（信息与通信工程专业论文）新型平面超宽带天线设计.pdf

硕十学位论文 摘要 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 短距离无线通信是近几年来的一个热门课题。 u w b 技术具有高保密性、低功耗等一系列特点，在众多领域都有广阔的应用前景。 。u w b 天线作为其中的一项关键技术，其分析与设计方法具有重大的现实意义。然 而，现有局域网通信i e e e8 0 2 1 l a m 频率范围为5 1 5 5 8 2 5 g h z ，为避免u w b 通信 与它的相互干扰，需使超宽带天线在该5 g h z 频带上产生阻断，即具有带阻功能。 本文首先介绍了超宽带天线的研究现状和意义，并指出了小型平面超宽带天 线设计的必要性，然后系统地概述了超宽带天线的发展历史，主要性能参数，要 求和小型平面超宽带天线的分类。随后对微带天线的基本理论和设计方法进行了 分析研究。最终设计出了两种具有带阻特性的新型平面超宽带天线。本文所做的 工作和创新如下： ( 1 ) 总结和分析了当前小型平面超宽带天线的各种结构，对其带阻特性作了分 析并比较了它们的优缺点； ( 2 ) 设计出一种共面波导( c p w ) 馈电的新型平面超宽带天线，该天线由一个矩 形金属辐射贴片和扇形地面组成。为了达到超宽带，对贴片做了两个改进。首先， 贴片上面的两端分别去除一个9 0 。的扇形角。其次，将该天线下端制成一个弧形。 这种弧线贴片和扇形的地面使得天线能达到良好的阻抗匹配。仿真结果表明该天 线在电压驻波l t ( v s w r ) d , 于2 的情况下带宽在3 o 2 2 5 g h z 范围内，完全覆盖了美 国联邦通信委员会( f c c ) 规定的超宽带系统3 1 1o 6 g h z 频段。 ( 3 ) 通过在金属贴片上嵌入u 形或c 形缝隙，实现了5 - 6 g h z 无线局域网( w l a n ) 频段上的带阻特性。对缝隙的各个参数对阻带性能的影响进行了研究，仿真结果 显示，阻带的中心频率由缝隙的长度所决定( 缝隙的长度大约是阻带中心频率所对 应波长的一半) 。缝隙的宽度、形状、位置则会对阻带带宽和阻带中心频率产生影 响。 本文提出的天线由电磁仿真软件a n s o f th f s s1 1 仿真，分别对天线的阻抗带 宽，辐射方向图，电流分布和频率增益曲线进行了仿真。与当前发表过的u w b 天 线相比，本文提出的天线具有很宽的阻抗宽带，良好的带阻特性，尺寸小和很好 的增益平坦度。 关键词：超宽带；共面波导：平面超宽带天线；带阻特性 i i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eu l t r a w i d e b a n d ( u w b ) s h o r t r a n g ew i r e le s sc o m m u n i c a t i o n h a sb e c o m eah o tt o p i c t h eu w b t e c h n o l o g yh a sas e r i e so fc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s h i g hc o n f i d e n t i a l i t ya n dl o wp o w e r , a n dh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nm a n y f i e l d s a sak e yt e c h n o l o g yo ft h eu w b s y s t e m s ，a n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d so f u w ba n t e n n aa r ew i t hg r e a ti m p o r t a n c ef o rp r a c t i c e h o w e v e r ，e x i s t i n gl o c a la r e a n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni e e e8 0 2 1l ao p e r a t si nt h ef r e q u e n c yr a n go f5 15t o5 8 2 5 g h z i no r d e rt oa v o i du w bc o m m u n i c a t i o n si n t e r f e r ew i t hi t se a c ho t h e r ，ab a n d s t o pi nt h e5 g h zb a n dw o u l db er e q u i r e d ，i e ，t h eu w ba n t e n n an e e dab a n d - n o t c h c h a r a c t e r i s t i c t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u sa n d s i g n i f i c a n c eo fu w b a n t e n n a ，a n di l l u s t r a t e st h a ti ti sn e c e s s a r yt od e s i g nac o m p a c tu w ba n t e n n af i r s t l y t h e nt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n to fu w ba n t e n n a s ，t h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o fu w ba n t e n n a s ，t h er e q u i r e m e n t so fu w ba n t e n n a sa n dt h ec l a s s i f i c a t i o no f c o m p a c tp l a n a ru w ba n t e n n a sa r es u m m a r i z e ds y s t e m a t i c a l l y n e x tt h eb a s i ct h e o r i e s a n dd e s i g nm e t h o d so ft h em i e r o s t r i pa n t e n n aa r ed i s c u s s e da n di n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t w on o v e l p l a n a ru l t r a - w i d e b a n d a n t e n n a sw i t hab a n d n o t c hc h a r a c t e r i s t i ca r e p r e s e n t e d t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sw o r kc o n s i s to ff o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h ec u r r e n tv a r i o u sc o n f i g u r a t i o n s o f c o m p a c tp l a n a ru w ba n t e n n a s i n c l u d i n gt h e i rb a n d n o t c hc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e ds y s t e m a t i c a l l y a l s ot h i e ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ec o m p a r e d ( 2 ) ac p wf e dn o v e lp l a n a ru w b a n t e n n ai sp r e s e n t e d t h ep r o p o s e da n t e n n ai s c o m p o s e do fam e t a lr a d i a t i o np a t c ha n dat a p e r e da r c s h a p e dg r o u n dp l a n e t o a c h i e v eu l t r aw i d e b a n d ，t w om o d i f i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e do nt h er a d i a t i o np a t c h t h e f i r s to n ei st or e m o v ea9 0 - d e g r e ef a na n g l eo nt h et w ou p p e rc o r n e r so ft h ep a t c h t h es e c o n dm o d i f i c a t i o ni st os h a p et h eb o t t o mo ft h ep a t c hi n t oa na r c t h e a r c s h a p e dp a t c h a n dt a p e r e dg r o u n d p l a n em a k eg o o db r o a d b a n di m p e d a n c e m a t c h i n go ft h ea n t e n n ap o s s i b l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da n t e n n a o p e r a t e so v e r3 0 t o2 2 5 g h zf o rv o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o ( v s w r ) 2 ，a n d c o m p l e t e l y c o v e r st h e f r e q u e n c yb a n d 3 1t o10 6 g h zr e l e a s e d b y f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ( f c c ) f o rau w b s y s t e m ( 3 ) b ye m b e d d i n g au s h a p e do r c - s h a p e d s l o t i nt h e r a d i a t i n gp a t c h ，a i i i 硕十学位论文 f r e q u e n c yb a n dn o t c hb e t w e e nt h eb a n d w i d t ho f5t o6 g h zf o rw i r e l e s sl a n ( w l a n ) w i l lb eo b t a i n e d ad e t a i l e dp a r a m e t r i cs t u d yo ft h es l o t si s p r e s e n t e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es l o tl e n g t hd e t e r m i n e st h ec e n t e rf r e q u e n c yo ft h en o t c hb a n d ( t h es l o tl e n g t hi sc l o s et oa b o u tao n e h a l fw a v e l e n g t ha tt h ec e n t e rf r e q u e n c y ) ，a n d t h ew i d t h ，s h a p ea n dp o s i t i o no ft h es l o t sc a ni n f l u e n c et h en o t c hb a n d w i d t ha n dt h e c e n t e rf r e q u e n c yo ft h en o t c hb a n d t h ep r o p o s e da n t e n n a sa r es i m u l a t e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cs o f t w a r ea n s o f t h f s s11 t h ei m p e d a n c eb a n d w i d t h ，r a d i a t i o np a t t e r n ，c u r r e n td i s t r i b u t i o na n d t h ec u r v eo ff r e q u e n c y g a i na r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t hr e c e n t l y p u b l i s h e du w b a n t e n n ad e s i g n s ，t h ep r o p o s e da n t e n n a sh a v ea d v a n t a g e so fw i d e i m p e d a n c eb a n d w i d t h ，g o o db a n d n o t c hc h a r a c t e r i s t i c ，c o m p a c ti ns i z ea n dg o o d g a i nf l a t n e s s k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) ；c o p l a n a rw a v e g u i d e ( c p w ) ；p l a n a ru w b a n t e n n a ；b a n d _ n o t c h e dc h a r a c t e r i s t i c 硕十学位论文 插图索引 图1 1 辐射方向图，3 d b 波瓣宽度和方向性系数。乇。和异分别是同距离处3 图1 2 垂直极化和水平极化4 图2 1 双锥天线到平板单极天线9 图2 2 短路和切角技术相结合一9 图2 3 两点或多点馈电9 图2 4 梯形带阻平板天线9 图2 5 一侧开窄缝，中间开倒u 形槽的单极天线1 0 图2 6 钻石形微带馈电的平面单极天线( j 下反面) l o 图2 7t 形微带单极天线1 l 图2 8 平面圆盘单极子天线及其带阻形式1 1 图2 9 翼型平面单极子天线及其带阻形式1 2 图2 1 0 开c 形槽的单极子天线图1 2 图2 1 l 开勺形槽的单极子天线1 2 图2 1 2 三种宽缝天线：1 3 图2 13 矩形馈电阶梯形，矩形馈电半圆形，圆形馈电半圆形宽缝天线1 3 图2 1 4 开倒u 形和倒c 形槽的宽缝天线1 3 图2 15 圆形枝节馈电圆形缝隙宽缝天线1 4 图2 16 叉状枝节馈电矩形缝隙宽缝天线1 4 图2 1 7 圆形调谐枝节馈电椭圆形缝隙的宽缝天线1 4 图3 1 微带天线结构及其附近的场分布2 0 图3 2 微带贴片天线的传输线模型2 2 图3 3 共面波导结构2 5 图3 4 附加匹配网络的微带天线2 7 图3 5 加载短路销钉的微带天线2 8 图3 6 具有空气隙矩形微带贴片天线的结构图2 9 图4 1 共面波导结构31 图4 2 天线结构示意图3 2 图4 3 圆柱形基本振子近似法3 2 图4 4 天线结构改进过程3 4 图4 5 天线输入端的反射系数仿真值随不同贴片结构的变化特性3 4 图4 6 天线电压驻波比仿真曲线图3 5 新型，f 面超宽带天线设计 图4 7 天线在不同频率下的三维和二维方向图3 6 图4 8 天线在3 5 g h z 和7 5 g h z 时辐射贴片表面电流发布3 6 图4 9 天线辐射贴片单元的阻抗等效模型3 6 图5 1 开u 形缝隙的天线辐射贴片单元的阻抗等效模型_ 一3 9 图5 2 天线在5 5 g h z 时辐射贴片表面电流在u 形缝隙边缘流动3 9 图5 3 开u 形缝隙辐射贴片集总参数等效模型4 0 图5 4 开u 形缝隙的天线结构示意图4 l 图5 5 不同l 1 1 时v s w r 随频率的变化曲线4 l 图5 6 不同l l2 时v s w r 随频率的变化曲线4 2 图5 7 不同w 时v s w r 随频率的变化曲线4 2 图5 8 开u 形缝隙天线在5 5 g h z 时辐射贴片表面电流分布4 3 图5 9 有u 形缝隙和无缝隙时增益随频率的变化曲线4 3 图5 1 0 开c 形缝隙的天线结构示意图4 3 图5 1 l 不同l 1 4 时v s w r 随频率的变化曲线4 4 图5 1 2 不同r 1 和r 2 时v s w r 随频率的变化曲线4 4 图5 1 3 开c 形缝隙天线在5 5 g h z 时辐射贴片表面电流发布4 5 图5 1 4 有c 形缝隙和无缝隙时增益随频率的变化曲线：4 5 i x 硕士学位论文 附表索引 表2 1 三种小型平面超宽带天线的比较1 4 表4 1 天线的各项参数( 单位：m m ) 3 2 表5 1u 形缝隙尺寸对阻带的中心频率和带宽的影响4 2 表5 2c 形缝隙尺寸对阻带的中心频率和带宽的影响4 5 表5 3 具有带阻特性的超宽带天线性能比较4 6 x 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 超宽带( u l t r a 。w i d e b a n d ，u w b ) 技术产生于二十世纪8 0 年代，根据2 0 0 2 年美 国f c c 提出的规定，u w b 通信的频段确定为3 1 1o 6 g h z ，此频段内的发射功率不 得高于4 1 3d b m m h z 。在u w b 技术里规定的室内u w b 通信其比带宽( 最高频率 z 与最低频率彳之比，即l f , 为3 4 2 ：1 ) ，同时规定对中心频率大于2 5 g h z 的 u w b 系统需要拥有至少1 0 d b 的5 0 0 m h z 带宽，而对中心频率低于2 5 g h z 的u w b 系统，带宽至少应达至u 2 0 。u w b 的特点是极短的脉冲( 脉冲宽度约十几个皮秒或 几个纳秒，占空比为1 或更小) 和极宽的带宽( 频率范围从零频一直到延伸到几百 g h z ) ，这些特点使得它在雷达系统、通信领域、军事应用等方面日益展现其优越 性能，具有广阔的应用前景【2 1 。 u w b 技术是一个崭新的技术领域，它的研究存在着很多技术上的挑战，天 线就是其至关重要的一个环节。无线电发射机输出的信号功率，通过馈线传送到 天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来， 并通过馈线送到无线电接收机，这是对一般天线而言。与以往的天线设计要求相 比，天线在u w b 系统中犹如一种脉冲成形滤波器，要求天线能无失真地将脉冲 波形辐射出去。这不但要求输入阻抗具有超宽带特性，而且要求天线的相位中心 具有超宽带不变性和在整个频带上天线方向图的一致性，还要具备较好的脉冲信 号保真度。而许多u w b 天线虽具有较大的阻抗带宽和良好的辐射方向图，却难 于制造并与射频前端集成。因此，小型u w b 天线成为近年来实验研究的一大热 点，出现了许多新型的超宽带平面天线。 然而，现有局域网通信i e e e8 0 2 1 la 的频率范围为5 15 5 8 2 5 g h z ，为避免 u w b 通信与它的相瓦干扰，需在射频前端增加一个带阻滤波器，为了不增加滤波 器又能避免干扰，除了采用各种信号处理技术提高频谱利用效率以外，一种简单 而可能有效的方法就是使u w b 天线在w l a n 的频段内呈现较大的反射系数，需使 超宽带天线在该5 g h z 频带上产生阻断，即具有带阻( 陷波) 功能 3 , 3 5 - 3 8 , 4 5 - 5 3 】，于是 又出现了具有带阻功能的超宽带天线。 1 2超宽带天线简介 1 2 1 超宽带天线的发展历史及研究现状 第一代超宽带天线起始于无线电技术的“火花隙”时代。18 9 8 年o l i v e rl o d g e 新型、f 面超宽带天线设计 提出了“调谐 的概念，即发射机和接收机应当调整在相同频率上，以便得到最 大接收信号【4 1 。l o d g e 讨论了一类“电容面也就是天线，并且提出了最早的超 宽带天线理论，涉及v 锥天线、三角板天线、双锥天线、单极子天线等宽带天线， 这些都是现在常用的天线。他还研究了球形偶极子、方形板偶极子和b o w t i e 天线， 并引入了利用大地的单极子天线的概念。 当频率升高，波长变短，1 4 波长“细导线”短波天线在经济上的优越性就 胜过了l o d g e 天线。随着电视研究的深入，伴随视频信号的传输要求天线有更宽 的频带宽度，使得人们重新对宽带天线感兴趣。19 3 9 年c a r t e r 设计的双锥天线和 圆锥单极子天线，是用一个渐变过渡的双圆锥馈线改进了的原始设计【5 】。1 9 4 1 年，l i n d e n b l a d 采用了袖子形偶极子元，增加了渐变的阻抗变换器，使得天线具有 更高的带宽【6 1 。其他研究者探索从同轴过渡到天线的结构，b r i l l o u i n 引入了全向 和定向同轴喇叭天线【7 1 ，1 9 4 2 年k i n g 设计了专利圆锥喇叭天线【8 】，l9 4 6 年k a t z i n 发明了矩形喇叭天线【9 1 。螺旋天线起始于2 0 世纪5 0 年代，是一种与频率无关的 天线。1 9 4 7 年，m a s t e r 提出了一个与b o w t i e 天线结构相反的天线，后来工程师 们称之为金刚石偶极子【1 0 】。随后s t o h r 提出了椭球单极子和椭球偶极子【1 1 】，1 9 8 9 年l a l e z a r i 等人发明了宽带槽天线【1 2 】，l9 9 4 年t h o m a s 等人提出了一种结构简单， 容易生产且容易构成阵列天线的圆片偶极子天线【1 3 】。2 0 0 4 年，l i u 等人设计了两 种渐变缝隙的微带天线：矩形微带馈电的半圆形宽缝天线和三角形微带馈电的三 角形宽缝天线，阻抗带宽分别为1 2 0 和1 10 3 4 】。2 0 0 6 年，h s u 等人提出了一种 非常薄( h = 2 m i l ) 的叉状调谐枝节c p w 馈电矩形缝隙的宽缝天线，由于该天线基 板非常薄易于携带，可以用在服饰或车载中f 4 0 1 。2 0 0 7 年，i f t e k h a r 等设计了一个 的钻石形平面单极天线【26 1 ，该天线的阻抗带宽达到13 6 ，s 1 1 10 d b 的频率范围 从3 8 g h z 到1 1 8 5 g h z 以上。 随着无线通信技术的发展和无线应用产品的普及，特别是近几年随着手持设 备的普及和超宽带无线通信技术的发展，人们对宽带天线的研究提出了更高的要 求，主要体现在频带的范围更广，体积更小，便于安装、架设和携带，同时具有 较高的效率。微带天线因具有体积小、重量轻、结构稳定、剖面低、馈电方式灵 活、成本低、易与飞行器共行、易产生线极化波和圆极化波等优点而深受人们的 青睐。特别是，2 0 0 2 年2 月14 日，美国联邦通信委员会( f c c ) 批准将3 1 10 6 g h z 频 段划作超宽带技术的商业应用，将广泛应用于新兴短程通信中，这使得小型平面超 宽带天线成为个新的研究热点。常见的小型u w b 天线主要包括单极子天线与缝 隙天线，前者的设计方案主要包括印刷型单极子与板状单极子，一般通过把单极 子的形状设计为水滴形、多边形( 钻石形、梯形等) 或椭圆形即可获得超宽带工作 特性，后者则一般采用宽缝隙结构，通过调整支节的尺寸参数获得超宽带特性， 其优点是集成度较高【l4 1 。关于小型u w b 天线在第二章有详细介绍。 2 硕士学位论文 1 2 2 超宽带天线的性能参数 实际上超宽带天线的性能参数与一般天线有一致的地方，也有它的特定要求 和约定，天线的频带宽度指的是如输入阻抗、增益、主瓣宽度、副瓣电平、极化 特性等均满足设计要求时的频率范围。通常情况下，天线的各项指标是随频率变 化的，因而天线带宽决定于各项指标的频率特性。若同时对几项指标都作具体要 求时，则应该取其中最严格的要求作为确定天线带宽的依据。本小节讨论了天线 的几种基本性能参数【1 5 , 1 6 。 辐射方向图f ( o ，9 ) ：天线的方向图是天线的一个重要特征，天线的远区场可 以表示为： 一线r e ( r ，秒，伊) = 丁( 秒，伊) 二一 ( 1 1 ) ， 式中，厂( 秒，缈) 为方向函数，用图形表示就称为天线的方向图。所谓天线的方 向性，就是指在远区相同距离厂的条件下，天线辐射场的相对值与空间方向的关系。 如果令方向图最大值为1 ，则此方向图称为归一化方向图。 方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣 称为副瓣或旁瓣。参见图1 1 ，在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3 d b ( 功率 密度降低一半) 的两点间的夹角定义为波瓣宽度( 又称波束宽度或主瓣宽度或半功 率角) 。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。天线的方 向图是用来描述电磁场强度在空间的发布情况，它是一个三维的立体图形，工程 上通常采用在天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面内的方向图来表示天线 的方向性，他们分别称为e 面和h 面的方向图。 3 d b 点 垢| | ? j | 。| |) 迅二：二 峰值方向 ( 最大辐射方向) 一3 d b 点 图1 1 辐射方向图，3 d b 波瓣宽度和方向性系数。圪。和p o 分别是同距离处 方向性系数d ：用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度( 即方向性图 的尖锐程度) 的一个参数。为了确定定向天线的方向性系数，通常以理想的非定向 新型平面超宽带天线设计 天线作为比较的标准。在同一距离和相同辐射功率的条件下，天线在最大辐射方向 上辐射的功率密度和无方向性天线( 点源) 的辐射功率密度之比称为天线的方向系 数，如图1 1 ，即： d ：垒：i 垒i ( 1 2 ) 昂i 磊i 增益g ：在相同的输入功率条件下，天线在某方向某点产生的功率密度与理想 点源同一点产生的功率密度的比值定义为天线增益，即： g - 等协同_ i 每l 3 ) 天线的增益g 和方向性d 是一个互相紧密联系的物理量，其关系为： g = r 1 月d ( 1 4 ) 其中玑为天线效率，是表征天线将高频电流或导波能量转换为无线电波能量 的有效程度，定义为天线的辐射功率p ，与天线输入功率己( 实功) 之比。 极化：一个发射天线辐射时，其最大辐射方向上，随着时间变化电场矢量( 端 点) 在空间描出的轨迹。天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。线 极化又分为水平极化和垂直极化。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一 般使用的天线为单极化的。图1 2 所示为两种基本的单极化的情况：垂直极化和 水平极化。 秀气 图1 2垂直极化和水平极化 输入阻抗：天线的输入阻抗是指天线馈电所呈现的阻抗值，很显然它直接决 定了和馈电系统之间的匹配状态。从而影响了馈入到天线上的功率以及馈电系统 的功率等。输入阻抗和输入端功率与电压、电流的关系是： ，dt 乙= 鲁= = r i 。+ 聪 ( 1 - 5 ) i ，n i ，一 天线的输入阻抗是一个复数，包含其实部的电阻分量和虚部的电抗分量。无 论是单个天线还是阵列天线，它的阻抗特性是针对天线和阵列输入或输出端口， 它是频率的函数。当天线和周围环境有较强的电磁耦合时，它的阻抗特性除决定 于自身的结构、电尺寸、馈电的网络形式等因素外，还与环境有关。当天线的输 入阻抗互。与传输线的特性阻抗z ，不匹配时，便在传输线上形成驻波，驻波比表明 4 硕卜学位论文 天线的输入阻抗与传输线特性阻抗失配程度。当驻波v s w r = i 时，系统完全匹配， 工程中不太可能实现：当v s w r 1 5 时，系统匹配优良；当v s w r 2 时，系统匹 配良好；当v s w r 3 时，其匹配程度尚可使用；v s w r 3 时被认为匹配比较差， 对于要求特定的超宽带系统，天线的驻波系数可允许小于或等于4 。 本文所设计的超宽带天线要求驻波比v s w r 2 。从理论上精确计算每个辐射 天线元的自阻抗与互阻抗特性非常困难，理论分析值用来诊断和指导工程设计。 而在天线设计的过程中，我们通常用h f s s 、c s t 等电磁仿真软件来得到天线的输 入阻抗特性。 工作带宽：天线是在一定频率范围中工作的，前面介绍的各种电参数都和频 率有关，常用的天线带宽有以下三种表示方法： ( 1 ) 相对带宽：天线的最高工作频率与最低工作频率之差除以天线工作频率 范围内的中心频率，即： p ：厶二五( 1 6 ) hj rl l 晓 ( 2 ) 绝对带宽：天线工作频带的最高工作频率和最低工作频率之比，即：。 b 形：立( 1 7 ) l ( 3 ) 倍频程带宽：通常天线在工作频率范围内的最高工作频率和最低工作频 率之比是数字2 的幂次关系。设m 为幂次数，即： b w ：五：2 m ( 1 8 ) l 1 2 3 超宽带天线的要求 在u w b 系统中，天线是一种脉冲成形滤波器，一定形状的短脉冲从信号源产 生并馈入天线后，要求天线能无失真的将脉冲波形辐射出去，u w b 信号频带内任 何一个频率的失真都将导致发射脉冲的形状失真。因此，超宽带天线应具备的要 求是【17 】： 。 ( 1 ) 天线的输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗在脉冲能量分 布的整个频带上保持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去，保证不引起脉 冲特性的改变或下降。所以天线必须具有平坦的、连续的将射频前端的阻抗和自 由空间阻抗变换的能力。通过调整天线自身辐射结构而不外加匹配网络做到这一 点正是超宽带天线设计的重点。 ( 2 ) 天线的相位中心具有超宽频带不变特性，即要求天线的相位中心在脉冲 能量分布的整个频带上保持一致。相位中心直接体现了u w b 天线不失真地收发时 域短脉冲信号的能力。在通常情况下，由于所发射脉冲的宽度均为数百纳秒甚至 新型、i ，面超宽带天线设计 纳秒级，相位中心存在微小的浮动，也会大大影响远区相位的一致性，从而导致 时域波形的严重失真。 ( 3 ) 要求天线可以同时接收或辐射整个频带上所有频率的信号，并且天线的 方向图要在整个频带上保持较好的一致性。超宽带时域信号傅立叶展开的频率范 围包括极宽的频带，这就要求这一频带内的所有信号都有一致的辐射方向图。在 频域上分析天线辐射时域信号的方向性，我们只能同时用多个频点的方向图来近 似描述时域脉冲辐射的方向性。 ( 4 ) 超宽带系统辐射噪声级别功率的宽频信号，接收机要成功检测出功率如 此小的信号，要求信号在传输过程中无失真，即有良好的保真度。信号在空间传 播时信号波形不变，波形的失真主要来自于天线，所以具有波形保形特性是超宽 带技术对天线的要求之一。 ( 5 ) 群时延是线性系统和网络的一项重要传输特性，它表征系统和网络的线 性失真。群时延是指群信号通过线性系统或线性网络时，信号整体产生的时延。 群时延一方面指传输信号必须是群信号。另一方面群时延是波群整体的时延，而 不是其中某频率分量的相时延，也不是各分量的相时延的平均值。如果群时延为 常数，那么所有频率分量会有相同的延时，则波形不会发生变化。一般群时延是 常数是理想情况，实际中群时延不可能为常数，各频率分量有不同的延时就会导 致输出波形失真。天线要不失真地收发时域短脉冲信号，就要求群时延能够稳定 在某个恒定的数值上而只产生很小的波动。 ( 6 ) 传统超宽带天线尺寸大、结构复杂、制作困难，不适于短距离无线通信 终端设备上的应用。终端设备应用要求天线物理结构小、低剖面、低成本并且易 于与集总电路集成。天线效率、带宽与尺寸之间是相互矛盾的，一定带宽要求下， 尽可能小的尺寸满足系统需求是天线设计追求的目标。 1 3 本文的研究目的和意义 目前u w b 无线通信的传输制式主要包括脉冲无线电技术、直接扩频( d s ) 超 宽带技术和正交频分复用( o f d m ) 超宽带技术等。作为u w b 通信系统的重要部件 之一，u w b 天线的特性将直接影响系统的整体性能，小型u w b 天线的设计已经 成为一个重要课题，它要求天线的结构简单、尺寸小、成本低，近年出现了很多 新型的u w b 天线。其中微带天线以小尺寸、易于加工、易于有源器件集成等优点 成为近年来研究热点，但是它具有一个最明显的不足就是它的窄带特性。为了满 足超宽带天线的要求，基本的方法是采用印刷单极子天线或者变形的印刷偶极子 天线。 然而，现有局域网通信i e e e8 0 2 1 1a 的频率范围为5 15 5 8 2 5 g h z 。为了不 增加滤波器又能避免干扰，需使超宽带天线在该5 g h z 频带上产生阻断。通过在 硕一i ：学位论文 单极子天线的辐射单元上刻蚀不同形状的缝隙，然后调整缝隙的长度，使之等于 需要抑制的中心频率对应波长的四分之一或一半，即可在相应的中心频率上引入 带阻特性。目前国内外提出了一些平面超宽带天线，但具有宽频段、良好的带阻 特性和好的增益平坦度的新型平面超宽带天线还不多，因此本课题具有非常好的 现实意义。 1 4 本论文的主要研究内容和组织结构 1 4 1 主要研究内容 本文的主要研究内容如下： 首先根据要求确定系统的设计方案，根据新的思路或者在已有文献提出过的 u w b 天线基础上，提出新型平面超宽带天线的结构，具体包括金属贴片的结构 改进；地面结构的设计；馈电模式的应用；天线结构的主要参数等；然后针对提 出的u w b 天线结构，通过在金属贴片上玎u 形或c 形缝隙。对缝隙的长度进行 优化分析，得到具有带阻特性的超宽带天线的设计方案；利用h f s s 软件对天线 结构进行调试和仿真分析，进一步优化结构，确保横向比较上具有性能上的优越 性。本文具体的内容及成果如下： ( 1 ) 总结和分析了当前小型平面超宽带天线的各种结构，对其带阻特性作 了分析并比较了它们的优缺点； ( 2 ) 设计出一种共面波导馈电的新型平面超宽带天线，得到了非常宽的带 宽； ( 3 ) 在以上基础上，提出两种具有带阻特性的平面超宽带天线，并由h f s s 软件仿真得出比较优越的性能。 1 4 2 论文的组织结构 本论文分为6 章，其中： 第l 章：叙述了超宽带天线的发展历史及研究现状，介绍了超宽带天线的主 要性能参数和要求，引出对于研究带阻特性的超宽带天线的重要意义，并对本论 文的主要研究工作和论文组织结构进行了说明。 第2 章：介绍了几种小型平面超宽带天线，总结和分析了小型平面超宽带天 线的各种结构，并做了比较，提出了它们的优缺点。 第3 章：介绍了微带天线的基本理论、分析方法和馈电模式，提出展宽微带 天线带宽的几种途径。 第4 章：提出一种共面波导馈电的新型平面超宽带天线，进行分析和仿真。 第5 章：提出两种具有带阻特性的平面超宽带天线，并由h f s s 软件仿真得 出比较优越的性能。 7 最后，对全文的研究做出总结并对未来的工作进行了展望，指出了下一步的 研究工作。 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章小型平面超宽带天线 与以往的天线设计要求相比，超宽带通信系统不仅要求天线具有很小的体 积、较宽的带宽、一定的辐射效率和全向覆盖特性，还要具备较好的脉冲信号保 真度。而以往很多具有超宽带工作特性的天线往往体积较大、难以实现与小型系 统的集成。近年来小型超宽带天线成为实验研究的一大热点，常见的小型u w b 天 线主要包括单极子天线与宽缝隙天线，前者的设计方案主要包括印刷型单极子与 板状单极子，后者则一般采用宽缝隙结构。 本章分别小型对超宽带平板单极天线、小型超宽带印刷单极子天线、小型超 宽带缝隙天线的设计及其它们具有带阻功能的小型超宽带天线的设计进行了详细 的综述。最后展望了小型平面超宽带天线的未来研究方向。 2 2小型平面超宽带天线的分类 2 2 1 超宽带平板单极天线 小型超宽带平板单极天线【1 8 1 首先由d u b o s t 等人在1 9 7 6 年提出【1 9 】，随后进行 了不断的发展。已通过优化平板单极结构来展宽阻抗带宽，如圆盘或椭圆盘单极 天线、梯形单极天线、倒锥单极天线、叶片形平板单极天线等，其发展如图2 1 所示。s u h 等人设计了倒锥单极天线，如图2 1 l ( c ) 所示【2 0 1 ，其基本原理与单圆 锥天线类似，该天线的阻抗带宽超过1 0 ：1 ，但其方向图带宽只有4 ：1 。为展宽其 方向图带宽，可在平板上歼两个圆孔，将有效地改变天线的表面电流，从而展宽 天线的方向图带宽。 叉_ 重 ；。 奎_ 毖 图2 1双锥天线到平板单极天线 为实现超宽带性能，已提出了多种方法，如偏置馈电、两点或多点同时馈电、 短路和切角技术相结合等。a n o b 等通过改变馈电点位置，将天线的阻抗带宽提高 到约6 ：1 2 1 】。a m m a n n 等采用短路和切角技术相结合，如图2 2 所示，将矩形平板 9 单极天线的带宽扩展到1 0 ：1 ( v s w r 3 ) 【2 2 1 。有的设计采用两点或多点馈电，见图 2 3 【2 3 1 ，不但大大地展宽了矩形平板单极天线的阻抗带宽，也进一步提高了方向 图的稳定性。2 0 0 6 年，t o s h i h i r o 等人设计了一种具有带阻特性的平板单极天线， 为了获得宽的阻抗带宽和在5 g h z 上的阻断，在梯形平板和地面相接处的平板上再 附加了一个小型梯形平板，如图2 4 所示【2 4 1 。 里可 图2 2 短路和切角技术相结合图2 3 两点或多点馈电 图2 4 梯形带阻平板天线 2 2 2 超宽带印刷单极天线 超宽带印刷单极天线一般由覆在介质基片同侧或两侧的单极贴片和导体地板 构成，通过位于地板中央的微带线或共面波导进行馈电。为展宽这种天线的带宽， 已研究了各种形状的单极贴片，如心形、u 形、圆形、椭圆形等。2 0 0 5 年，c h u n g 等人在矩形贴片一侧开窄缝，并在贴片中心刻蚀倒u 形槽，使天线在5 0 5 9 g h z 上产生阻断【2 5 1 ，如图2 5 所示。2 0 0 7 年，i f f e k h a r 等设计的钻石形平面单极天线 图2 5一侧开窄缝，中间开倒u 形槽的单极天线 ，豳，翟 r s i 一 1 一二 i w卜 a if bj 图2 6 钻石形微带馈电的平面单极天线( 正反面) 如图2 6 所示【26 1 ，该天线的阻抗带宽达到l3 6 ，s 11 10 d b 的频率范围从 3 8 g h z 到1 1 8 5 g h z 以上。2 0 0 8 年，l i u 等人在正方形贴片中央刻蚀一个t 硕士学位论文 形微带，该天线覆盖3 0 8 1 0 7 6 g h z 频率范围内，并且在5 0 6 5 8 9 g h z 内产 生阻断，如图2 7 所示【2 7 1 。 t _ 日一 = s = = = = = = = = l “ 图2 7t 形微带单极天线 上面设计是利用微带线馈电的，同时也已发展了用共面波导馈电的印刷单极 天线。w e i 等人在2 0 0 5 年设计了一种结构简单的c p w 馈电的圆盘单极天线，如 图2 8 ( a ) 所示，该天线的阻抗带宽在s l l