天线与电波传播I-4-1

1、1天线与电波传播（天线与电波传播（I）2超宽带技术超宽带技术-Ultra-wideband, UWBIR-UWBIR-UWB通信系统：通信系统：传统传统UWBUWB技术采用的是具有极宽频谱的极窄技术采用的是具有极宽频谱的极窄时域脉冲时域脉冲，而不是连续的波形来作为信息的载体，同时信号在传而不是连续的波形来作为信息的载体，同时信号在传输过程中也没有用到射频调制。已在雷达系统中有广输过程中也没有用到射频调制。已在雷达系统中有广泛应用，称为脉冲无线电泛应用，称为脉冲无线电(Impulse Radio, IR)(Impulse Radio, IR)技术。技术。适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和复

2、杂环适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和复杂环境下的可靠通信应用。这些应用包括支持多媒体业务境下的可靠通信应用。这些应用包括支持多媒体业务的个人局域网、替代信号电缆线、无线穿戴式设备、的个人局域网、替代信号电缆线、无线穿戴式设备、短距离探测和定位雷达、野外单兵通信和无线传感器短距离探测和定位雷达、野外单兵通信和无线传感器组网等。组网等。3超宽带技术超宽带技术-Ultra-wideband, UWB与传统窄带技术的区别：与传统窄带技术的区别： 极大的系统带宽。带宽常常达数极大的系统带宽。带宽常常达数GHzGHz，比任何现有的，比任何现有的无线通信技术的带宽都大得多；无线通信技术的带宽都大得多

3、； 典型的典型的UWBUWB信号是无载波窄脉冲。与当今通信系统中信号是无载波窄脉冲。与当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，广泛采用的载波调制技术不同，IR-UWBIR-UWB技术使用上升技术使用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输技术或无载波技术基带传输技术或无载波技术典型的IR-UWB信号的时域波形4UWB优势优势n极高的通信数据率极高的通信数据率。UWBUWB信号的脉冲宽度通常在亚纳秒量级，信号的脉冲宽度通常在亚纳秒量级，由此可实现达由此可实现达100Mbps100MbpslGbpslGbps的通信速率。的通信速率。

4、n低复杂度、低成本低复杂度、低成本。IR-UWBIR-UWB系统直接利用极窄脉冲来进行信系统直接利用极窄脉冲来进行信息传输，信号不需要上变频以及功放，因此可省去射频混频以息传输，信号不需要上变频以及功放，因此可省去射频混频以及功率放大模块；在接收端也可以省去相对应的混频模块、复及功率放大模块；在接收端也可以省去相对应的混频模块、复杂的时延和相位跟踪环等；杂的时延和相位跟踪环等；n信号具有类噪声性信号具有类噪声性。UWBUWB信号具有极低的功率谱密度和伪随信号具有极低的功率谱密度和伪随机特性，这使其具有类似噪声的性质难以被截获，同时对其它机特性，这使其具有类似噪声的性质难以被截获，同时对其它现有

5、的无线系统干扰较小。现有的无线系统干扰较小。n时域特性好时域特性好。时域窄脉冲具备良好的材料穿透能力，因此在时域窄脉冲具备良好的材料穿透能力，因此在探测方面具有很好的应用；极窄的时域脉冲同时还意味着探测方面具有很好的应用；极窄的时域脉冲同时还意味着UWBUWB技术具有提供比技术具有提供比GPSGPS和其他无线系统更高精度的定时潜力。和其他无线系统更高精度的定时潜力。519891989年，美国国防高级研究计划局年，美国国防高级研究计划局(DARPA)(DARPA)对超宽带对超宽带UWBUWB的概念下了明确的概念下了明确定义。定义。20022002年年2 2月，美国联邦通信委员会月，美国联邦通信委

6、员会(FCC)(FCC)规定民用通信允许的规定民用通信允许的超宽超宽带带(Ultra-wideband,(Ultra-wideband,简写为简写为UWB)UWB)可利用波段为可利用波段为3.1-10.6 GHz3.1-10.6 GHz，突破了以，突破了以前仅用于雷达和军事项目的瓶颈，为实现短距离高速度传输、低功耗和前仅用于雷达和军事项目的瓶颈，为实现短距离高速度传输、低功耗和低成本运行商用通信系统打下了基础，并且对超宽带调整了定义。低成本运行商用通信系统打下了基础，并且对超宽带调整了定义。其中，其中，fH和和fL为频段的上、下截止频率，为频段的上、下截止频率，DARPADARPA对超宽带的规

7、定比对超宽带的规定比FCCFCC规规定的要严格一些。定的要严格一些。UWB通信通信从频域上对从频域上对UWBUWB进行定义也表明进行定义也表明UWBUWB的含义已不再局限于的含义已不再局限于IRIR技术技术，对实际，对实际通信系统而言只要能通信系统而言只要能满足上面对带宽的要求满足上面对带宽的要求并并工作于工作于FCCFCC开放的应用频段开放的应用频段即可称之为即可称之为UWBUWB系统系统6UWB技术技术FCCFCC规定，规定，超宽带通信除用于雷达和安全应用外，还能够用于机载超宽带通信除用于雷达和安全应用外，还能够用于机载和车载雷达系统，数字通信和成像系统等领域和车载雷达系统，数字通信和成像

8、系统等领域。目前在现有。目前在现有UWBUWB定定义下，除传统的义下，除传统的IR-UWBIR-UWB方式外，还存在多频带正交频分复用方式外，还存在多频带正交频分复用(MB-(MB-OFDM)OFDM)和直接序列码分多址和直接序列码分多址(DS-CDMA)(DS-CDMA)等两种方案。从调制方式上等两种方案。从调制方式上看，看，MB-UWBMB-UWB和和DS-UWBDS-UWB方案均基于传统的载波调制技术，但具有方案均基于传统的载波调制技术，但具有UWBUWB技术的特点，符合技术的特点，符合FCCFCC的相关规定。的相关规定。技术体制技术体制工作频段工作频段频谱利用方式频谱利用方式信号特点信

9、号特点IR-UWBIR-UWB3.1-10.6GHz3.1-10.6GHz全频段同时利用全频段同时利用时域脉冲信号，无载时域脉冲信号，无载波调制，极宽频谱波调制，极宽频谱DS-UWBDS-UWB3.1-5.15GHz3.1-5.15GHz和和5.825-10.6GHz5.825-10.6GHz分为高低两个频段，分为高低两个频段，分别利用分别利用时域脉冲信号，载波时域脉冲信号，载波调制，极宽频谱调制，极宽频谱MB-UWBMB-UWB3.1-10.6GHz3.1-10.6GHz划分为划分为1414个子频带，个子频带，并进行分组。每个子并进行分组。每个子频带稍大于频带稍大于500MHz500MHz时

10、域连续信号，多载时域连续信号，多载波调制，极宽频谱波调制，极宽频谱7超宽带天线的特殊性超宽带天线的特殊性阻抗带宽阻抗带宽：按照：按照FCCFCC对超宽带的带宽的规定，超宽带天线的工对超宽带的带宽的规定，超宽带天线的工作带宽达到作带宽达到7.5GHz7.5GHz，给设计带来了极大的挑战，而目前的天线，给设计带来了极大的挑战，而目前的天线理论主要针对窄带天线，超宽带设计方面理论设计方面较少。理论主要针对窄带天线，超宽带设计方面理论设计方面较少。线性相位线性相位：超宽带对相位的要求主要希望在理想的情况下，天：超宽带对相位的要求主要希望在理想的情况下，天线在整个频带内对时域信号的传输不发生畸变，保持线

11、性相位。线在整个频带内对时域信号的传输不发生畸变，保持线性相位。在在UWBUWB天线设计过程中，所有的常规性能指标如驻波比、天线设计过程中，所有的常规性能指标如驻波比、增益、方向图等都要考虑。但是超宽带天线与传统的窄带增益、方向图等都要考虑。但是超宽带天线与传统的窄带天线的通信方面有着本质的不同，因此带来独特的要求与天线的通信方面有着本质的不同，因此带来独特的要求与挑战：挑战：8超宽带天线的特殊性超宽带天线的特殊性方向图的稳定性和较高的辐射效率方向图的稳定性和较高的辐射效率：在现实通信中，要求在现实通信中，要求超宽带天线在某个方向上保持全向性，且要求在较宽的频带内超宽带天线在某个方向上保持全向

12、性，且要求在较宽的频带内保持方向图的稳定性。除方向图的要求外，通常要求超宽带天保持方向图的稳定性。除方向图的要求外，通常要求超宽带天线的辐射效率要高，因此在设计中需要减少天线的损耗。线的辐射效率要高，因此在设计中需要减少天线的损耗。天线的体积天线的体积：由于目前由于目前UWBUWB技术的外部设备体积越来越小，超技术的外部设备体积越来越小，超宽带天线作为超宽带系统的一部分，也必须朝着小型化、轻型宽带天线作为超宽带系统的一部分，也必须朝着小型化、轻型化的方向发展，使之更好的与系统集成。因此在超宽带的设计化的方向发展，使之更好的与系统集成。因此在超宽带的设计中，除了满足超宽带天线性能指标外，还必须使

13、天线向着平面中，除了满足超宽带天线性能指标外，还必须使天线向着平面化、小型化的方向发展，使之更好的满足军用和民用的需要。化、小型化的方向发展，使之更好的满足军用和民用的需要。9超宽带天线超宽带天线随着近年来通信技术的不断发展，对通信系统的带宽随着近年来通信技术的不断发展，对通信系统的带宽要求也越来越宽，由此促进了超宽带天线的发展。近要求也越来越宽，由此促进了超宽带天线的发展。近年来，宽带天线基本上包括以下几种形式：年来，宽带天线基本上包括以下几种形式：频率无关天线：螺旋天线，对数周期天线频率无关天线：螺旋天线，对数周期天线双锥天线双锥天线V V锥天线锥天线喇叭天线喇叭天线超宽带平板单极子天线超

14、宽带平板单极子天线超宽带印刷单极子天线超宽带印刷单极子天线超宽带印刷缝隙天线超宽带印刷缝隙天线具有阻带功能的超宽带平面天线。具有阻带功能的超宽带平面天线。10超宽带天线超宽带天线频率无关天线：频率无关天线：螺旋天线螺旋天线自补平面等角螺旋天线自补平面等角螺旋天线螺旋天线就是天线的一支螺旋天线就是天线的一支为螺旋曲线的天线，最为为螺旋曲线的天线，最为常见的一种螺旋天线就是常见的一种螺旋天线就是平面等角螺旋天线。平面等角螺旋天线。对于典型的螺旋天线，天线工作频率的上限值由馈电结构对于典型的螺旋天线，天线工作频率的上限值由馈电结构决定，螺旋的最小半径大约取为上限频率所对应波长的四决定，螺旋的最小半径

15、大约取为上限频率所对应波长的四分之一；工作频率的下限值由螺旋的末端半径决定。分之一；工作频率的下限值由螺旋的末端半径决定。11超宽带天线超宽带天线频率无关天线：频率无关天线：对数周期天线对数周期天线对数周期天线对数周期天线对数周期偶极天线对数周期偶极天线(Log-Periodic (Log-Periodic Dipole Arrays)Dipole Arrays)简称简称LPDALPDA，通常由，通常由许多平行排列的谐振振子组成，当工许多平行排列的谐振振子组成，当工作频率改变时，谐振振子的位置就可作频率改变时，谐振振子的位置就可以沿着天线的集合线向前或向后移动，以沿着天线的集合线向前或向后移动

16、，同时，还能始终保持谐振点的电尺寸同时，还能始终保持谐振点的电尺寸不变，从而使天线的电特性可以基本不变，从而使天线的电特性可以基本保持不变。保持不变。对数周期天线具有极宽的阻抗特性，达到对数周期天线具有极宽的阻抗特性，达到10:110:1或更宽，且具有或更宽，且具有较高的增益，因此在短波、超短波、微波等频段获得了广泛的较高的增益，因此在短波、超短波、微波等频段获得了广泛的应用。应用。12超宽带天线超宽带天线双锥天线双锥天线双圆锥结构双圆锥结构双圆锥天线就是在两个金双圆锥天线就是在两个金属双圆锥的相互绝缘的、属双圆锥的相互绝缘的、相距相距h为无限小的顶点接入为无限小的顶点接入射频信号，在金属圆锥

17、面射频信号，在金属圆锥面上产生电流，并向空间辐上产生电流，并向空间辐射电磁波射电磁波。双锥天线在锥形天线中最具代表性。一个理想的无限长度的双锥双锥天线在锥形天线中最具代表性。一个理想的无限长度的双锥形具有非频变特性，从理论上来说，它非常适合作为超宽带系统形具有非频变特性，从理论上来说，它非常适合作为超宽带系统天线。实际中，需要用适当的方式将无限长双圆锥天线截断，形天线。实际中，需要用适当的方式将无限长双圆锥天线截断，形成有限长双圆锥天线。在截断处会产生反射，出现了输入电抗，成有限长双圆锥天线。在截断处会产生反射，出现了输入电抗，使输入阻抗为复数，这就需要进行补偿，来实现超宽带的匹配。使输入阻抗

18、为复数，这就需要进行补偿，来实现超宽带的匹配。13超宽带天线超宽带天线V锥天线锥天线V V锥结构锥结构V锥天线结构简单，具有良好的超锥天线结构简单，具有良好的超宽带性能，也是少数几个能够严宽带性能，也是少数几个能够严格求解的天线之一。格求解的天线之一。V锥天线中心锥天线中心部分的结构如图所示。整个天线部分的结构如图所示。整个天线的结构由极角的结构由极角0和方位角和方位角0 0两个两个角参数确定。可以证明，当从顶角参数确定。可以证明，当从顶点馈电、边界条件只与角坐标点馈电、边界条件只与角坐标( (, , ) )有关时，空间电磁场是有关时，空间电磁场是TEMTEM模。模。还有一些由圆还有一些由圆V

19、 V锥天线演变而来的非对称结构圆锥天线演变而来的非对称结构圆V锥天线、椭圆锥天线、椭圆V锥天线、三角板天线锥天线、三角板天线( (也叫蝴蝶结天线也叫蝴蝶结天线) )等。等。14超宽带天线超宽带天线喇叭天线喇叭天线喇叭天线的研究由来已久。喇叭天线喇叭天线的研究由来已久。喇叭天线具有良好的时域和频域特性，在超宽具有良好的时域和频域特性，在超宽带天线中占有重要的位置，特别是近带天线中占有重要的位置，特别是近年来经常作为标准天线测量待测天线年来经常作为标准天线测量待测天线的增益，以及作为冲激脉冲的收发天的增益，以及作为冲激脉冲的收发天线，但是对于超宽带系统来说，其体线，但是对于超宽带系统来说，其体积较

20、为庞大。积较为庞大。15超宽带天线超宽带天线虽然上述天线在早期的工程应用较广，但它们为三维结虽然上述天线在早期的工程应用较广，但它们为三维结构，体积笨重，使之应用范围受到一定程度的限制。而构，体积笨重，使之应用范围受到一定程度的限制。而目前大量的工程应用当中，特别是需要天线的小型化设目前大量的工程应用当中，特别是需要天线的小型化设计时，采用计时，采用平面结构平面结构的天线在尺寸以及系统集成上都比的天线在尺寸以及系统集成上都比三维结构更有吸引力。从上世纪九十年代以来，随着军三维结构更有吸引力。从上世纪九十年代以来，随着军用以及民用无线通信技术的不断发展，用以及民用无线通信技术的不断发展，平面化、

21、小型化平面化、小型化是目前超宽带天线的发展的一个趋势。是目前超宽带天线的发展的一个趋势。超宽带平面天线超宽带平面天线不断涌现，主要包括以下几类：超宽带不断涌现，主要包括以下几类：超宽带平板单极子天线、超宽带印刷单极子天线、超宽带印刷平板单极子天线、超宽带印刷单极子天线、超宽带印刷缝隙天线以及具有阻带功能的超宽带平面天线。缝隙天线以及具有阻带功能的超宽带平面天线。16超宽带天线超宽带天线平板单极子天线平板单极子天线平板结构是早期超宽带平平板结构是早期超宽带平面单极子天线的主要形式，面单极子天线的主要形式，可以认为是由传统的三维可以认为是由传统的三维结构天线演变而来，主要结构天线演变而来，主要有椭

22、圆形、环形、圆形、有椭圆形、环形、圆形、水滴形等多种变形。水滴形等多种变形。早期单级子天线辐射面虽然是印刷式平面结构，但是早期单级子天线辐射面虽然是印刷式平面结构，但是接地面与金接地面与金属辐射面垂直属辐射面垂直，其馈电方式是由，其馈电方式是由SMASMA接头的探针经由接地面上的接头的探针经由接地面上的导通孔连接到天线的辐射体上，而辐射体与接地面间的距离为影导通孔连接到天线的辐射体上，而辐射体与接地面间的距离为影响阻抗带宽的重要因素之一，但在整个天线来说，仍然为三维的响阻抗带宽的重要因素之一，但在整个天线来说，仍然为三维的结构。结构。17超宽带天线超宽带天线印刷单极子天线印刷单极子天线二维的单

23、极子天线利用印二维的单极子天线利用印刷电路板蚀刻而成，不需刷电路板蚀刻而成，不需要从接地面打一个导通孔，要从接地面打一个导通孔，在工程应用中方便许多，在工程应用中方便许多，大多数采用的是大多数采用的是微带线或微带线或是共面波导馈电是共面波导馈电。辐射体为圆形的单极子天线设计较为简单，调整圆形半径大小，辐射体为圆形的单极子天线设计较为简单，调整圆形半径大小，就能决定天线的最低工作频率。通过将辐射体形状改为漏斗形、就能决定天线的最低工作频率。通过将辐射体形状改为漏斗形、领结形、十字形、领结形、十字形、U形、心形、扇形、椭圆形等结构，则会进一形、心形、扇形、椭圆形等结构，则会进一步增加天线的阻抗带宽平面单极子天线结构简单、体积小、制作步增加天线的阻抗带宽平面单极子天线结构简单、体积小、制作容易，最重要的是具有全向辐射特性