【導(dǎo)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(shí)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(diǎn)，對其應(yīng)用產(chǎn)生了限制。本論文即是圍繞天線寬帶化進(jìn)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(guān)文獻(xiàn)，了解超寬帶技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀。翻譯一篇英文文獻(xiàn)。學(xué)習(xí)微帶天線和超寬帶天線的基本原理。用微波仿真軟件HFSS實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)自補(bǔ)的超寬帶天線的仿真。指導(dǎo)下進(jìn)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(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。聲明的法律后果由本人承擔(dān)。涉密論文按學(xué)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(diǎn)和發(fā)展以及基本的超寬帶天線的結(jié)構(gòu)原理。補(bǔ)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(zhǔn)確，計算量小的優(yōu)勢，在工程設(shè)計領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)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(diǎn)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(jìn)行積分而得出總場。因?yàn)橥ǔＴ次粗?，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(chǔ)的，其基本方程是嚴(yán)格的。但是，由于嚴(yán)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(shí)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(shè)計先驗(yàn)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(diǎn)是省卻了積分方程的求解，而又能獲得較嚴(yán)格的計 入微帶基片效應(yīng)的結(jié)果 。但其應(yīng)用受到場源分布的先驗(yàn)假設(shè)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(zhǔn)確性、完整性、通用性和計算復(fù)雜性。準(zhǔn)確性是指全波理論能夠提供最準(zhǔn)確的結(jié)果 。完整性是指全波理論包括了表面波效應(yīng)、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(fù)雜性指全波方法是數(shù)值密集型的，需要進(jìn)行大量仔細(xì)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(jìn)行近似假設(shè)，其模型簡單，并沒有復(fù)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(shí)際問題的復(fù)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(yùn)用的較為廣泛。下面對 這三種方法進(jìn)行介紹。 矩量法 矩量法是目前微帶天線分析中應(yīng)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(guān)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(dāng)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(xiàng)數(shù)。當(dāng)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(guān)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(guān)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(guān)的?；瘮?shù)的選取可選全域基也可選分域基，當(dāng)求解域?yàn)橐?guī)則區(qū)域時，有可能用全域基方便地求解問題 。當(dāng)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(chǔ)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(yīng)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(diǎn)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(diǎn)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(yīng)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?yàn)榱?，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?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(jī)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(diǎn)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在很多使用這種方法設(shè)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(dá)系統(tǒng)等。 1990 年 將 FDTD 方法應(yīng)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(shè)計領(lǐng)域嶄露頭角。其先將 MAXWELL 方程在直角坐標(biāo)系中展成六個標(biāo)量場微帶大線的分析和寬頻帶設(shè)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(yīng)得出時間變元。用有限差分式表示關(guān)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(dāng)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(yīng)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(guān)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，首先，時域有限差分法適用領(lǐng)域廣泛，對一般的和復(fù)雜的模型都適用；其二，當(dāng)我們所研究的物體外形結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成比較復(fù)雜時，時域有限差分法的算法不會變的太復(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)天線的性能。此外，時域有限差分法選用適當(dāng)?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(diǎn)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(yīng)，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(diǎn)位置的不同將決定貼片激勵哪種模式的波。當(dāng)天線元的尺寸確定以后，可按下法進(jìn)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(shè)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(dǎo)體在天線導(dǎo)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(yán)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(yīng)按邊界條件來處理。 圖 同軸饋電示意圖 同軸饋電的優(yōu)點(diǎn)是： ，便于匹配。 ，避免了天線輻射的影響。缺點(diǎn)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?yàn)橘N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(shè)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(diǎn)是無需焊接，缺點(diǎn)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(fù)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(jì) 40 年代，從其開始出現(xiàn)到 20世紀(jì) 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(wù)的技術(shù)在雷達(dá)等低接獲率，低偵測率的通信設(shè)備上使用。近年來隨著應(yīng)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(yīng)用于民用領(lǐng)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(jìn)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?yàn)槠浒l(fā)射能量相當(dāng)小，因此成為可能在 不占用現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)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(dá)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(diǎn)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(dá)到 Mbps 的數(shù)十?dāng)?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(kuò)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(shè)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(qiáng)的抗干擾能力。 ，超寬帶通信技術(shù)采用跳時擴(kuò)頻技術(shù)，接收機(jī)只有在知道發(fā)射端擴(kuò)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(jī)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