【正文】 以從理論上來說，UWB可以與現(xiàn)有的無線電設(shè)備共享帶寬。毫無疑問，通過占有高達(dá)7500MHz的頻帶，超寬帶技術(shù)必將成為無線短距離高速通信方面的霸主并在未來成為該領(lǐng)域的核心技術(shù)，因此它一出現(xiàn)就被業(yè)內(nèi)人士戲稱為“藍(lán)牙殺手”。而在民用方面，主要用于無線個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）、精確測(cè)距、金屬探測(cè)等。所以，UWB天線的研究就具有非常重要的意義。目前，有兩種較為流行的超寬帶天線的定義。簡而言之，就是某項(xiàng)給定的技術(shù)指標(biāo)不超出給定的范圍所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。 超寬帶天線的發(fā)展歷程超寬帶天線的發(fā)展歷程主要可分為三個(gè)階段： （1）1950年之前基本屬于早期發(fā)展時(shí)期，這時(shí)的超寬帶天線主要用于廣播電視通信領(lǐng)域； （2）1950—1990近四十年，算是超寬帶天線的蓬勃發(fā)展時(shí)期，在這個(gè)階段多種寬帶和非頻變天線的設(shè)計(jì)理論被相繼提出。 隨著近年來通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)天線的要求也越來越嚴(yán)苛，從而促進(jìn)了超寬帶天線的發(fā)展。對(duì)數(shù)周期偶極天線（LPDA）通常由許多并行排列的諧振振子組成，主要通過有效區(qū)域進(jìn)行輻射。LPDA具有極寬的帶寬，達(dá)到10∶1甚至更高，且具有較高的增益，在短波、超短波、微波等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 雙錐天線是最早的具有寬帶特性的天線，最先由英國的洛奇1989年制成，它可以看成是激勵(lì)TEM模的均勻漸變線，故其輸入阻抗有寬屏帶特性。 隨后許多改進(jìn)型相繼出現(xiàn)，主要有：（1）1939年Carter的改進(jìn)型雙錐天線和單錐天線；（2）1949年Schelkunoff的球形天線；（3）1945年Kandoian研制的盤錐天線；（4）1946年Brillouin的全向和定向同軸喇叭天線等。上述天線在早期應(yīng)用廣泛，但由于笨重的三維結(jié)構(gòu)，使它們的應(yīng)用均受到了一定的限制，所以近年來超寬帶天線都是向著小型化平面化方向發(fā)展。平面結(jié)構(gòu)式早期超寬帶天線的主要結(jié)構(gòu)，隨后得到了不斷的發(fā)展。此后為進(jìn)一步拓寬超寬帶天線的帶寬，相關(guān)研究人員又相繼提出了圓形、橢圓形、扇形、水滴形、火山型等多種變形單極子天線。為了使超寬帶天線的結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時(shí)使其具有全向特性，Thomas等人又提出了以接地面為鏡像的圓盤平面偶極子天線。雖然早期的單極子天線是平板結(jié)構(gòu)，但由于SMA導(dǎo)通孔饋電方式，輻射面和接地面是互相垂直的，嚴(yán)格來說，此時(shí)的單極子仍然是三維結(jié)構(gòu)。最簡單的輻射體設(shè)圓形的，改變半徑即可決定天線的最低工作頻率，而把圓形變成橢圓、漏斗形、U形則可進(jìn)一步拓寬天線的帶寬。印刷單極子具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、制作容易和全向輻射特性等優(yōu)點(diǎn)，所以本課題將其選為小型化超寬帶天線的代表來研究。縫隙天線在饋電端將能量傳遞至金屬饋源，再由饋源耦合至寬槽孔中，通常金屬饋源與槽孔具有類似的形狀結(jié)構(gòu)，以使能量更有效地耦合傳遞。實(shí)際應(yīng)用中，—，與其他通信系統(tǒng)WLAN（~）、WiMAX（~）以及C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)（~）的工作頻段有重疊，因此需要對(duì)超寬帶天線的前端加置帶通濾波器來避免互相影響。在設(shè)計(jì)中，通常在天線結(jié)構(gòu)中增加二分之一波長的諧振槽貨四分之一波長短截線使之具有阻帶特性，并且通過增加一些寄生微帶線，改變其長度寬帶和位置，可實(shí)現(xiàn)不同的陷波特性。而就實(shí)際應(yīng)用而言，寬頻帶和小型化是天線最重要的方向之二。 從2005年以來這七年的時(shí)間，超寬帶天線的研究方向主要包括： ：超寬帶的提出主要用于無線短距傳輸，該系統(tǒng)在未來很可能出現(xiàn)在無線USB系統(tǒng)上，所以要求其尺寸能夠小到一定的程度并滿足帶寬要求。最具代表性的是新加波陳志寧教授提出的通過觀察表面電流將不必要的部分去除來實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。似乎超寬的工作頻帶與小型化目前是一對(duì)矛盾，但許多學(xué)者和研究人員在小型化方面傾注了很多心血以圖解決這個(gè)問題。為了抑制干擾，勢(shì)必要將與其他系統(tǒng)重疊的頻段濾除，實(shí)現(xiàn)方法是在天線結(jié)構(gòu)上引入諧振結(jié)構(gòu)，以下是幾種通過開槽和增加枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)陷波功能的天線設(shè)計(jì)： ：天線—系統(tǒng)一體化的思想就是把天線與傳播鏈路組成的廣義信道作為一個(gè)空間濾波器，研究信號(hào)在其中的傳輸性能，定量地評(píng)估信號(hào)的傳輸質(zhì)量，選擇合理的接收發(fā)送天線、設(shè)計(jì)合適的通信信號(hào)與相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)最佳傳輸性的系統(tǒng)。但這樣實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性較大，且對(duì)儀器要求較高，成本較高。采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的辦法可很大降低天線研發(fā)的復(fù)雜度：首先利用矢網(wǎng)測(cè)量天線和鏈路組成的廣義信道特性，再根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)軟件平臺(tái)的誤碼率模擬測(cè)試，初步確定并評(píng)估天線的性能，為接下來的實(shí)驗(yàn)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，減少單純實(shí)驗(yàn)中額外的調(diào)試和工作量，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率、降低設(shè)計(jì)成本。但從設(shè)計(jì)、優(yōu)化、批量試產(chǎn)到商用，都要經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)。 (1) 相位中心問題：如何通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)確定UWB天線的相位中心，定量考察相位方向圖對(duì)UWB天線性能的影響，以利于脈沖型超寬帶天線的設(shè)計(jì)； (2) UWB天線的數(shù)值分析：穩(wěn)定可行的快速算法，能用于任意UWB天線和散射體的瞬態(tài)分析，有助于提高設(shè)計(jì)精度和效率； (3) 新材料和工藝的應(yīng)用：采用新型制作工藝如LTCC工藝、高級(jí)封裝集成工藝、人工電磁材料(以EBG為代表)，有利于實(shí)現(xiàn)體積小巧、性能良好的集成化天線，非線性介質(zhì)如液晶材料方面的UWB天線研究也開始受到關(guān)注； (4) 小型UWB天線的精確測(cè)量技術(shù)：如何減小其他因素(如饋線亂真發(fā)射)對(duì)小型天線的輻射特性影響，以及電小UWB天線的效率測(cè)量，都是值得研究的問題； (5) 利用廣義信道和隨機(jī)過程方法評(píng)估天線與系統(tǒng)性能：廣義信道特性是關(guān)于方位角、俯仰角的復(fù)雜函數(shù)，只有在充分積累數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(duì)UWB天線的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，選擇性能最佳的收發(fā)天線。 論文結(jié)構(gòu)框架說明 本論文的主要研究工作和內(nèi)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(xiàn)狀。 第二章為天線原理的闡述，介紹超寬帶天線的性能參數(shù)及特點(diǎn)。 第三章為仿真設(shè)計(jì)，簡單介紹有限元法的電磁計(jì)算方法，對(duì)軟件HFSS簡單介紹。 第四章是實(shí)驗(yàn)對(duì)比，是本論文的工作重點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)的兩款天線進(jìn)行優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到優(yōu)化的結(jié)果作為最終成果。本章介紹了UWB無線通信技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)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(gè)重點(diǎn)的發(fā)展方向特別是小型化，同時(shí)，挑選超寬帶天線中最具代表性的印刷單極子重點(diǎn)闡述其結(jié)構(gòu)的演變。第二章 超寬帶天線理論基礎(chǔ) 引言 通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航燈無線電技術(shù)設(shè)備中，都需要有無線電波的輻射和接收，用以完成這個(gè)作用的裝置稱之為天線。 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)。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。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。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)。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。在設(shè)計(jì)之前，分析UWB天線的性能要求及實(shí)現(xiàn)所要面臨的問題是十分必要的。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(dǎo)體，以Idl標(biāo)記。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。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)）。（2） 比值是一常數(shù)，并等于周圍媒質(zhì)的波阻抗，對(duì)自由空間。 下面考察磁流元的輻射，如圖22所示表示磁流元。 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為磁流元的長度，Im為磁流元上的磁流。 對(duì)于實(shí)際使用的大多數(shù)天線，因其電尺寸已與波長可以比擬，所以不能應(yīng)用電流元的公式來計(jì)算其輻射場(chǎng)。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)為是由開路的雙線傳輸線張開而成，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為振子一臂的長度；為相移常數(shù)，λ為自由空間的波長。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。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。 天線基本參數(shù) 電路參數(shù) 天線的電路參數(shù)在本論文中只簡單介紹電壓駐波比（VSWR），駐波比的問題本質(zhì)上也是回波損耗問題，兩者的本質(zhì)都是阻抗匹配問題。于是： (212)回波損耗采用反射系數(shù)負(fù)模的對(duì)數(shù)分貝來度量，即： （213） 說到駐波比，就順便簡單說說微波網(wǎng)絡(luò)參量中的S參量。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。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，簡稱S矩陣。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)。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)。 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。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。立體方向圖形象、直觀，但畫起來復(fù)雜。主平面的取法因問題的不同而異。所謂水平平面是仰角Δ=常數(shù)、與地面平行的平面。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。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。的平面）。 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。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。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。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)。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。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)。 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。阻抗匹配則傳輸功率大，對(duì)于一個(gè)電源來講，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。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。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。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