給出等效磁流分布或貼片電流分布，然后把格林函數(shù)與源分布相乘，在源所在區(qū)域積分而得出總場。這種方法的優(yōu)點是省卻了積分方程的求解，而又能獲得較嚴格的計 入微帶基片效應的結(jié)果 。但其應用受到場源分布的先驗假設條件限制。 相對于上兩種理論而言，全波分析理論可以概括為具有如下幾個特性 :準確性、完整性、通用性和計算復雜性。準確性是指全波理論能夠提供最準確的結(jié)果 。完整性是指全波理論包括了表面波效應、空間波輻射、單元間的互禍現(xiàn)象 。通用性指全波理論可以用來分析任意形狀、任意結(jié)構(gòu)、任意饋電形式的微帶天線單元和陣列；計算復雜性指全波方法是數(shù)值密集型的，需要進行大量仔細的計算。 [7] 第 17 頁 微帶天線的數(shù)值分析方法 微帶天線的數(shù)值分析方法主要是指全波分析中的數(shù)值分析方法。傳輸線理論和腔模理論通常是對具體的問題進行近似假設，其模型簡單，并沒有復雜的數(shù)值分析。而全波分析法通常要先利用邊界條件得出源分布的積分方程，解出源分布，再由積分算式來求得總場。由于實際問題的復雜性，積分方程的求解和場積分的計算一般都要借助數(shù)值計算技術(shù)來完成。全波分析中的數(shù)值分析方法主要包括矩量法，有限元法，時域有限差分法，而且隨計算條件的不斷改善，新的方法也不斷涌現(xiàn)。在這些數(shù)值分析方法中，矩量法最為常用，時域有限差分法，有限元法也運用的較為廣泛。下面對 這三種方法進行介紹。 矩量法 矩量法是目前微帶天線分析中應用最為廣泛的方法。矩量法所處理的問題可概括 為解線性非齊次方程，可統(tǒng)一的寫為 : gLf ? （ 32） 其中 :L 為線性算子， g 為己知函數(shù)， f 為待求解函數(shù)矩量法對式 (32)的求解過程如下 : 在 f的定義域內(nèi)將 f 展開為一組線性無關的已知函數(shù) ??xfn 的組合 : ? ???? Nn nn xfaf 1 （ 33） 其中 na 稱為展開系數(shù)， ??xfn 稱為基函數(shù)或展開函數(shù)。將 (32)代入 (31)得離散形式的算子方程 ? ??? ?Nn nn gxLfa1 （ 34） 在 L的值域內(nèi)取權(quán)函數(shù)集合 ??xm? ，對適當定義的內(nèi)積 (f， g)，用每一個 ??xn? 對式 (34)兩邊取內(nèi)積，表 示成矩陣形式如下 : ? ?? ? ? ?mnmn gal ? （ 35） 第 18 頁 其中 ? ?mnl = mm Lf,? , gg mm ,?? 解矩陣方程式 (35)可得 na ，代入到式 (33)即可得原問題的近似解。解的精度取決于基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選取及展開式的項數(shù)。當以 ? ? ? ?xFxW nn ? 時，該方法通常稱為 Galerkin 方法。 在一個特定的問題中，矩量法的關鍵是基函數(shù)和權(quán)函數(shù)的選取?；瘮?shù)的選取必須是線性無關的，并使其線性組合能得到很好的逼近求解函數(shù) 。權(quán)函數(shù)也必須是線性無關的?；瘮?shù)的選取可選全域基也可選分域基，當求解域為規(guī)則區(qū)域時，有可能用全域基方便地求解問題 。當求解域不規(guī)則時，一般要用分域基離散。分域基比全域基具有更大的靈活。 [5] 有限元法 有限元法是建立在變分法基礎上的。它把整個求解區(qū)域劃分為若干個單元，在每個單元內(nèi)規(guī)定一個基函數(shù)。這些基函數(shù)在各自的單元內(nèi)解析，在其他區(qū)域內(nèi)為零，這樣可以用分片 解析函數(shù)代替全域解析函數(shù)。對于二維問題，單元的劃分可以取為三角形、矩形等，但三角形單元適應性最廣；對于三維問題，單元可取作四面體、六面體。每個單元的形狀都可視具體問題靈活規(guī)定。 通過規(guī)定每個單元中合適的基函數(shù)，可以在每個頂點得到一個基函數(shù)。分片解析函數(shù)通過這些單元間的公共頂點連續(xù)起來，拼接成一個整體，代替全域解析函數(shù)，通過相應的代數(shù)等價可化為代數(shù)方程求解。 由于基函數(shù)的定義域限于本單元，在其余區(qū)域為零，因此在所建立的矩陣方程中，矩陣元素大多為零，即是稀疏矩陣。用聯(lián)系清單稀疏矩陣程序計算該矩陣可以節(jié)省90%的 計算機內(nèi)存 。而在用矩量法求解時，矩陣是滿秩矩陣。有限元法最重要的優(yōu)點是其不受討論物理模型形狀的限制，這從單元和基函數(shù)的選取即可以明確。 時域有限差分法 簡稱為 FDTD 方法，在 1966 年由 向電磁委員會首次介紹了 FDTD 算法，創(chuàng)立了計算電磁場的時域有限差分法 (FDTD)。該方法在計算電磁場的各個領域得到了廣泛應用?，F(xiàn)在很多使用這種方法設計的天線正在用于移動通信、衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)、航空系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)等。 1990 年 將 FDTD 方法應用于平面微帶 第 19 頁 電路結(jié)構(gòu)中 ,證 明了 FDTD 方法對計算平面微帶電路的有效性。 1994 年 提出了二維完全匹配層 (PML)吸收邊界，并于 1996 年推廣到了三維情況。 FDTD 方法是一種時域 (寬帶 )、全波、一體化的分析方法，正在微帶天線的分析和設計領域嶄露頭角。其先將 MAXWELL 方程在直角坐標系中展成六個標量場微帶大線的分析和寬頻帶設計的分量方程，再將問題空間沿三個軸向分成很多網(wǎng)格單元，每個單元長度作為空間變元，相應得出時間變元。用有限差分式表示關于場分量對時間和空間變量的微分，即可得到 FDTD 基本方程。選取合適的場 初值和計算空間的邊界條件，可以得到包括時間變量的 MAXWELL 方程四維數(shù)值解，通過傅立葉變換可得到三維空間的譜域解。 Yee 采用在空間和時間都差半個步長的一種網(wǎng)格 ,通過類似蛙步跳躍式的步驟用前一時刻的磁、電場值得到當前時刻的電、磁場值 ,并在每一時刻上將此過程算遍整個空域 ,于是可得到整個空域中隨時間變化的電、磁場值的解。這些隨時間變化的電、磁場值是在 Fourier 變換后變到相應頻域中的解 ,這就是 FDTD 方法的一種簡潔描述。 圖 Yee氏網(wǎng)格示意圖 這種方法屬于媒質(zhì)吸收型吸收邊界，其根本是構(gòu)造了一種非 物理的吸收媒質(zhì)與FDTD 網(wǎng)格外部邊界相連，該吸收媒質(zhì)具有與外向散射波的入射角和頻率均無關的波阻抗。與傳統(tǒng)的二階 Mur 吸收邊界條件相比， PML 吸收邊界條件可以提高 40dB 的精度，是迄今為止最好的吸收邊界條件。時域有限差分法相比其他方法有其獨特的優(yōu)點，首先，時域有限差分法適用領域廣泛，對一般的和復雜的模型都適用；其二，當我們所研究的物體外形結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成比較復雜時，時域有限差分法的算法不會變的太復雜。尤其對高度不均勻的介電材料模型。另外，時域有限差分法是一種時域的方法，它直接在 Yee 氏網(wǎng)格上對時間和空 間導數(shù)的中心差分近似，通過 Maxwell 兩個旋度方程求解來模擬電磁場傳播與媒質(zhì)的相互作用過程，對于分析波導不連續(xù)性問題非常 第 20 頁 有效。 [8][9] 時域有限差分法與矩量法相比更廣泛適用各種微帶結(jié)構(gòu)，以及分層、不均勻、有耗、色散等媒質(zhì)的問題。而且時域有限差分法易于得到計算空間場的暫態(tài)分布情況，有助于深刻理解天線的瞬態(tài)輻射特性及其物理過程，利于改進天線的性能。此外，時域有限差分法選用適當?shù)募钤?，通過一次時域計算便可獲得天線的寬頻帶輻射特性，避免了傳統(tǒng)頻域方法繁瑣的逐點計算。 [10] 微帶天線的饋電方法 微帶線饋電 圖 微帶饋電示意圖 用微帶線饋電時，饋線與微帶貼片是共面的，因而可方便地一起光刻，制作簡便。但這時饋線本身也要輻射，從而干擾特性方向圖，降低增益。為此，一般要求微帶線寬度 w不能寬，希望 wλ ，這就要求微帶天線的特性阻抗值 ZC 要高些，或者基片厚度 h相對較小，介電常數(shù) r? 大些。在理論計算中微帶饋線可等效為沿 z軸方向的一個薄電流片，其背后是空腔磁壁。為計入邊緣 效應，此電流片的寬度 d0 要比微帶饋線的寬度 w寬（取有效寬度）。 [11] 微帶線饋電點位置的不同將決定貼片激勵哪種模式的波。當天線元的尺寸確定以后，可按下法進行匹配：先將中心饋電的天線貼片同 50Ω 的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設計出匹配變阻器；再在天線元與饋線之間接入該匹配變阻器，重新做成天線即可。 貼片 微帶線 第 21 頁 同軸線饋電 同軸線饋電就是將同軸插座安裝在印刷電路板的背面，而同軸線內(nèi)導體在天線導體上。這種饋源的理論模型，可表示為 z向電流圓柱和接地板上同軸開口處的小磁流環(huán)。其簡化處理是略去磁流的作用，并用中心位于圓柱中心軸的電流片來等效電流柱。一種更嚴格的處理，是把接地板上的同軸開口作為 TEM 波的激勵源，而把圓柱探針的效應按邊界條件來處理。 圖 同軸饋電示意圖 同軸饋電的優(yōu)點是： ，便于匹配。 ，避免了天線輻射的影響。缺點是結(jié)構(gòu)不便于集成，制作麻煩。 臨近耦合饋電 臨近耦合饋電屬于一種非接觸非共面的微帶饋電技術(shù)，利用兩層介質(zhì)，微帶饋線位于底層介質(zhì)上，天線貼片位于頂層介質(zhì)上，而天線結(jié)構(gòu) 中無需接地平而。這種饋電方式可以有效地提高帶寬。因為貼片與饋線之間的耦合是電容性的，微帶饋線的開放末端可改善帶寬，而兩層介質(zhì)參數(shù)也可用來增長天線的帶寬，減少微帶末端的偽輻射。在設計大線時，相對于上層介質(zhì)，一般選擇較薄的底層介質(zhì)，從而放置在雙層介質(zhì)上的輻射貼片能夠得到較大的帶寬。這種饋電方法的優(yōu)點是無需焊接，缺點是由于貼片 第 22 頁 與饋線之間要精確地匹配而使得這種饋電方式的結(jié)構(gòu)較復雜。 [12] 第 23 頁 第四章 超寬帶天線介紹 超寬帶 UWB 技術(shù)介紹 超寬帶技術(shù)，其最初形式為脈沖無線通信，起源于 20 世紀 40 年代，從其開始出現(xiàn)到 20世紀 90 年代之間的幾十年里， UWB 超寬帶技術(shù)主要作為為軍事服務的技術(shù)在雷達等低接獲率，低偵測率的通信設備上使用。近年來隨著應用于微電子器件的技術(shù)和工藝的提高，超寬帶技術(shù)開始應用于民用領域。超寬帶通信是一種不用載波，而是通過對具有很陡的上升和下降時間的脈沖（通常脈沖寬度在 之間）進行調(diào)制的一種通信，所以也將其成為脈沖無線電（ Impluse Radio），時域（ Time Domain）或者無載波（ Carrier Free）通信，其具有 GHz 量級的帶寬，并且因為其發(fā)射能量相當小，因此成為可能在 不占用現(xiàn)在已經(jīng)相當擁擠的頻率資源的情況下的一種新型的語音和輸據(jù)通信方式。 超寬帶要求相對帶寬比高出 20%或者絕對帶寬大于 ，其傳輸速率可以超過100Mbps，具有這樣特性的系統(tǒng)就被稱之為 UWB 系統(tǒng)。 圖 超寬帶通信頻譜圖 UWB 由于其占用頻帶寬度達到 GHz 的數(shù)量級，所以即使傳送路徑良好也會產(chǎn)生失真，但由于其具有以下優(yōu)點使得超寬帶通信技術(shù)依然得到重視。 ， UWB 的輸據(jù)傳輸速率可以達到 Mbps 的數(shù)十數(shù)量級到數(shù)百數(shù)量級。 第 24 頁 ，其使用的帶寬大都 在 1GHz 以上，超寬帶系統(tǒng)的信息容量很大，并且可以和現(xiàn)有的窄帶通信同時工作而相互之間不產(chǎn)生干擾。 ， UWB 系統(tǒng)采用跳時擴頻信號，具有較大的處理增益，其能在發(fā)射信號時將微弱的無線電脈沖信號分散在廣闊的頻帶中去，使其輸出功率甚至小于設備所產(chǎn)生的噪聲的功率，所以，在具有相同的碼數(shù)條件下，超寬帶通信具有更強的抗干擾能力。 ，超寬帶通信技術(shù)采用跳時擴頻技術(shù)，接收機只有在知道發(fā)射端擴頻碼的情況下才能解調(diào)出發(fā)射數(shù)據(jù)；還有其系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低，用以往的一般的額接收機沒法接受。 系統(tǒng) 消耗的電能比較少，在傳統(tǒng)通信中，無線通信系統(tǒng)需