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宽带 脉冲 天线 仿真 设计

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超宽带脉冲天线仿真设计,宽带,脉冲,天线,仿真,设计

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课题名称超宽带脉冲雷达天线仿真设计与测量课题来源横向课题课题类型工程设计类指导教师郭 晨学生姓名王文学 号2403100131专 业电子信息工程一、课题意义： 随着科技的发展，超宽带天线越来越受到人们广泛的关注，究其原因在于超宽带天线所具有的带宽极宽、发射功率低、保密性好等特点能够解决当前电子领域的许多问题，无论是在民用的超宽带通信系统还是在军用探地雷达、反隐身雷达、冲激雷达等方面超宽带天线发挥着越来越重要的作用。而在所有超宽带天线当中，Vivaldi天线结构简单，不仅能够提供超宽带特性，而且在整个频带内都能够提供良好的定向特性。Vivaldi天线是Gibson于1979年提出的一种非周期、渐变、行波天线，它由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成，槽线呈指数规律变化，其辐射机理与标准的TEM模喇叭天线的辐射机理类似，介质板上的槽线宽度逐渐加大，从而形成了喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波，是一种端射式的行波天线。吻合说明了HFSS软件的计算精准性。二、国内外发展情况： 超宽带的概念最早出现在19691984年间Harmuth发表的文章中：Robbins于19721987年取得了超宽带技术方面的专利；1990年，美国国防部高级研究计划署对超宽带信号进行了定义：超宽带信号是指在-20dB功率处的绝对带宽（）大于1.5GHz的信号，或者是百分比带宽大于25%的信号，其中百分比带宽定义为：。其中，分别为信号在-20dB功率点处对应的上、下限频率。规定当1%时，称为窄带信号;当1% 25%时，便可称为超宽带信号。 超宽带（UWB）雷达的历史，最早可以追溯到上世纪六十年代由J.C.Cook提出的应用基带雷达对冰层的探测方案：向地下发射无载波的窄脉冲，由于脉冲宽度仅为几纳秒，所以脉冲具有很宽的频带，这样，既可以获得探测分辨率，又可以达到减小地下有耗介质吸收的效果，从而保证了对穿透深度的要求。超宽带雷达与常规的窄带雷达相比，具有一下特点：(l) 具有较强的穿透能力。宽频带是超宽带雷达的主要特征，其低频信号对墙壁等障碍物具有较强的穿透能力，可以穿透墙壁等障碍物实现对隐藏目标的探测。(2)较低的截获概率。由于超宽带雷达的工作频率范围很大，小于普通雷达信号的截获接收机覆盖范围，因此普通雷达接收机只能接收到雷达信号的一部分，而雷达的完整参数是无法获取得到的。所以普通的雷达接收机是不能有效的检测到超宽带雷达信号的，这一特征使得超宽带雷达更适用于军事应用。(3)抗干扰能力强。超宽带信号具有较大的带宽，这使得在对超宽带雷达进行干扰时，就必须将干扰信号的频带宽度加大。加大了频带宽度就会使该干扰信号的功率谱密度降低，因此就会减弱其干扰的性能，从而使得超宽带雷达的抗干扰能力增强。(4)良好的目标识别能力。短时性是雷达发射脉冲的主要特征，正因为具有的短时性便可以分离目标在不同区域的响应，从而突出目标特征，并借此识别出目标。(5)较高的距离分辨率。超宽带雷达的分辨率可以达到厘米量级，这是由于超宽带雷达具有较大的相对带宽，使得目标的主要散色点可以分辨出来，再对多个强散射点的目标回波信号进行积累，可以此改善超宽带雷达的信噪比。(6)超近程探测能力。超宽带雷达与常规的窄带雷达相比，可以进行超近程的目标探测，而常规的窄带雷达在探测超近程目标时则会存在盲区，这是因为超宽带雷达的脉冲宽度是极窄的，所以使得其最小探测距离和距离分辨率基本上是相等的。当然，在UWB雷达的数字信号处理方面，其采样率将随着带宽的增大而提高，因而对信号处理的能力要求更高;对UWB雷达天线和波形的产生也有特殊的要求。随着压缩传感等理论在超宽带雷达的信号处理方面的应用，降低了采样率，并能很好地重构图像，这使采样率的瓶颈的消除成为可能。这些优点使得超宽带雷达已在商用和军用雷达探测中得到广泛应用。雷达成像如逆合成孔径雷达( Inverse Synthetic Aperture Radar ,ISAR) 和 穿 墙 雷 达 ( Through the Wall Radar ,TWR)等需要有足够高的分辨率 ,采用超宽带技术如无载波窄脉冲雷达、 超宽带步进频率雷达或超宽带线性调频雷达等是较好的解决办法。三、研究内容： 本次课题是基于Vivaldi天线的辐射规律，利用HFSS软件进行建模仿真，根据仿真优化结果进行天线制作，完成利用HFSS仿真软件辅助设计天线实物的整个过程，仿真结果和实测结果的良好实施过程：1、理论参数计算(1)微带槽线转换部分(2)无线槽线渐变部分2、(1)建模仿真(2)仿真结果3、天线制作和测试(1)天线实铡驻波比结果分析(2)天线实测方向图结果分析五、实施手段：在原有Vivaldi 天线研究的基础上，结合遗传算法对耦合型微带线馈入型Vivaldi宽带天线进行了优化设计，通过对其进行离散电阻加载，使带宽增大，更好地抑制了脉冲拖尾，有力地保证了冲击脉冲雷达系统对隐藏目标的探测成像六、任务完成的阶段安排及时间安排：1、实验资料查找，实验背景了解： 3月13日3月27日 2周；2、编程环境搭建及软件学习： 3月28日4月3日 1周；3、算法分析： 4月04日4月10日 1周；4、实现仿真设计： 4月11日4月26日 2周；5、完成毕业设计报告： 4月27日5月23日 3周；七、完成任务所具备的条件因素：计算机一台；实验用雷达一台；雷达天线仿真设计与测量相关文献掌握天线仿真与测量相关方法；掌握VC+或matlab的应用方法；掌握雷达天线仿真相关算法；指导教师意见及建议： 指导教师签名： 年 月 日注：1、课题来源分为：国家重点、省部级重点、学校科研、校外协作、实验室建设和自选项目；课题类型分为：工程设计、专题研究、文献综述、综合实验。 2、此表由学生填写，交指导教师签署意见后方可开题。装订线 超宽带脉冲天线仿真设计 二 一四 届 毕 业 设 计超宽带脉冲天线仿真设计学 院：信息工程学院专 业：电子信息工程姓 名：王 文学 号：2403100131指导教师：郭 晨 完成时间：二一四年六月一、设计内容（论文阐述的问题）研究内容：本次课题是基于蝶形天线的辐射规律，利用HFSS软件进行建模仿真，根据仿真优化结果进行天线制作，完成利用I-IFSS仿真软件辅助设计天线实物的整个过程，仿真结果和实测结果的良好。实施过程：1、理论参数计算(1)微带槽线转换部分(2)无线槽线渐变部分2、(1)建模仿真(2)仿真结果3、天线制作和测试(1)天线实铡驻波比结果分析(2)天线实测方向图结果分析二、设计原始资料（实验、研究方案）计算机一台；实验用雷达一台；雷达天线仿真设计与测量相关文献掌握天线仿真与测量相关方法；掌握VC+或matlab的应用方法；掌握雷达天线仿真相关算法；三、设计完成后提交的文件和图表（论文完成后提交的文件）1 设计论文一份；2 仿真程序一份。四、毕业设计（论文）进程安排序号 毕业设计（论文）各阶段名称 日期（教学周）1、实验资料查找，实验背景了解： 3月13日3月27日 2周；2、编程环境搭建及软件学习： 3月28日4月3日 1周；3、算法分析： 4月04日4月10日 1周；4、实现仿真设计： 4月11日4月26日 2周；5、完成毕业设计报告： 4月27日5月23日 3周；五、主要参考资料1 HFSS天线设计 李明洋 刘敏 杨放 编著2 改进型Vivaldi天线 徐志 刘其中 章传芳 纪奕才 西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室,陕西西安710071 ; 中航雷达与电子设备研究院,江苏无锡214063 ;中国科学院电子学研究所,北京100080 )3 关于Vivaldi超宽带天线设计方案的研究 边莉 吕中志 黑龙江科技学院 金博识 孙凤林 哈尔滨工业大学4 一种新结构Vivaldi天线 王照峰 杨宏春 阮成礼 （电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054）课题名称超宽带脉冲雷达天线仿真设计与测量课题来源横向课题课题类型工程设计类指导教师郭 晨学生姓名王文学 号2403100131专 业电子信息工程一、课题意义： 随着科技的发展，超宽带天线越来越受到人们广泛的关注，究其原因在于超宽带天线所具有的带宽极宽、发射功率低、保密性好等特点能够解决当前电子领域的许多问题，无论是在民用的超宽带通信系统还是在军用探地雷达、反隐身雷达、冲激雷达等方面超宽带天线发挥着越来越重要的作用。而在所有超宽带天线当中，Vivaldi天线结构简单，不仅能够提供超宽带特性，而且在整个频带内都能够提供良好的定向特性。Vivaldi天线是Gibson于1979年提出的一种非周期、渐变、行波天线，它由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成，槽线呈指数规律变化，其辐射机理与标准的TEM模喇叭天线的辐射机理类似，介质板上的槽线宽度逐渐加大，从而形成了喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波，是一种端射式的行波天线。吻合说明了HFSS软件的计算精准性。二、国内外发展情况： 超宽带的概念最早出现在19691984年间Harmuth发表的文章中：Robbins于19721987年取得了超宽带技术方面的专利；1990年，美国国防部高级研究计划署对超宽带信号进行了定义：超宽带信号是指在-20dB功率处的绝对带宽（）大于1.5GHz的信号，或者是百分比带宽大于25%的信号，其中百分比带宽定义为：。其中，分别为信号在-20dB功率点处对应的上、下限频率。规定当1%时，称为窄带信号;当1% 25%时，便可称为超宽带信号。 超宽带（UWB）雷达的历史，最早可以追溯到上世纪六十年代由J.C.Cook提出的应用基带雷达对冰层的探测方案：向地下发射无载波的窄脉冲，由于脉冲宽度仅为几纳秒，所以脉冲具有很宽的频带，这样，既可以获得探测分辨率，又可以达到减小地下有耗介质吸收的效果，从而保证了对穿透深度的要求。超宽带雷达与常规的窄带雷达相比，具有一下特点：(l) 具有较强的穿透能力。宽频带是超宽带雷达的主要特征，其低频信号对墙壁等障碍物具有较强的穿透能力，可以穿透墙壁等障碍物实现对隐藏目标的探测。(2)较低的截获概率。由于超宽带雷达的工作频率范围很大，小于普通雷达信号的截获接收机覆盖范围，因此普通雷达接收机只能接收到雷达信号的一部分，而雷达的完整参数是无法获取得到的。所以普通的雷达接收机是不能有效的检测到超宽带雷达信号的，这一特征使得超宽带雷达更适用于军事应用。(3)抗干扰能力强。超宽带信号具有较大的带宽，这使得在对超宽带雷达进行干扰时，就必须将干扰信号的频带宽度加大。加大了频带宽度就会使该干扰信号的功率谱密度降低，因此就会减弱其干扰的性能，从而使得超宽带雷达的抗干扰能力增强。(4)良好的目标识别能力。短时性是雷达发射脉冲的主要特征，正因为具有的短时性便可以分离目标在不同区域的响应，从而突出目标特征，并借此识别出目标。(5)较高的距离分辨率。超宽带雷达的分辨率可以达到厘米量级，这是由于超宽带雷达具有较大的相对带宽，使得目标的主要散色点可以分辨出来，再对多个强散射点的目标回波信号进行积累，可以此改善超宽带雷达的信噪比。(6)超近程探测能力。超宽带雷达与常规的窄带雷达相比，可以进行超近程的目标探测，而常规的窄带雷达在探测超近程目标时则会存在盲区，这是因为超宽带雷达的脉冲宽度是极窄的，所以使得其最小探测距离和距离分辨率基本上是相等的。当然，在UWB雷达的数字信号处理方面，其采样率将随着带宽的增大而提高，因而对信号处理的能力要求更高;对UWB雷达天线和波形的产生也有特殊的要求。随着压缩传感等理论在超宽带雷达的信号处理方面的应用，降低了采样率，并能很好地重构图像，这使采样率的瓶颈的消除成为可能。这些优点使得超宽带雷达已在商用和军用雷达探测中得到广泛应用。雷达成像如逆合成孔径雷达( Inverse Synthetic Aperture Radar ,ISAR) 和 穿 墙 雷 达 ( Through the Wall Radar ,TWR)等需要有足够高的分辨率 ,采用超宽带技术如无载波窄脉冲雷达、 超宽带步进频率雷达或超宽带线性调频雷达等是较好的解决办法。三、研究内容： 本次课题是基于Vivaldi天线的辐射规律，利用HFSS软件进行建模仿真，根据仿真优化结果进行天线制作，完成利用HFSS仿真软件辅助设计天线实物的整个过程，仿真结果和实测结果的良好实施过程：1、理论参数计算(1)微带槽线转换部分(2)无线槽线渐变部分2、(1)建模仿真(2)仿真结果3、天线制作和测试(1)天线实铡驻波比结果分析(2)天线实测方向图结果分析五、实施手段：在原有Vivaldi 天线研究的基础上，结合遗传算法对耦合型微带线馈入型Vivaldi宽带天线进行了优化设计，通过对其进行离散电阻加载，使带宽增大，更好地抑制了脉冲拖尾，有力地保证了冲击脉冲雷达系统对隐藏目标的探测成像六、任务完成的阶段安排及时间安排：1、实验资料查找，实验背景了解： 3月13日3月27日 2周；2、编程环境搭建及软件学习： 3月28日4月3日 1周；3、算法分析： 4月04日4月10日 1周；4、实现仿真设计： 4月11日4月26日 2周；5、完成毕业设计报告： 4月27日5月23日 3周；七、完成任务所具备的条件因素：计算机一台；实验用雷达一台；雷达天线仿真设计与测量相关文献掌握天线仿真与测量相关方法；掌握VC+或matlab的应用方法；掌握雷达天线仿真相关算法；指导教师意见及建议： 毕业设计任务安排合理，同意开题。 指导教师签名： 年 月 日注：1、课题来源分为：国家重点、省部级重点、学校科研、校外协作、实验室建设和自选项目；课题类型分为：工程设计、专题研究、文献综述、综合实验。 2、此表由学生填写，交指导教师签署意见后方可开题。摘 要天线作为冲击脉冲雷达系统的一个关键部件，主要完成电磁波的有效辐射和接收.随着移动通信、全球定位系统和卫星通信系统的发展,天线的研究已成为很热门的课题。一种至今仍研究较少的微带贴片天线为蝶形天线, 蝶形天线是在脉冲型探地雷达中广泛采用的一种宽带天线。本文设计仿真了一种中心频率为400 MHz的吸波材料填充式蝶形天线,可应用于超宽带探地雷达系统。 本文首先介绍了超宽带(UWB)脉冲雷达天线仿真设计的意义、背景及对UWB天线的要求，并比较了常见的几种超宽带天线，由此引入本文重点研究的用于探地雷达的蝶形天线。本文的主要工作是在充分研究传统蝶形天线特性的基础上，利用三维电磁仿真软件HFSS设计蝶形天线，并对其性能进行优化。本文在完成课题的基础上探索性的自定义尺寸设计了蝶形天线.从分析结果可以看到本文设计的蝶形天线辐射贴片的长度、辐射贴片的宽度与谐振频率之间的关系，以及同轴线馈电点位置和天线输入阻抗的关系。理论及仿真结果表明，本文设计的超宽带蝶形天线用于探地雷达测量是可行的。关键字：探地雷达，超宽带，超宽带天线，HFSS仿真软件，蝶形天线，辐射贴片 ABSTRACTAntenna as a shock pulse radar system is a key components, mainly to complete the effective radiation of electromagnetic wave and receive. As mobile communication, global positioning system (GPS) and the development of satellite communication system, the study of antenna has become a very popular topic. A kind of research still less for butterfly microstrip antenna, the microstrip patch antenna bow-tie antenna is widely used in the impulse ground penetrating radar (GPR) of a broadband antenna. Designed in this paper implements a center frequency of 400 MHz absorbing material filling type butterfly antennae, and applies this antenna ultra-wideband ground-penetrating radar system, assembled a set of 400 MHz wireless control ground penetrating radar (GPR) system prototype.This article first introduces the ultra wideband (UWB) pulse radar antenna simulation design, the background and the significance of requirement for UWB antenna, and compares the common several kinds of ultra-wideband antenna, the introduction of this article focuses on bow-ties for ground penetrating radar (GPR). In this paper, the main work is on the basis of fully studying the characteristics of traditional bow-ties, using 3 d electromagnetic simulation software HFSS bow-ties, and its performance is optimized.In this paper, on the basis of the completed project of the exploratory bow-tie antenna is designed. The custom size can see from the result of analysis in this paper, the design of butterfly antenna radiation patch length, the width of the radiation patch and the relationship between the resonant frequency, and coaxial feed point position and the relationship between the antenna input impedance. Theoretical and simulation results show that the design of ultra-wideband bow-ties for ground penetrating radar (GPR) measurement is feasible.Key Words: Ground penetrating radar(GPR) , ultra wide band ( UWB） , UWB antenna , HFSS software , Bow-tie antenna , The radiation patch目 录摘 要7第一章 绪论101.1 课题的研究意义及目的101.2 天线的发展趋势101.3 超宽带脉冲雷达天线的优势111.4 本文的主要工作及任务11第二章 超宽带技术122.1 超宽带技术产生背景122.2 超宽带技术的发展状况122.3 超宽带技术的特点132.4 超宽带技术的应用142.5 超宽带技术的发展前景152.6 本章小结16第三章 超宽带天线的研究分析173.1 超宽带天线的发展173.2 超宽带天线概念183.3 超宽带天线特点183.4 超宽带天线分类193.5 目前研究存在的问题及未来发展趋势203.6 本章小结21第四章 蝶形天线的设计及仿真224.1 蝶形天线的发展224.2 蝶形天线的大致分类234.3 蝶形天线的设计与仿真234.4 超宽带脉冲雷达蝶形天线结果讨论与分析254.5 用CST Microwave Studio仿真软件进行了仿真及测试254.6 本章小结29第五章 结论与展望30致 谢31附录（文献翻译）33中文翻译:46引用57第一章 绪论1.1 课题的研究意义及目的随着科技的发展，超宽带天线越来越受到人们广泛的关注，究其原因在于超宽带天线所具有的带宽极宽、发射功率低、保密性好等特点能够解决当前电子领域的许多问题，无论是在民用的超宽带通信系统还是在军用探地雷达、反隐身雷达、冲激雷达等方面超宽带天线发挥着越来越重要的作用。而在所有超宽带天线当中，蝶形天线结构简单，不仅能够提供超宽带特性，而且在整个频带内都能够提供良好的定向特性。蝶形天线由无限长双锥天线演变而来。理论上无限长双锥天线具有无限的宽带及恒定的阻抗特性,但实际应用中天线的尺寸是有限的,从而限定了天线的低频性能。为了补偿天线的低频性能,增大张角(锥角)是一个较为有效的办法。在实际工程应用中,由于蝶形天线与双锥天线相比具有平面特性,加工更为简单,体积也较之减小很多,通常用蝶形天线作为超宽带探地雷达系统的收发天线的主要形式之一。使用仿真软件HFSS设计蝶形天线结构并进行仿真优化，测试结果表明，该天线得到比较满意的辐射性能，满足超宽带技术要求，能够较好的实现测量要求。1.2 天线的发展趋势随着科技的进步,对雷达天线性能的要求越来越高,天线的尺寸和性质作为其重要指标，它的技术要求也提出了更高的要求。冲击脉冲雷达的收发天线要满足以下要求:(1) 在工作频带内阻抗一致，天线上的电流呈行波分布；(2) 在工作频带内天线的相位中心一致；(3) 在工作频带内天线的最大辐射方向一致；(4) 在工作频带内天线的幅频响应一致，相频响应线性。超宽带天线的研究有很大的应用价值，增强脉冲信号的低频辐射能力，可以减小脉冲信号的失真，小失真的信号有利于接收设备的接收，也更有利于接收机后续的信号处理。对于探地雷达，由于媒质对低频衰减小，因此低频带信号部分辐射能力可增加探测深度。同时由于天线的辐射效率为辐射功率与输入功率之比，辐射功率越小，辐射效率也越低。低的辐射效率不仅减小了通信的距离，而且对发射设备也会造成损害。因此设计新型天线结构并扩展天线低频段的辐射能力是本文的研究目的。1.3 超宽带脉冲雷达天线的优势随着科技的发展，超宽带天线越来越受到人们广泛的关注，究其原因在于超宽带天线所具有的带宽极宽、发射功率低、保密性好等特点能够解决当前电子领域的许多问题，无论是在民用的超宽带通信系统还是在军用探地雷达、反隐身雷达、冲激雷达等方面超宽带天线发挥着越来越重要的作用，但它也对传统的电磁场与电路理论提出了新的挑战。人们己经开始探索新的理论来解决所面临的新问题，如时域瞬态电磁学、超宽带电磁学、计算电磁学、概率理论等，正在不断寻找适用于UWB应用的射频电路设计方法。其中，作为UWB系统射频端出入口的天线模块设计，已经成为目前的研究热点。1.4 本文的主要工作及任务根据探地雷达的测量要求和天线在实际应用中的构架, 本文选择蝶形贴片天线进行设计。蝶形贴片天线是通过采用一端贴片天线发射电磁脉冲,另一贴片接收电磁脉冲能量的微带天线。本文根据微带传输线及仿真理论, 结合具体的设计要求,利用基于天线电磁特性的仿真软件HFSS对该天线进行建模仿真。通过模拟天线在现实中的辐射环境, 根据仿真结果及具体的技术指标要求, 利用HFSS 自身的优化模块对模型的各部分几何尺寸进行整体优化, 最后确定蝶形微带天线的几何尺寸和实际结构。第二章 超宽带技术2.1 超宽带技术产生背景超宽带（ Ultra Wide Band， UWB)技术的最初形式为脉冲无线通信，起源于20世纪40年代，从其出现到20世纪90年代之前，UWB技术主要作为军事技术在雷达和低截获率、低侦测率等通信设备中使用。近年来，随着微电子器件的技术和工艺的提高，UWB技术开始应用于民用领域。超宽带通信是一种不用载波，而通过对具有很陡上升和下降时间的脉冲进行调制(通常，脉冲宽度在0.20-1.5ns之间)的一种通信，也称为脉冲无线电(Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。它具有GHz量级的带宽，并因其发射能量相当小，因此可能在不占用现在已经拥挤不堪频率资源的情况下带来一种全新的语音及数据通信方式。 超宽带要求相对带宽比高出20%或者绝对带宽大于0.5GHz，其传输速率可超过100Mbps，具有这样特性的系统称为UWB系统。图2.1 超宽带频谱图2.2 超宽带技术的发展状况UWB技术最初是在1960年作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域。UWB 技术在70 年代获得了重要的发展， 其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统，1972年UWB脉冲检测器申请了美国专利；1978年出现了最初的UWB通信系统。到80 年代后期， 该技术开始被称为无载波无线电，或脉冲无线电，1984年UWB系统成功地进行了10公里的试验。美国国防部在1989 年首次使用了超带宽这一术语。为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起， 美国联邦通信委员会( FCC) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见， 在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。1990年美国国防部高级计划局(DARPA)开始对UWB技术进行验证。2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用。UWB技术发展慢的原因主要有:在1994年以前主要限于军方使用，限制了第三方开发支持UWB的软件和硬件；由于UWB使用许多专用频段，FCC对UWB技术的批准进展缓慢；UWB带来的干扰问题也阻碍了UWB的发展步伐；而且，由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括PAN，WLAN (802.11a，802.11b，802.11g)和无线WAN(如GPRS，1XRTT)，因此，许多公司会抵制该技术的商用。虽然如此，在此期间，UWB天线还是取得了很大的发展。2.3 超宽带技术的特点由于UWB与传统通信系统相比工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点： (1) 系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。 (2) 高速的数据传输：民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传。 (3) 功耗低：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百W几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。 (4) 安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。 (5) 多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10 30 dB 的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。 (6) 定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。 (7) 工程简单造价便宜：在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。 2.4 超宽带技术的应用UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势， 同时受发射功率的限制， 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域，如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点；UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。总的说来，UWB的用途很多，主要分为军用和民用两个方面。 UWB技术在军用方面应用：UWB 技术的一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位，例如使用UWB 技术是能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线UWB 塔标和无线UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB 漫游器和无线UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量，再经往返(或循环) 时间的测量值的对比和分析，得到目标的精确定位。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB 脉冲信号，其峰值功率为4W，工作频带范围为1. 31. 7 GHz ，相对带宽为27 % ，符合FCC 对UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线，其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部，由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用，系统通信距离被限制在约100 m 以内。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战士在城市环境条件下能够以0. 3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统。它能够提供突发且高达100Mbps 的信息服务，其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议，还可以用作紧急援助事件的通信。超宽带技术在军用其他方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB L PI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 、战术手持和网络的PL I/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体等。 UWB技术在民用方面应用：UWB技术在民用方面的重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD 、DVR 、数码相机、数码摄像机、HDTV 、PDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里，正是旧时王榭堂前燕，飞入平常百姓家。家庭数字娱乐中心的概念是：将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，你可以在任何地方使用它们。举例来说，你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看，可以自由地同Internet交互信息，你可以遥控你的PC，让它控制你的信息家电，让它们有条不紊地工作，你也可以通过Internet联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。从前面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。自从2002 年2 月14 日FCC 批准将UWB 用于民用产品以来， UWB的民用主要还包括以下3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) ；汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system) ；家电设备及便携设备之间的无线数据通信( communication and measurements system) 。2.5 超宽带技术的发展前景UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比， UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率，越来越多的研究者投入到UWB 领域，有的单纯开发UWB技术，有的开发UWB应有，有的兼而有之。相信UWB技术， 不仅为低端用户所喜爱，且在一些高端技术领域，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在关于UWB 的预测和潜在市场应用的报告指出，2007 年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套，当年的收益将达到13. 9 亿美元。 同先进国家相比较，我国在无线通信领域仍处于待开发状态，通过UWB技术的研究，可以充分发挥后发优势，研究将会更有方向性和针对性，因而有可能在该领域达到并超过世界先进水平，促进我国在UWB技术方面的全面发展，同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品，建立新的经济增长点，具有重大意义。 2.6 本章小结本章介绍了超宽带技术的产生背景、发展状况、特点、应用以及未来的发展前景，通过本章的学习我们对超宽带技术有比较深入的了解，为下一章研究超宽带天线奠定了基础。第三章 超宽带天线的研究分析3.1 超宽带天线的发展一般意义的超宽带天线的研究已有几十年的历史，并且已研制成了一些经典的超宽带天线结构。1941年，Stratton和Chu提出了类球体天线。是通过直接求解Maxwell方程得到该天线的辐射性能，但是类球体天线的分析方法不能应用到任意形状的天线。1943年，Schelkunoff提出了双锥天线。它可以简单的利用Maxwell方程求解。该分析方法可以应用到许多其他形状的天线中，同时给出这些天线的阻抗特性的解析公式。如今，双锥天线和它的变形天线如圆锥形天线、蝶形天线等仍然被广泛应用到UWB系统中。1947年，在哈佛大学的美国辐射科学实验室(U.S. Radio Research Laboratory)正式规定了UWB天线的定义及概念。这期间也提出了许多UWB天线，例如水滴形天线、套筒天线、梯形天线等。50年代，提出了典型的非频变天线螺旋天线。其中等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线是最著名的两种螺旋天线。螺旋天线可以提供10:1的带宽，具有圆极化、低轮廓的特性。1979年，Gibson提出了一种按指数规律渐变的槽线天线，它是一些具有非周期结构连续逐渐变化的天线。理论上，它有较大的带宽，这种天线是一种高增益、线极化，是具有随频率变化恒定增益的天线。1982年，R. H. Duhamel发明了正弦天线 ，它结构紧凑、低轮廓而且频带宽。它比螺旋天线要复杂，但它却可以提供相互正交的双线性极化。所以，它可以作为极化分集天线或同时进行发送/接收操作天线。自1992以来，发明了许多种单极子盘片天线。盘片的形状有圆形、椭圆形和梯形等，他们用简单的结构提供了非常宽的带宽。辐射单元被固定在一个矩形的接地板上，并且用同轴线馈电电源。单极子盘片天线是UWB天线中比较满意的天线。1999年，Virginia Tech Antenna Group (VTAG)发明了四面(Foursquare)天线。尽管它可能没有其他天线那么宽的带宽，但却有单向辐射、双线性极化和低轮廓等独特的优点。国内大学在超宽带天线设计和理论研究领域中也做出了许多的贡献。中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的同轴双锥天线和半抛物面冲击脉冲辐射天线，其同轴双锥天线效率为65%，在250M1GHz驻波比小于3。西北核技术研究所研制了线框馈电抛物反射面高功率辐射天线，辐射效率约为37%，增益17.5dB。国防科大电子科学与工程学院在加脊圆锥TEM喇叭天线和平面TEM喇叭天线的研究上成效显著。这些超宽带天线的应用仍然立足于雷达系统，并没有与发展的如火如荼的民用超宽带系统相结合。因此，分析和研究民用超宽带天线具有重要意义。3.2 超宽带天线概念超宽带天线顾名思义就是带宽非常宽的天线，这种说法其实是在频域的对天线带宽的定义是就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围。 在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等在允许的范围内。也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围。其实这正是传统的窄带天线性能分析方法。因为以前窄带天线要发送的信号基本都是己经调制过的正弦波信号，所以在设计天线时对带宽并没有要求非常苛刻(极宽的带宽)。只要针对某个载波频率设计就可以了，在这个载波频率附近天线的性能满足要求，变化不大。但是，当要发送的信号不是正弦波调制信号天线就不能满足要求了，而是几百皮秒或者纳秒级的窄脉冲信号时，一般的窄带那么传统的宽带天线能否满足要求呢？UWB天线与常规意义上的宽带大线还是有着显著区别的。常规的宽带天线大都是非频变天线，是指天线可以根据无线系统需要工作在不同频段，而并不是指天线地各个部分同时在整个宽频段内工作。例如TEM喇叭天线，对数周期偶极子天线和自相似螺旋天线都是典型的宽带天线，虽然可以工作在宽频带内的多个频率上，但是由于其相位中心和VSWR是随频率变化的，导致了信号时域上的色散，因而不适合于发射和接收UWB信号。因此，对于UWB天线来说，固定的相位中心和低驻波电压比是非常重要的两个电指标，它们决定着UWB天线的性能。3.3 超宽带天线特点在窄带通信系统里，传统的天线参数，例如输入阻抗匹配、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等等，被用来评估天线的技术性能，因此天线工程师只要根据这些参数的确定就能评估天线。但是在超宽带应用中，由于天线发射窄脉冲序列，系统要求天线的相对带宽很宽，情况就变得很复杂，因此超宽带天线也就有了不同于传统窄带、宽带天线的一些技术特点，主要表现如下：（1） 在工作带宽内要保证UWB天线具有很好的匹配阻抗，这要求UWB天线在整个工作频带内驻波电压比低而平稳。驻波电压比（VSWR）是衡量天线输入/输出之间阻抗匹配额的参数，要求在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小。同时，在UWB脉冲源输出端安装一个隔离器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。（2） 要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和接收机的性能变坏。（3）在工作带宽内天线要保证具有高而稳定的辐射效率。尤其是对于移动设备的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。所定义的UWB天线的效率，其中激励源功率和回波损耗，而且海域源脉冲的频谱有关。为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。3.4 超宽带天线分类目前超宽带天线主要有加脊喇叭、TEM喇叭、单极子和偶极子、螺旋天线、双锥天线、蝶形天线等等,他们性能各异，原理不同。由于在下一章将会对本课题研究设计的蝶形天线做详细的介绍，下面仅对该天线作以简单的认识。蝶形大线是由两块三角形金属板加馈电系统组成的,由于它是一种平面结构,因此具有重量轻、易安装等机械优点。常用的领结型天线的结构如图3-1所示,振子两臂做成等腰三角形或扇形等形状,天线振子为敷在薄的介质基板上的铜箔或其他导电材料。与圆锥天线一样,当张角较大时,蝶形天线仍然具有良好的宽频带特性。蝶形天线也可近似看成一种行波结构天线形式,电流从中央馈电点逐渐流向两边,且越来越小,到末端有少量电流发生反射。因此,为了再增大蝶形天线的频带宽度,可采用行波天线常用的加载的方式,即在天线的近末端离散地或连续地加上电阻或电抗元件,改善天线上的电流分布,使天线上的电流尽可能接近行波电流分布,从而进一步增大蝶形天线的频带宽度,减小天线接收电压脉冲拖尾,因此它是一种非常有潜力的超宽带天线。 图 3.1 蝶形天线模型3.5 目前研究存在的问题及未来发展趋势从前面的分析我们可以看到，超宽带天线的宽带实现难度不大，但是要满足时域特性却存在一些困难，尤其是在超短脉冲发射中，如何避免振铃现象显得尤为关键。除此之外，我们还可以看到，超宽带天线种如何保持整个带宽的恒定增益、提高天线效率、提高天线增益、展宽天线工作频段也是一项具有挑战性的工作。 如何降低这种挑战呢？这需要我们去进一步从源上去解决目前所面临的问题。现在超宽带天线研究取得了一定的成果，但是我们发现，这些研究大都是从以往经验加上不断尝试的方法进行的，缺乏严格的理论基础，从而限制了其进一步发展，也使得超宽带领域的扩大面临瓶颈。如何解决这个问题呢？经过研究分析我们发现，现在的超宽带天线研究方法似乎更应该从基本理论上跳出经典方法的限制，使需求更加合理、完备的理论基础作为超宽带天线研究的指路灯，因为我们在采用传统的方法研究已发现了许多有待解决的问题。这里，我们从天线信号产生、发射机理出发或许能够找到突破口。 天线带宽的定义是“就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围”。在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等在允许的范围内。也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围.其实这正是传统的天线性能分析方法。因为以前天线要发送的信号基本都是已经调制过的正弦波信号，所以在设计天线时对带宽并没有要求非常苛刻(极宽的带宽)。只要针对某个载波频率设计就可以了，在这个载波频率附近天线的性能满足要求，变化不大。 但是，当要发送的信号不是正弦波调制信号，而是没有进行调制的时域超短脉冲信号时，一般的天线就不能满足要求了。因为在频域，超短脉冲具有很宽的频带宽度，而一般的天线相对这种信号来说就属于窄带天线了。要发送这样的信号当然需要天线的带宽很宽。那是频域的叫法，其实在时域应该叫做非正弦波天线了。 自无线电工程诞生以来，无线电传输理论与技术几乎完全是建立在正弦波概念的基础之上。这一理论之所以以正弦波为基础是因为若不采用贝努利乘积法就很难求出麦克斯维方程的解。尽管用这种方法也可以通过常微分方程去解偏微分方程，但是得到的只是特解而不是通解，并且这些解都具有正弦函数的形式。半个多世纪以前，相应于赫兹偶极子辐射的麦克斯维方程的通解就已经能够得到。如果我们不像通常那样假设偶极矩或偶极子电流是正弦时间变量，这个解所给出的电场强度和磁场强度就是偶极矩或偶极子电流的函数。论述天线的教科书、科技书以及几乎所有的期刊文献均认为，波是随着天线电流的正弦变化而产生的。受到这些广为流传的文献的影响，技术的发展自然遇到了阻碍。后来，人们又发现正弦电流和电压能和LC电路以及某种结构的天线发生谐振，这就使得有选择地进行电传输成为可能。然而，随着又产生了一种普遍地看法，认为谐振是正弦波所特有的现象。更一般的趋向是，建立在正弦函数基础上的理论导致了正弦函数技术，正弦函数技术反过来又促进正弦理论的进一步发展。回顾这一发展过程，我们难以判断到底是什么因素打破了这一循环。或许是随着半导体的发展，数字电路重新又引起了人们的兴趣，于是在我们的脑海中便产生了这样的印象:正弦函数并非在任何场合下都可以应用。因此，现在的超宽带研究对传统的电磁场与电路理论也提出的新的挑战要求人们去探索新的理论来解决所面临的新问题，如时域瞬态电磁学、超宽带电磁学、计算电磁学、概率理论等。虽然目前超宽带天线的发展面临诸多挑战，但是，我们有理由相信，在未来几年将会有更大的突破。在民用超宽带和移动式通信设备种超短带天线的发展也会朝着小型化、高效率、稳定增益、宽频带、超短快速脉冲响应的方向发展。而在雷达方向，则偏向于高功率、高效率、高增益、超短快脉冲响应方向发展。只有当超宽带系统中脉冲发射接收不再受到天线的制约之时，该领域的发展才会取得重大突破，否则它将永远收到现在。从这一点我们也得一看到其巨大的市场前景。3.6 本章小结为了能使读者更好地认识本课题设计的蝶形天线，本章首先介绍了有关超宽带天线的发展、概念、特点及常见超宽带天线等进行了系统的阐述，在介绍超宽带天线分类时简要引出本课题要研究的蝶形天线，并作了简单的认识,为下一章蝶形天线的设计和研究提供了理论基础和指导思想。第四章 蝶形天线的设计及仿真4.1 蝶形天线的发展蝶形天线是一种超宽带天线,适合发射窄脉冲信号川,对于探测浅层地下目标的探地雷达系统是最佳选择。并且制作简单,使用方便,体积轻巧,便于携带。如图4.1所示： 图4.1 蝶形天线结构示意图图4.2 蝶形微带天线的结构及坐标系图4.3 蝶形微带天线的几何关系及脉冲基函数4.2 蝶形天线的大致分类蝶形天线基本分为不加载蝶形天线、末端集中加载蝶形天线以及分布加载式蝶形天线三种。分布加载式蝶形振子天线具有较小的天线尺寸及相对平滑的波形拖尾,是探地雷达天线中的较好选择。4.3 蝶形天线的设计与仿真本文根据微带传输线及蝶形微带天线理论, 结合具体的设计要求, 通过数值求解确定了蝶形微带天线初步的几何尺寸, 然后利用基于电磁特性的仿真软件HFSS对该天线进行建模仿真。本课题参考国内外有关文章，从传统的微带天线入手，逐步深入，对蝶形天线进行研究并对天线在尺寸和结构上的改进进行了一定的探索。本毕业设计的课题任务即为设计400MHz蝶形天线。注意：在设计天线时会用到介质材料，不同的介质材料是由介电常数的不同来衡量的，这里设计天线用到的介质材料是天线本身的一部分。 在电磁特性三维仿真软件HFSS里设计出的蝶形天线如下图所示： 图4.5 基于HFSS的蝶形天线仿真在仿真软件中对各项参数进行设置，设置完成后开始进行求解设置。此微带天线的工作频率为400MHz，所以求解频率设置为400MHz。同时添加200600MHz的扫频设置。（2）在HFSS里结果及分析： 图4.6 图4.5所设计蝶形天线的回波损耗（S11）由以上图4.6的分析结果表明在带宽范围374444MHz（即带宽70M）内，满足S11（即回波损耗就是反射回来的功率比上总的入射功率，回波损耗是负值，一般回波损耗低于10dB的频率范围就是绝对带宽了）小于-10dB，符合工程实际要求。经过对有关文章的学习研究发现，影响带宽的因数主要有微带线结构、蝶形天线的结构、尺寸以及屏蔽腔等。 4.4 超宽带脉冲雷达蝶形天线结果讨论与分析本课题设计我们利用三维电磁仿真软件HFSS,先从较为简单常见的蝶形天线着手，设计出了蝶形天线结构，并根据在仿真软件HFSS里的结果及数据分析得出了我们设计的天线可利用带宽。然而，我们也要看到我们设计出的天线中存在的问题，主要表现在两个方面：（1）我们设计出的天线理论是不健全的不完整的。这主要是蝶形天线作为近年来的热门天线，对它的研究还处在探索阶段并没有系统的权威的著作来研究该种天线。尤其是在国内还停留在对蝶形天线结构的研究及改进上，没有从理论层次上给与定量的解释。（2）部分天线平滑性、过渡性较差。天线比较尖锐，过渡性较差，这是值得我们注意和改进的。4.5 用CST Microwave Studio仿真软件进行了仿真及测试 （1）只仿真蝶形天线，略微改变蝶形尺寸，带宽没有大变化，且都没有100%带宽(200-600MHz)（2）在单个天线背后加上有耗材料(280*140*114mm，电导率分别取5,10,20,50 S/m)，S11带宽展宽（3）在单个天线背后加上有耗材料(280*140*114mm，电导率5 S/m)同时加上金属盒，金属盒对S11不起大作用（4）将天线由一个便至两个，离散端口也变成两个目前看，对S11影响比较大的是有耗材料的电导率4.6 本章小结本章是本课题的核心章节，本课题的仿真设计也是在这章完成的。在蝶形天线仿真设计之前，我们先介绍了该天线的发展历史、工作原理和分类。在设计的过程中我们能明显感觉的到蝶形天线的文献资料是比较少的，这给我们的设计带来了很大困难。在对蝶形天线设计的过程中我们选取具有代表性的因素如微带线结构，天线尺寸等，深入探索性的完成了对蝶形天线的仿真设计及结果分析。最后讨论了天线设计中存在的问题如结构的改进缺乏理论，天线平衡性、过渡性有待提高等等。第五章 结论与展望天线的设计仿真由于其具有与航天航空、探地测量、卫星遥感以及微波通信等方面密切相关而引起人们越来越多的关注。超宽带（UWB）技术具有高性能，低功耗，低成本等优点，过去几十年广泛用于军事雷达和定位设备中，近年来又称为实现高速无线通信的主要技术之一。天线是UWB研究的一个重要方面。作为UWB天线，要求其如入阻抗和相位中心都具有超宽带不变特性。本文研究的对踵Vivaldi天线是一种非周期、渐变、端射行波天线，本身具有很好的宽带宽特性，且相位中心不随频率变化，因此，十分适合应用于UWB系统中。本文首先在第一章绪论对课题研究意义、蝶形天线的发展状况以及超宽带技术天线仿真应用做了系统的阐述。第二章简要介绍了UWB技术的应用背景及UWB技术的特点等，然后简要引出蝶形天线，并对该天线的认识做了简单讲解。在该天线设计过程中，我们利用HFSS仿真软件进行了大量的仿真试验，得到了大量的设计模型结构，为蝶形天线的设计提供了重要的参考，这为第三章专门研究蝶形天线打下良好的基础，使我们从更好的更全面的角度了解掌握本课题所要设计的天线。第三章介绍了蝶形天线的分类，主要包括不加载蝶形天线、末端集中加载蝶形天线以及分布加载式蝶形天线三种，以及他们各自的工作原理做了详细的分析，并且利用电磁波三维设计仿真软件HFSS及CST Microwave Studio进行了仿真及测试。测试的主要指标为S11-10dB，所设计的蝶形天线能满足该指标，能完成毕业设计任务，这是值得我们高兴的。然而喜悦的同时我们也看得到了我们设计的蝶形天线的不足之处，并就其原因在第三章的最后课题分析及总结部分给与详细的解释。为此，我们有理由相信将蝶形超宽带天线应用于探地雷达的测量是科学的，也是可实现的，我们相信在该种天线的应用下，探地雷达的测量将更加准确，更加科学。将为交通，军事，探测等多领域带来新的生机与活力。致 谢四年的大学生活一晃而过，回首走过的岁月，恍如昨日，心中感到十分充实。毕业在际，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。在这里，首先我要诚挚的感谢我的论文指导老师郭晨老师。虽然她是一位很年轻的老师，但是她循循善诱的指导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，说心里话，作为一个本科生，最初选题的时候还是有所顾忌的，毕竟自己对天线方面的知识还是比较缺乏的，但是郭老师给我们讲解了关于蝶形天线及超宽带技术方面的知识使我更加热爱我所选的课题。在查阅资料的初期，她就提供给了我很多的外文资料、期刊，给了我很大的帮助，当我着手做毕业设计时，无论她的工作有多忙，总是每周抽时间，及时了解工作成果，并且还会给我很多的方法和建议，从选题，定题到写论文，都是一再经过修改，所以我的论文才能如此顺利的完成，给大学生活一个完美的句号。此外，郭老师还很关心我们找工作的情况，就像个朋友一样和我们聊天，所以在这里，请让我再一次感谢郭老师对我的帮助。其次，要感谢母校对我的培养，感谢电子信息工程系的每一位老师，他们总是耐心的指导我们的学习，没有他们的辛苦培养与教学，就没有现在的我，正是各位老师严格的要求，才成就了今天我如此好的成绩。四年里，我成长了许多，经过了很多历练，对于母校的感激之情，无法言喻。在此，真诚的感谢长安大学，感谢教过我的每一位老师。然后，在这里还要感谢提供给我参考文献和书刊的各位前人作者，他们提供了很好的方法和思路，让我的学习更加的方便和快速，谢谢你们。最后，还要感谢我的大学同学，四年在一起生活，让我结识了很好的一些朋友，在学习上我们互相帮助，生活上互相关心，创造了很多美好的回忆，我将永生难忘，这些珍贵的友谊，会一直存在下去。还有我最亲爱的父母，他们在背后默默地支持我，鼓励我，无论多大的困难，父母总是站在我这一边，无尽地包容我，虽然很遗憾没有实现上研究生的理想和目标，但是我还是遇到一份很好的工作，我会一直努力下去，报答所有帮助我，关心我的人。最后，再次感谢所有给予我帮助的人。参考文献1 HFSS天线设计 李明洋编著 电子工业出版社 2011.42 HFSS原理与工程应用 谢拥军等编著 北京:科学出版社, 2009.09 3 Ansoft HFSS 基础及应用 谢拥军 王鹏 李磊 周建华 雷振亚著 西安电子科技大学出 出版社 2007 4 探地雷达超宽带背腔蝶形天线设计与实现 郭晨 刘策 张安学 1.西安交通大学微波与光通信研究所，陕西 西安 710049；2.Subsurface Sensing Lab,University of Houston,Texas,United States 电波科学学报 第25卷 第2期5 微带线-槽线馈电的Vivaldi天线参数分析 边 莉 赵晓妍 黑龙江科技学院学报6 超宽带天线理论与技术 阮成礼 哈尔滨工业大学出版7 电阻加载蝶形天线的性能研究 魏福显 王春和 中国电波传播研究所 山东青岛 266071 第7卷 第4期8 探地雷达蝶形天线的优化与设计 谷海瑞 徐远哲 装甲兵技术学院 吉林长春 130117 9 探地雷达蝶形天线的优化与设计 常芸芬 高成 石立华 徐远哲 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏 南京 21000710 一种蝶形超宽带天线设计 王建朋 韩兴亮 张光甫 王国利 2007 年全国微波毫米波会议论文集11 一种改进的探地雷达蝶形天线 吴建斌 田茂 李太全 仪器仪表学报 第30卷 第5期12 探地雷达天线系统的设计、实现与优化 李太全 武汉大学博士学位论文13 超宽带脉冲天线研究 李长勇 重庆大学博士学位论文14 冲击脉冲雷达中时域超宽带天线的设计与研究 龙小专 电子科技大学硕士学位论文15 冲击脉冲探地雷达系统的设计与实现 贾海亮 沈阳航空航天大学 硕士学位论文 16 蝶形天线的计算机仿真设计 陈默 田茂 武汉大学17 蝶形微带天线的全波分析与宽带设计 张需溥 钟顺时 上海大学通信与信息工程学院，上海 200072 电波科学学报 第16卷 第4期附录（文献翻译）Ultra-wideband Vivaldi antenna design for multisensory adaptive ground-penetrating impulse radar Ahmet Serdar TurkThe Scientific and Technical Research Council of Turkey (TUBITAK) Marmara Research Center, Information Technologies Institute P.O. Box 21 Gebze, Kocaeli, TR-41470, Turkey Received 22 October 2005ABSTRACT: This paper describes a partially dielectric-loaded Vivaldi antenna (PDVA) structure that maintains ultra-wideband antenna characteristics over a bandwidth ratio greater than 25:1 so as to improve the impulse radiation characteristics for multisensor adaptive groundpenetrating Radar (GPR) operations. The PDVA is introduced for metal-detector-combined GPR head designs in order to avoid performance degradations based on the sensor interferences. It is shown that high gain, low input reflection, and signal-ringing levels over the wide operational bands are attainable for a PDVA with proper dielectric and absorber loadings. . 2006 Wiley Periodicals, Inc. Microwave Opt Technol Lett 48: 834839, 2006; Published online in Wiley Inter-Science (). DOI 10.1002/mop.21491Key words: ultra-wideband antennas，Vivaldi antenna， TEM horn;ground-penetrating radar， impulse radiation1. INTRODUCTIONGround-penetrating radar (GPR) is currently one of the leading technologies being investigated for the detection and identification of both metallic and nonmetallic objects buried underground 1.The central frequency and bandwidth of GPR signals are the key factors for system performance. Higher frequencies are needed for better resolution in order to determine small-size objects and the lower bands are preferred for detecting something buried too deep.Thus, ultra-wideband (UWB) GPR system that transmits short time impulse signals is used so as to benefit from both low and high frequencies. The impulse waveform is generally a Gaussian shaped monocycle type that is in time with the application-oriented pulse durations from a few nanoseconds to a few hundred picoseconds,corresponding to a broadband spectrum from 100 MHz to 5 GHz (up to 8 GHz for stepped-frequency GPR) in frequency 5.In this case, the convenient design of UWB transmitter and receiver (T/R) antennas is one of the most important parameters for the detection quality of impulsive GPR systems. The antennas must have flat and high directivity gain, narrow beam, and low side-lobe and input-reflection levels over the operational frequency band for the largest dynamic range, best focused illumination area, lowest T/R antenna coupling, reduced ringing, and uniformly shaped impulse radiation 1, 6.When remarkable enhancements are required for detection performances,recent subsurface detector system applications usually propose the use of multisensor operations combining GPR with metal detector. In this situation, the GPR head consisting of the T/R antennas and the shielding enclosure is wound by the EMI sensor (metal detector) coils. Here, the most critical point is the prevention of mutual sensor couplings and interferences in order to maintain the individual sensor performances. The first problem is the metallic parts of the GPR head (that is, the antenna arms and screening plates). They are the main clutter sources for the EMI sensor and strongly degrade its detection-threshold level. For this reason, the grating model structure is proposed for T/R antennas and shielding boxes to reduce the amount of metal in the GPR head 6. The second challenge is the metal detector coil wires that act as a waveguide for the GPR antennas and thus filter the lower band of the GPR signal radiation. Note that the cutoff frequency will be above 1 GHz and a remarkable part of the impulse signal cannot be radiated, since the typical handheld GPR-head dimensions are about 2530 cm. Actually, the same problem is valid for the entirely metal-shielded GPR head box. However, if EMI sensor coils were not used, the easy solution would be just to strip some metallic plates nearby the GPR head aperture walls, neglecting some of the shielding-performance degradation.This paper proposes a partially dielectric-loaded Vivaldi antenna(PDVA), which yields ultra-wideband antenna characteristics from 400 MHz to 10 GHz. The partially loaded transmissionline antenna method (PLTLM) is used as a fast and efficient simulation tool to analyse the PDVAs structure. The antenna is designed for multisensor adaptive operation and measured over the full operational band. The experimental results are presented and compared with the conventional GPR antennas such as TEM and PDTEM horns.2. PLTLM PROCEDURESince it is a kind of travelling wave antenna, the PLTLM approach can properly be applied to the Vivaldi structure shown in Figure 1.Briefly, the antenna is assumed as a composition of transmissionline segments characterized by their local geometrical and constitutional structure parameters (Fig. 2). Similar to PLTLM analysis of a TEM horn, the staircase modelling shown in Figure 3 is used.The antenna is considered as a microstrip line and divided into Nnumber of elementary cells, which are chosen to be locally homogeneous and sufficiently small in wavelength. Then, the structure is reduced to the equivalent 1D transmission line with corresponding characteristic impedance , propagation constant , segment length , segment width , segment height , and total arm length L definitions. The input impedance of each line segment and its characteristic impedance are expressed as 5:;n=1,2,N, (1) ;for (2)Where and is the equivalent antenna-line output impedance. The input and local reflection coefficients of the nth segment line are given by (3) （4）Using Eq. (4), the discrete voltage and current distribution functions over the antenna line are determined rapidly by the following equation: ； （5）The and coefficients are calculated iteratively in Eq. (6) by means of Eq. (7), which determines the initial values 2:Figure 1 Vivaldi antenna structure (3D illustration)Figure 2 Transmission-line antenna equivalent model；n=1,2,N, (6)(7)where is the excitation voltage at the antenna line feed and Zs is the source impedance. The integral equation techniques given in section 3 are used to reach full-wave analysis. In this way, the solution of radiation patterns, input reflection levels, and other antenna characteristics can be obtained more fast and reliably than by using 3D direct numerical techniques such as the method of moments (MoM) or the finite-element method (FEM) (see 5 for details).3. PARTIAL DIELECTRIC-LOADED VIVALDI ANTENNA DESIGNThe planar spirals, loaded dipole, bow-tie, butterfly, and TEM horn antennas are typical types of wideband antennas driving the vision of the impulse radar designers 1. The TEM horn, which consists of a pair of triangular- or circular-slice-shaped conductors forming a V-dipole, is one of the most popular antenna models for impulse GPR systems as a result of its wider band, higher gain, and narrower beamwidth characteristics than planar antennas 6. Nevertheless, a conventional TEM horn antenna usually exhibits band pass filterlike gain behaviour over a large bandwidth. Thus, dielectric-filling techniques are employed to improve the operational band, decreasing the lower cutoff frequency by increasing the electrical size 4. Furthermore, the PDTEM horn that uses the partial dielectric-loading approach promises to be the most preferred impulse GPR antenna due to at least twice the broadened bandwidth 5.The 3D Vivaldi and the TEM horn structures are very similar to each other 3. Therefore, the arm length L, the feed-point gap d, the conductor plate angle, and the elevation angle parameters illustrated in Figure 1 can characterize the Vivaldi antenna (VA) as well. Similar PLTLM procedure can be applied for the PDVA analysis, taking into consideration some differences in geometrical properties so that the plate and the elevation angles (,) are constant for the triangular-plate TEM horn and only the elevation angle is constant for the PDTEM horn, while both the plate and elevation angles are variable over the antenna line for the PDVA (Fig. 3). The far-field calculation procedure of the PLTLM is arranged for narrow plate-angle PDVA analysis by approximating the current densities linear along the antenna line (see Fig. 4 for the geometry and 5 for the verification results of the PLTLM) as follows: (8)where (9)For the far-field:.(10)(a)(b)Figure 3 Staircase modelling of PDVA: (a) side view; (b) top viewFigure 4 Antenna far-field analysis geometrySubstituting the Eq. (9) and Eq. (10) into the discreet form of the Eq. (8), one obtainsWhere (13)The following specifications basically yield the essential requirements for the multisensor adaptive impulse GPR antennas: (i) low input-reflection level and high gain characteristics over the broad band so as to achieve the maximum range, minimum ringing, and best impulse shape for the signal radiation; (ii) metal reduced antenna structure so as not to cause clutter for the EMI sensor; and (iii) adaptive structural design so as to avoid the high-pass filterlike waveguide behaviour of the GPR head box (which is wound by EMI sensor coils). Given this scope, the PDVA is introduced to obtain low voltage standing wave ratio (VSWR) and high directivity gain with stable performance over the ultra-wide band (Fig.5). The antenna geometry is designed to match the antenna output impedance Zout to the (nominal) feed-source impedance of 50, thus decreasing the segment characteristic impedances along the antenna line (Fig. 6). The widths , the heights, and the dielectrics of the antenna wing segments are determined properly using Eq. (2). This approach is quite effective for transforming the output impedance for higher frequencies where the electrical length of the antenna line is sufficiently long. The equivalent Zout is calculated using Eq. (14) as follows, and it is assumed as 377 (intrinsic impedance of free space) for small- and large-wavelength apertures, respectively 2, 5:（a）(c)Figure 5 PDVA geometry and dielectric profile: (a) side view; (b) top view; (c) front viewFigure 6 Segment characteristic impedances along the antenna linewhere h is the height of the antenna aperture. The antenna line is electrically short at lower frequencies and Zout extremely determines the input impedance. Because of its high values in this region, an optimized resistive sheet can be used as the aperture loading to extend the operational bandwidth. The lower resistance gives a broadened VSWR band due to the lowered starting frequency;nevertheless, this proportionally results in remarkable gain reduction over the whole band. The partial dielectric-loading configurations illustrated in Figure 5 and specified in Table 1 were proposed to improve the VSWR and gain characteristics at higher frequencies. Nylon was chosen as a lightweight material for the dielectric profile. The grating model antenna-wing approach,which reduces the metal amount of the GPR antenna without changing its characteristics, was implemented to prevent the clutter for the metal detector Fig. 5(b). The PDVA wings are more bent than the PDTEM horn wings as a structural feature. Therefore,most of the antenna line that carries the currents excited to radiate the impulse signal is much closer to the aperture. Consequently, the electromagnetic wave guidance of the coil-wound GPR head box is much less effective for the PDVA than for the PDTEM horn.The Vivaldi and TEM horn antenna configurations given in Table 1 were designed and the reflection and radiation performances were measured from 50 MHz up to 10 GHz, inside and outside the GPR head. The inverse FFT was employed to observe the impulse-radiation characteristics of the antennas.TABLE 1 UWB Vivaldi and TEM Horn Antenna DesignsFigure 7 UWB antenna-gain performances of the designed antennas4. RESULTS AND DISCUSSIONThe gain measurements of the PDTEM horn, PDVA, and Vivaldi antenna (VA) were done from 50 MHz to 10 GHz and the results are exhibited in Figure 7. The plots show that VA10 exhibits enough wideband characteristics from 500 MHz up to 6 GHz.However, its -3-dB and -10-dB antenna-gain bands are limited at the high-frequency region. Nevertheless, the gain band is obviously extended to higher frequencies by using the partial dielectric-loading technique so that PDVA10 attains twice the broadened UWB gain characteristics. Its -3-dB gain band is about 10:1 (600MHz to 6 GHz) and its -10-dB gain band is more than 25:1 (400MHz to 10 GHz). This gain-band improvement consequently yields twice the peak gain compared to VA10 with same physical size, as observed at the received 10-GHz impulse signal graph(Fig. 8).Figure 8 Time-domain transformation of for different receivers (transmitter: PDVA10)Figure 9 UWB VSWR characteristics of PDVA10 inside and outside the GPR headThe VSWR level of the antenna is another critical parameter for the GPR performance. The antenna input should be matched with the pulse generator in order to prevent corruption and ringing on the radiated signal. Such possible trouble leads to clutter for the near-zone GPR system, which means that the scattered signal from the subsurface object cannot be distinguished from the coupling signal. Figure 9 shows that the input reflection characteristics of the Vivaldi antennas are adequately good and PDVA10 can yield VSWR less than 2 (with an average value of 1.5) over the 15:1 frequency band without aperture loading. When the antenna is put inside the GPR head that acts as an absorber filled cavity, the lower cutoff frequency of the VSWR band is extended to 400 MHz and the PDVA10 can reach up to 25:1 bandwidth ratio. Thus, input impulse-reflection levels of about 0.15 can easily be achieved for a typical 3-GHz impulse GPR band (Fig. 10). Beyond that, it tends to 0.1 for the full band (10-GHz) transformation.The final measurement results express the waveguide effect of a typical 2530 cm rectangular GPR head box on the radiated impulse signal for the PDVA10 and PDTEM10. A 5050 cm metal plate was located at a 20-cm distance from the GPR head and the back-reflected signals were measured over the GPR frequency band (Fig. 11). This graph indicates that the GPR head strongly suppresses the operational band of the impulse radiation below the box cutoff frequency around 1.2 GHz. Using PDVA10 instead of PDTEM10 promises 515-dB gain recovery on this frequency region, which is critical for the detection of the deeply buried objects.Figure 11 Spectrum of the received GPR signal back-reflected from the metal plate5. CONCLUSIONIn this study, the Vivaldi antenna was proposed for multisensory adaptive-impulse GPR systems. The partial dielectric-loading technique has been applied for the Vivaldi structure to achieve UWB gain and input reflection characteristics. The PLTLM algorithm,which is based on the transmission-line modelling approach,has been used to design the PDVA quickly and reliably. It was shown that the PDVA is highly suitable for GPR systems combined with a metal detector. Furthermore, the gain and VSWR bands of the PDVA are clearly more impressive than the samesized empty Vivaldi, TEM horn, and even PDTEM horn antennas.Therefore, the PDVA is promising for powerful impulse radiation and can also be considered for significantly broadband radar or communication systems such as high-power-electromagnetic pulse (HP-EMP).REFERENCES1. D.J. Daniels, Surface penetrating radar, IEE, London, 1996.2. D.M. Pozar, Microwave engineering, 2nd ed., Wiley, New York, 1998.3. M. Manteghi and Y.B. Rahmat-Samii, UWB feeding mechanism for the TEM Horn antenna reflector IRA and the Vivaldi antenna, IEEE Antennas Propagat Mag 46 (2004), 8187.4. A.G. Yarovoy, A.D. Schukin, I.V. Kaploun, and L.P. Ligthart, The dielectric wedge antenna, IEEE Trans Antennas Propagat 50 (2002),14601472.5. A.S. Turk, Ultra-wideband TEM horn design for ground-penetrating impulse radar systems, Microwave Opt Technol Lett 41 (2004), 333336.6. A.S. Turk and A.K. Hocaoglu, Buried object detection, Encyclopedia of RF and Microwave Engineering, vol. 1, Wiley, Hoboken, NJ, 2005, pp 541559. 中文翻译:超宽带Vivaldi天线设计的多传感器自适应探地穿透雷达摘要： 本文介绍了部分介质加载维瓦尔第天线（PDVA）结构，保持超宽带天线特性在带宽比例大于25:1，从而改善多传感器自适应脉冲辐射特性的地面探地雷（GPR）的操作。 该PDVA介绍的是用于气象为了避免性能AL-探测器，探地雷达相结合的设计主管基于传感器的干扰退化。 它表明，高增益，低输入反射，并在广泛的信号振铃水平操作天线是为达到适当的介质和AB-A PDVA吸着