（电磁场与微波技术专业论文）陷波超宽带天线设计与研究.pdf

摘要 摘要 美国联邦通信委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 在2 0 0 2 年 4 月定义了超宽带u w b ( u l t r a w i d e b a n d ) 通信的频谱划分，近几年来，超宽带 技术在无线通信领域得到了很大的发展，基于各种结构的超宽带天线相继提出。 伴随着射频组件向着高集成度发展，由于在超宽带的频谱中包含了很多的无线窄 带通信频段，对具有阻带特性的超宽带天线的研究具有较大的实用价值。 本论文介绍了超宽带的定义及发展历史，并从历史发展和应用方向对超宽带 天线进行了划分，对超宽带天线的性能参数、指标等理论概念进行了总结，介绍 了超宽带天线的分析方法。针对超宽带天线的要求设计了两种超宽带平面印刷天 线和六种具有阻带抑制特性的超宽带天线。 本文首先设计了两款超宽带平面印刷天线，分别采用微带馈电和共面波导馈 电，通过在金属地上开槽和采用渐变结构和改变地板形状来分别优化两款天线的 阻抗匹配特性并对天线的尺寸进行了小型化处理。 其次，在这两款无阻带天线的基础上，通过在辐射贴片上开槽、辐射贴片上 加载枝节、馈线两边加载谐振结构和蘑菇形结构，设计了四款具有阻带抑制特性 的超宽带天线，通过对这四种结构的参数优化得到需要的阻带抑制特性，并对成 品进行了测试。 通过对不同结构的阻带性能的分析，在微带馈电的超宽带天线基础上设计了 一款具有双阻带特性的超宽带天线，采用加载枝节和谐振结构的组合，并对两者 问的影响进行了分析。 最后在共面波导馈电的超宽带天线的基础上，通过在辐射贴片上开出一个c 形和u 形槽，在介质板背面加载一个s r r 结构，设计了一款具有三阻带特性的 超宽带天线，对u w b 频段内的无线窄带频段w i m a x ( 3 3 3 7 g h z ) 、w l a n ( 5 1 5 5 8 2 5 g h z ) 和i t u ( 8 0 2 5 8 4 g h z ) 进行了阻带抑制，天线成品测试与仿 真结果匹配良好，且具有良好的辐射特性。 关键字：超宽带；平面印刷天线；陷波特性；双阻带；三阻带； a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu s f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o nd e f i n e st h es p e c t r u ma l l o c a t i o n o ft h eu l t r a - w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o n si na p r i l2 0 0 2 ，t h eu l t r a - w i d e b a n dt e c h n o l o g y o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sh a sb e e ng r e a t l yd e v e l o p e da n dt h eu w ba n t e n n a sb a s e d o nd i f f e r e n ts t r u c t u r e sh a v eb e e np r o p o s e di nr e c e n ty e a r s w i t ht h er a d i of r e q u e n c y c o m p o n e n t sh i g h l yi n t e g r a t e d ，t h eu w bs p e c t r u mc o n t a i n e dal o to fw i r e l e s s n a r r o w b a n dc o m m u n i c a t i o nb a n d s ，s ot h er e s e a r c ho fu l t r a - w i d e b a n da n t e n n aw i t h b a n d r e j e c t e dc h a r a c t e r i s t i c sh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e i nt h i st h e s i s ，t h ed e f i n i t i o na n dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fu l t r a - w i d e b a n dw a s i n t r o d u c e d ，t h eu l t r a w i d e b a n da n t e n n ah a sb e e nd i v i d e df r o mt h eh i s t o r i c a l d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ed i r e c t i o n ，t h eu l t r a w i d e b a n da n t e n n ap e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s ，i n d i c a t o r sa n do t h e rt h e o r e t i c a lc o n c e p t sa r es u m m a r i z e d ，t h ea n a l y s i so f u l t r a - w i d e b a n da n t e n n aa p p r o a c hw a si n t r o d u c e d t h et w ou w bp l a n a rp r i n t e d a n t e n n a sa n ds i xu w ba n t e n n a sw i t hb a n d r e j e c t e dc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e s i g n e d u n d e rt h er e q u i r e m e n t sf o rt h eu w ba n t e n n a f i r s t l y ，w ed e s i g n e dt w ou w bp l a n a rp r i n t e da n t e n n a su s i n gm i c r o s t r i p - f e da n d c o p l a n a rw a v e g u i d e f e d ，r e s p e c t i v e l y o p t i m i z e dt h ei m p e d a n c em a t c h i n go ft h et w o a n t e n n a sb ys m a l l - s c a l ep r o c e s s i n gt h es i z eo ft h ea n t e n n ab ys l o t t e do nt h em e t a l g r o u n dw i t hg r a d i e n ts t r u c t u r e sa n dc h a n g i n gt h ef l o o rs h a p e ，r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h e s et w oa n t e n n a s ，t h ef o u ru l t r a w i d e b a n da n t e n n a s w i t hb a n d r e j e c t e dc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e s i g n e db ys l o t t i n go nt h er a d i a t i n gp a t c h ， l o a d i n gm i n o ro nt h er a d i a t i n gp a t c h ，l o a d i n gr e s o n a n ts t r u c t u r eo nt w ob o t hs i d e so f f e e dl i n ea n dm u s h r o o m s h a p e ds t r u c t u r e t h eb a n d r e j e c t e dc h a r a c t e r i s t i c sw e r e a c h i e v e db yo p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ef o u rs t r u c t u r e s ，a n dt h ee x p e r i m e n t s w o u l db et e s t e da c c o r d i n g l y o nt h eb a s i so ft h em i c r o s t r i p - f e du l t r a w i d e b a n d a n t e n n a ，o n ek i n do f u l t r a w i d e b a n da n t e n n aw i t hd u a lb a n d r e j e c t e dc h a r a c t e r i s t i c sw a sd e s i g n e d b y a n a l y z i n gt h es t o pb a n d sp e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e s ，t h ec o m b i n a t i o no f l o a dm i n o ra n dt h er e s o n a n ts t r u c t u r e sw e r eu s e da n da n a l y z e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ec o p l a n a rw a v e g u i d e - f e du l t r a - w i d e b a n da n t e n n a ，o n e k i n do ft r i p l eb a n d n o t c h e dc h a r a c t e r i s t i c su l t r a - w i d e b a n da n t e n n a sw a sd e s i g n e db y 安徽人学硕l ：论文：陷波超宽带天线的设计j 研究 s l o t t i n gac s h a p e da n du - s h a p e do nt h er a d i a t i n gp a t c ha n dl o a d i n ga l ls r r s t r u c t u r e i nt h eb a c ko ft h ed i e l e c t r i cp l a t e w i r e l e s sn a r r o w b a n d 行e q u e n c yb a n d sw i t h i nt h e u w b b a n d ，s u c h 弱w i m a x ( 3 3 3 7 g h z ) ，w l a n ( 5 1 5 - 5 8 2 5 g h z ) a n di t u ( 8 0 2 5 8 4 g h z ) ，w e r er e j e c t e d ，t h ea n t e n n at e s t sm a t c hw i t ht h es i m u l m i o nr e s u l t s ，a n da l s o h a sag o o dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d ；t h e p l a n a rp r i n t e d a n t e n n a s ； b a n d - n o t c h e d c h a r a c t e r i s t i c s ；d u a lb a n d - r e j e c t e d ；t r i p l eb a n d - r e j e c t e d ； 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超宽带无线通信简介 本节就如何区分超宽带天线与一般窄带天线的区别，对超宽带天线的定义做 了介绍，并按照天线的不同用途、构造与功能对现有的超宽带天线进行了分类。 1 1 1 超宽带的定义 超宽带天线与一般窄带天线的区别首先体现在不同的带宽上，目前对于超宽 带的定义主要有两种，第一种是1 9 9 0 年由美国国防部研究发展部( d a r p a ) 项 目报告提出的，即指分数带宽超过2 5 的天线为超宽带天线f ，而2 0 0 5 的另一 种定义则由美国联邦委员会( f c c ) 提出，将其中的2 5 改为了2 0 ，即当满足 下式时，该天线就能称之为超宽带天线【2 1 。 b w = 2 丘丑艘5 删删 厶+ 【o 2 ，f c c ( 1 1 ) 式中，厶为天线的上限频率， 为天线的下限频率。 f c c 还补充了对于超宽带天线的另一种定义：任何工作带宽超过5 0 0 m h z 的 天线就为超宽带天线。根据f c c 的定义，上下线的工作频率为辐射功率比峰平 电值低1 0 d b 时对应的频率1 3 1 。 1 1 2 超宽带天线的分类 从天线的应用场合来 兑，超宽带天线可以分为3 类。第一类超宽带天线属于 “直流到阳光”型，这类超宽带天线一般被设计成具有很大的带宽，通常用于探 地雷达( g r r s ) 、测量场、电磁兼容( e m c ) 、电磁武器、脉冲雷达和隐蔽通信 系统等，这类天线的设计目的是位了覆盖尽可能宽的频段；第二种天线属于“多 频段、多窄带”类型，这类天线主要用于扫描或智能接收、检测某宽频段内存在 的无线窄带信号，设计的目的和第一类一样是为了接收更多的频段，但在某一时 问域内，只能使用单一窄带频段；第三种超宽带天线既是“现代超宽带天线”， 安徽人学硕一l 二论文：陷波超宽带天线的设计j 研究 此类天线一般都设计成至少有3 ：l 的带宽、用于f c c 所划归的3 1 , - , 1 0 6 g h z 的 u w b 频段。与第一类相比，具有很窄的带宽1 4 1 。 根据天线的形态和功能，又能分成4 个不同的类型【4 1 。 ( 1 ) 频率无关天线。此类超宽带天线的几何结构呈现“小尺度部分大尺度部 分 的变化形式，其中小尺寸部分控制高频工作特性，而大尺度部分控制天线的 低频工作特性，由于辐射场的等效源与频率相关，所以此类天线具有色散的表现。 这类天线包括螺旋天线、对数周期天线和圆锥等角螺旋天线等。 ( 2 ) 喇叭天线。此类超宽带天线相当于一种“电磁漏斗 ，它可以将能量几 种在某一特定方向上，来获得较窄的方向波束及较高的增益。但是用于体积较大 并且较笨重。因此这类天线较适合用于点对点的链路通信，微波暗室测试、或者 其它需要高增益辐射场型的场合。这类天线包括b o s e 原创的喇叭天线、布里渊 的同轴渐变喇叭天线等等。 ( 3 ) 反射器天线。这类超宽带天线同样也能将电磁波聚集到某一特定方向 上，从结构上来看，一般具有反射板结构，因此和喇叭天线一样具有较高的增益 和较大的体积。但是比喇叭天线简单一些，更易于调整。这类天线包括赫兹原创 的抛物面反射器天线等等。 ( 4 ) 小单元天线。此类超宽带天线具有体积小、某一辐射平面具有全向性等 特点、因而较适合用于无线传输等商业应用。此类天线的典型例子包括洛奇的双 锥与“蝴蝶结天线、马斯特的“钻石”形天线、斯托尔的球状和椭球天线、托 马斯的圆偶极子天线等。 1 2 超宽带天线的发展历史及研究现状 1 2 1 超宽带天线的发展历史 若想追溯超宽带天线的发展历史，就需要从天线的发展历史谈起。1 8 8 8 年 赫兹首先证实了电磁波的存在【5 1 。在接下来的几十年中，克鲁克斯和其他研究人 员推测了利用电报通信的可能性【6 1 。十几年后，无线电报通信诞生，而现代超宽 带系统正是这种无线通信的后裔p 1 。 最早的超宽带通信源自最早期的“火花| j 隙”时代，但是这种利用火花的放 2 第一章绪论 电间隙来产生正弦脉冲的发射机，并非通过严格设计出现的，而是偶然出现的， 超宽带脉冲是在发射射频信号的过程中不可避免产生的“副产物”。在火花间隙 时代，大批的科学家及发明家对天线领域作出了巨大贡献。例如赫兹在天线的设 计中，引入了反射器，并设计了抛物柱面反射别引。英国物理学家奥利弗洛奇在 赫兹的发现空间中的电磁波及马可尼取得成功的激励后，开发出了具有实用价值 的谐振式无线电系统，也即收发信机谐振到一个频率上，以此来获得最大的接收 信号。在此之后，洛奇发明了球状偶极子、方块偶极子、双锥( 或三角形、“蝴 蝶结”形) 偶极子1 9 】，同时提出了采用接地板结构的单极子天线的概念。印度物 理学家j a g a d i sc h a n d r ab o s e 在毫米波系统中扮演了先驱者的角色，1 8 9 7 年，在 伦敦王家学会的邀请中，b o s e 展示了他所设计的6 0 g h z 的无线电收发系统，其 中包括了“漏斗”状的首个喇叭天线，采用火花放电间隙作为发射器，利用半导 体结作为接收器【i 州。而意大利的工程师马可尼完成了首次商用长距离电报的收 发。相比于“火花间隙”时代的其它先驱，马可尼将无线电波在商业方面真正的 应用起来，与赫兹不同，马可尼最初设计的抛物面反射器和方板状天线具有良好 的接地【1 1 1 ，并采用了扇状和单锥状天线【2 1 ，并向体积更小、成本更低廉的细线 天线和环天线发展。 2 0 世界3 0 年代的“短波与电视时代”，无线电的频率超过了3 0 m h z 的界限， 并向更宽的频段发展，在洛奇原本设计的基础上，菲利普卡特提出来渐变馈电 的方法，提出了新型的渐变式馈电双锥天线【1 3 】。通过增加渐变阻抗变换装置，尼 尔斯林登命拉德发明了同轴角锥单元天线1 1 4 , 15 l 。谢坤诺夫在林登布拉德的基础 上设计了球状偶极子天线，通过采用“球状”结构将电流均匀分御在一个比一般 细线大得多的边而积上，因而具有更宽的宽带特性1 1 6 , 1 7 1 。在4 0 年代，一些科学 家发现“粗”结构的天线比细天线更能满足宽带要求i 1 8 i ，1 9 5 2 年，谢坤诺夫与 旁早斯等人设计了一系列偶、单极子天线1 1 9 】，并设计了一种改进的“泪滴形双 锥天线【2 0 1 ，约翰克劳斯设计了“火山烟”天线，可以获得5 ：1 的阻抗带宽和全 向辐射特性【2 i l 。4 0 年代，在b o s e 的喇叭天线设计基础上【2 2 】，阿尔奇金设计了 圆锥喇叭天线【23 1 ，马丁凯特泽恩发明了角锥喇叭天线2 4 1 。短波与电视时代使得 宽带天线的设计取得了长足的进步。 2 0 世纪5 0 年代初期，近代无线电时代来临，各种小巧、廉价并简单的超宽 带天线棚继提出。b j 兰们特在马可尼的方板状天线的基础上设计了方板状单极 安徽火学硕士论文：陷波超宽带灭线的嫂计j 研究 子天线【2 5 1 。维克多拉姆提出了著名的“等角原理，并设计出了螺旋天线及对数 周期天线【2 6 1 。乔治罗伯特和皮埃尔马罩发明出了渐变缝隙天线【2 7 】。沃尔特斯托 尔提出了结构相对简单的球状、椭球状偶极子和单极子天线【2 引。f a z i nl a n l e z a r i 、 查尔斯吉尔伯特和约翰罗杰斯引入了开槽圆板天线，即半圆板状平面天线f 2 9 1 ， 通过引入更连续的渐变单元结构，可以获得更好的低频响应特性。迈克托马斯 和罗纳德沃尔夫森引入了渐变的圆偶极子天线【3 0 1 。 1 2 2 超宽带天线及其陷波特性的研究现状 超宽带天线在各国学者多年的研究中涌现出了大量的设计，其中包含了各种 形状的新型天线，而大部分提出的天线都是平面结构，此结构大多采用微带缝隙 【3 1 ，3 2 1 、共面波导馈电【3 3 3 4 1 ，辐射体采用多点馈电、渐变结构f 3 5 7 1 ，使得平面结构 的尺寸小、剖面低、成本低、易于加工。而针对超宽带天线陷波特性的研究也成 为了当前超宽带领域的研究课题。 在f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 定义的u w b 频段 ( 3 1 1 0 6 g h z ) 内，包含了一些无线窄带信号频段，如w i m a x ( 3 3 3 7 g h z ) ，w l a n ( 5 1 5 5 8 2 5 g h z ) 以及i t u ( 8 0 2 5 8 4 g h z ) 等3 引。在实际使用中，超宽带系统 与无线窄带通信系统之间很有可能发生串扰，从而影响设备和系统的使用，大功 率的无线窄带通信系统发射机会影响u w b 系统接收机的j 下常工作，同样的， u w b 系统的发射机也会对较敏感的无线窄带通信系统的接收系统产生串扰。而 超宽带天线作为u w b 系统的前端设备，如果能具有滤除无线窄带通信频段的功 能，对于通信系统之问的规划，具有重要的意义1 3 9 1 。 近年来，各国学者对于具有陷波特性的超宽带天线进行了大量的研究和尝 试，出现了很多具有新意的超宽带天线。综合目前不同文献中的设计思想，可以 看出主要通过以下几种方式来实现具有阻带特性的u w b 天线： ( 1 )滤波器与天线集成1 4 0 , 4 1j 。 这种方法通过在天线馈线端加入不同的滤波器结构来实现天线对于窄带通 信的频段抑制，但是这种方法会增大天线的体积，同时当加入滤波器后，有可能 造成天线的整个频段的恶化，而对于某些频段较窄的通信频段，简单的滤波器结 构难以实现陡峭的滤波特性。 4 第一帝绪论 【a )【b ) 图l i 文献 4 3 1 1 4 4 1 提到的滤波器结构 ( 2 ) 在天线的合适位置加载枝节【4 2 4 4 1 。 这种方法通常用于平面微带或者共面波导印刷单极子天线中，通过在天线的 贴片或者馈线的合适位置加载不同形状和长度的枝节，来对天线实现需要的阻带 抑制特性，在相应的阻带频段内，增加的枝节改变了天线贴片上原本的电流和相 位分布，从而对需要的频段实现阻带，相当于在原本的传输线结构中加载电容， 产生串联谐振。 图l - 2 加载枝节实现阻抗抑制特性”副 ( 3 ) 在天线的辐射单元上开槽【4 5 。7 1 。 这种方法在目前的带阻超宽带天线的研究中比较常见，在天线的辐射单元上 丌出不同长度和形状的槽，当天线频率在阻带中心频率时，槽两边的电流方向相 反，从而影响天线本身的辐射状态。通过改变槽的长度和宽带可以较容易得到需 要的抑制频段。试验表明，在天线表面电流较密集的区域丌槽的效果较好。 安徽大学硕二f ：论文：陷波超宽带天线的设汁j 研究 _ 1 n 。 e 瑚至0 y 椎 h 硼： 图1 3 具有开槽结构的带阻超宽带天线4 5 删 ( 4 ) 在天线的合适位置加载耦合单元【4 8 , 4 9 】。 ( b ) 丐 | | t 。 这种方法主要是利用加载的单元与天线本身辐射单元的耦合效应，当天线处 于阻带频率时，耦合单元上的电流分布与天线本身辐射单元上的电流分布相反， 从而实现频段阻断特性，通过改变耦合单元的长度和宽带，可以得到需要的阻带 频段。 ( a ) l o pl a x - e r( h ) t 3 0 t t o ml a 5 e r 图1 4 加i 载耦合枝节的带阻超宽带天线1 4 s 4 9 1 ( 5 ) 利用人工电磁结构的禁带效应【5 0 , 5 1 】。 这种方法主要是利用人工电磁结构在不同频段具有禁通效应、谐振或反谐振 特性，与超宽带天线的结构结合，使得天线在较宽的频段具有滤除某一干扰频段 的特性，此种结构小巧，并不会过大增加天线的体积，例如蘑菇形结构 ( m u s h r o o m ) 和丌口谐振环结构( s r r ) 。 6 +kn，一几训些旷 i ”1 第一章绪论 1 3 本课题的内容安排 论文的具体安排如下： 第一章作为绪论，介绍了超宽带的定义，通过功能和应用对超宽带天线进行 了分类，并介绍了超宽带天线的研究背景和陷波技术的研究现状。 第二章主要介绍了超宽带天线的两种馈电技术以及超宽带天线的基本参数， 并总结了超宽带天线设计中的分析方法。 第三章设计了采用微带馈电和共面波导馈电的两款u w b 天线，使用仿真软 件对参数进行了优化，并对两款天线进行了分析与实测。 第四章在第三章设计的两款天线的基础上，分别采用加载枝节、加载耦合单 元、在辐射贴片上开槽、利用人工结构的禁带效应设计了具有单一阻带的超宽带 天线，并在此基础上设计了具有双阻带和三阻带特性的超宽带平面印刷天线，对 天线参数进行了优化，对陷波原理进行了分析，并制作出了实物，进行了实测。 7 安徽人学硕 ：论文：陷波超宽带天线的设计j - 谚f 究 第二章超宽带天线理论分析 2 1 天线基本参数： 本节主要讨论天线的基本特性，并研究如何将它们用于描述超宽带天线，这 些特性包括了天线的带宽、匹配、方向图、方向性系数、效率和增益等。本章从 窄带、频域的观点上介绍上述的特性参数，同时解释如何用于超宽带。 2 1 1 天线的带宽 超宽带天线与其它天线最大的区别在于它的带宽相对来说会非常的宽，所以 对于超宽带天线的理论参数研究完全可以从超宽带天线的阻抗带宽开始。 一般来说，天线的带宽( b w ) 指的是天线的上限工作频率( 厶) 与下限工 作频率( 兀) 之差： b w = 厶一无 ( 2 1 ) 例如一个工作于五= 5 0 0 m h z 到 = 1 5 g h z 的超宽带天线，则按照这种定义 则具有1 g h z 的带宽。 对于具有超大工作带宽的超宽带天线来说，还有其它的表达或者定义来描述 天线的带宽，其中一种定义为天线的上下限工作频率比值： b w = 厶：( 2 2 ) 例如一个工作于 = 5 0 0 m h z 到 = 1 5 g h z 的超宽带天线，可以说成足具有 3 ：l 带宽的超宽带天线，而在平时的描述中，具有2 ：l 带宽的天线可以称为具有 “一倍频程”，5 ：1 时称为“5 倍频程”。 有些时候也可以采用天线的相对中心频率丘的百分比束描述，当采用线性 坐标来描述时，中心频率一般定义为天线的上下限频率的算术平均值：当采用对 数坐标来描述时，定义为上下限频率的几何平均值： 六= 去帆一一) ：z ( 2 3 ) j c 2 删| q j 吣 8 第二章超宽带天线理论分析 例如对于一个工作于无= 5 0 0 m h z 到厶= 1 5 g h z 的超宽带天线，中心频率的 算术平均值为厶= 1 g h z ，而几何平均值为尼8 6 6 m h z 。一般来说，中心频率通 常采用算术平均值。 超宽带系统也可以用分数带宽来表示，即带宽与中心频率的比值，或者直接 以百分比的形式出现： b w = 掣 ( 2 5 ) jc b w ：掣1 0 0 ( 2 6 ) ) c 则在上面提到的 = 5 0 0 m h z ，厶= 1 5 g h z 的例子中，正采用算术平均值， 则相对分数带宽为： 址等= 学= 2 而f , , - l = ( 2 7 ) l cl c h 七l l 、一 而百分比带宽b w = 1 0 0 。若正采用几何平均值，相对分数带宽则为： b w = 掣：4 丝：一1 0 0 0 ：1 1 5 ( 2 8 ) f c遗 h l 8 6 6 7j 因为几何平均值总是小于算术平均值，所以采用几何平均值计算的相对分数 带宽数值大于采用算术平均值的数值。 在天线带宽的描述中上下限工作频率的定义具有不同的定义方法，可以用阻 抗、方向图、增益和辐射带宽来定义。因此，在不同的应用场合采用综合的能诈 确考查天线特性的定义方法，才是有效的。 一种方法是通过阻抗带宽来定义天线的带宽，例如定义天线的带宽为回波损 耗不大于1 0 d b ，则在不超过这种方法的情况下，天线所能达到的最高和最低频 率即为天线的上下限工作频率。本文中描述的天线带宽的上下限频率即为这种定 义方法。 另一种定义的方法采用的是“增益带宽”。对于增益恒定的天线系统束说， 上下限工作频率对应的是增益波动不超过通带内恒定增益值3 d b 或者1 0 d b 所 对应的频点。此种方法对于某些增益值随着频率升高而增高的恒孑l 径天线而吉， 随着频率的升高，天线的增益每倍频程增加6 d b ，如果要指定一个合适的增益值 作为恒定增益值得截断值，会变得比较网难。 9 安徽人学硕 ：论文：陷波超宽带天线的设计j j 研究 此外，还可以采用方向图带宽来描述天线的带宽。上下限工作频率定义为天 线方向图满足某一特定变化指标的频率，例如天线方位角面增益的3 d b 变化带 宽，和第二种方法一样，难以得到一个合适的定义值来截断工作频率。 而f c c 从辐射功率的角度给出了一种定义【5 2 1 ，在提案报告中规定了超宽带 系统的“1 0 d b 功率带宽”，其中，超宽带系统的上下限工作频率定义为辐射功 率比中心峰值辐射功率降低1 0 d b 对应的频率。f c c 规定当1 0 d b 功率带宽大于 5 0 0 m h z ，或者百分数带宽大于2 0 即为超宽系统，其中的中心频率采用的为算 术平均值。 2 e 1 2 天线的匹配 天线的阻抗匹配是另一个重要的天线参数。作为射频系统的前端组件，如果 要得到最高的功率传输和效率，天线和传输线之间必须具有良好的匹配，不良的 匹配特性会导致超宽带系统产生不必要的反射信号，造成传输能量损失。天线阻 抗匹配的好坏通常通过驻波比( v s w r ) 和反射系数f ( s 1 1 ) 来度量。 天线阻抗( z 月) 定义为天线输入端的电场强度和磁场强度之比，而传输线 阻抗( z 。) 定义为在其上传输的信号的电场强度和磁场强度的比值。因为信号 的电场与磁场并不一定同相。所以z _ 和z 。通常为复数。如果两者不相等，则在 天线的输入端存在失配现象，一部分信号被反射回去，这种反射的现象通常用反 射系数( f ) 来表征。反射系数等于反射信号幅度( ) 与传输信号幅度( z o ) 之比： r 一苦= 焉 亿9 ， 氓 z a + z o 、。 反射系数与天线阻抗、传输线阻抗的关系如上式所示，由于反射信号与传输 信号不一定同相，所以反射系数通常也为复数。图2 1 给出了反射系数各参数之 间的关联： 相对于反射系数来说，回波损耗或s 11 与之成平方关系，用d b 的方式来表 征回波损耗即： l o g m a g s l i = 2 0 1 0 9 l s l i l = 2 0 1 0 9 i r i = 1 0 1 0 9 l r 2 i ( 2 1 0 ) l o 第二章超宽带天线理论分析 传输线 辐射场 天线阻抗z 月 自由空间阻抗 z ，= 3 7 7 q 图2 - l 天线反射及失配取决于传输线和天线阻抗 而另个一描述天线匹配特性的参数为驻波比( v s w r ) ，定义为在阻抗不连 续造成的驻波状态下，电压最大幅度值与最小幅度值的比值，假设天线与传输线 之间完全匹配，则驻波比为l ：l ，反射系数为o 假定出现失配现象，反射电压的 幅度是辐射电压的一半，则反射信号对于传播信号既有叠加的部分，使得合成信 号的幅度为原入射波幅度的1 5 倍，又有抵消的一部分，使得合成信号的幅度为 原入射波幅度的0 5 倍，则最大幅度值与最小幅度值的比值为3 ：1 。电压驻波比 v s w r 与反射系数r 之间的关系如下所示： 1 + i f i 坯眦2 甜( 2 1 1 ) 由反射系数、回波损耗和驻波比的定义可知，当天线与传输线之间有1 0 的能量反射回来时，f = o 3 1 6 2 ，s 1l = 1 0 d b ，v s w r = 2 。 综上所述，通常我们定义天线的匹配带宽为天线回波损耗大于等于1 0 d b 的 带宽，而此时，r 兄、 r 天线口面的线度) 的辐射球面，此时电场和磁场函数仅与万，庐分量相关， 分别为： e = + 洱 ( 2 1 2 ) 日= 垠r e ) = ! r 晦一蚓 ( 2 1 3 ) 、。 r 213 、 此时天线辐射场远区的坡印亭矢量为 尸= 扣疗) = 尹去6 刊邑1 2 ) 亿 因为天线远区场为球面波，且远区场强与r _ 1 成正比，所以电场的两个分量 可以写成 厶：趔p 一步 r ( 2 15 ) 匕：剑p 一少 上两式中毛p ，缈) ，乞p ，妒) 为乡，缈的实函数。将两式代入坡印亭矢量，则式 ( 2 1 4 ) 可改写为 尸2 南6 厶+ 缈) l ( 2 1 7 ) 由于p 似妒) 与半径r 及秒，缈有关，令 阳2 户2 驰+ 牌缈) i ( 2 。8 ) 则称其为天线的功率辐射方向图，它代表单位立体角内的辐射功率。归一化 后，得到归一化后的辐射方向图为 聃= 揣2i p ( 2 1 9 ) 1 4 第二章超宽，带天线理论分析 布；而电小偶极子天线的方向图函数e p ，缈) = s i n 2p ，与h 面无关，即与伊无关， 令ep ，缈) = s i n 2 乡= 0 5 可以得到半功率点( - 3 d b ) 点位于口= + 4 5 。处。波束宽度 只= 两1 6 易1 2 + l 圳，2 饱 ( 2 2 0 ) 其中，q 是立体角且d q = s i n 倒甜缈。为了简化公式，可以定义辐射强度为 u p ，缈) = 茜6 局1 2w ) ( 2 2 。) u p ，伊) = u mi t ( o , 缈) 1 2 ( 2 2 2 ) 式中u m = u h + ) ，表示给定方向上单位立体角的最大辐射强度，式 只= i y o , 妒= u 。胪 缈) 1 2 m ( 2 2 3 ) 驴击u 伊q = 丢 ( 2 2 4 ) 。= 糕2 静2 1 亿2 5 ， 安徽人学硕：论文：陷波超宽带天线的殴汁! j 研究 表2 - 2 几种典型天线的方位图函数、方向性系、场形 天线方位图函数只p ，妒)方向性场形 点源天线 1 1 0 0 ( 0 0 0 d b i )各向同性 a 4 5 。1 3 5 。 电小偶极子 s i n 29 1 5 0 ( 1 7 6 d b i ) 矽：全向 半波振子 c o s 2 ( 口) 1 6 4 ( 2 1 5 d b i ) 8 5 1 1 2 9 。 仍全向 s i n 2 乡 缺4 5 。1 3 5 。带有反射器的振 s i n 2 秒c o s 2 至 3 0 0 ( 4 7 7 d b i ) 子 2 仍- 9 0 。9 0 。 扇形状或笔状波 l 幺ps 岛 3 2 4 0 0b 岛岛 【识矽欢 一岛) ( 办一欢) 伫以办 束天线 o 2 1 4 天线的效率和增益 在实际的应用中，由于天线本身材质具有损耗和不匹配总是存在，天线的辐 射功率总是小于馈入天线的功率昂，因此定义天线的效率为辐射功率与 输入功率圪的比值： ，7 ：鱼：里 。巴d ( 2 2 6 ) 在窄带系统中，对于输入功率可以假设天线工作在谐振频点上而略去电抗分 量的影响。原理上可以通过窄带匹配网络来消除因为失配引起的反射功率 ( r 触，副) 。基于此种假设，外加功率被天线全部接收： ”鲁2 告2 苦 亿2 7 ， 外加功率( 耐) 等于接收到的功率( 匕叫“) ，而接收到的功率不是以能 量辐射出去( ) ，就是被天线材质本身的损耗耗散掉( ，) ： 兄= e a p p h e d2p a c c e p t e d2 + ( 2 2 8 ) 进一步对超宽带系统而言，也就是“宽带谐振”的天线，其失配造成的反射 损耗不可忽略，所以对于超宽带的情况，更准确限l 夕f 、加功率分配t 痔7 兑如下式所示： 1 6 第- 二章超宽带天线理论分析 最= p a p p t i c d2 p a c c e p t e d2 删+ + ( 2 2 9 ) 而更准确的效率定义为： 仇专2 告2 丽e r a d苦 亿3 。， ( 2 2 6 ) 式中，g 为天线增益，由于辐射功率e r a d 总是小于输入功率p i l l ，所 以实际中的天线增益总是小于天线方向性参数。对于理想的各向同性天线，增益 与方向性系数相等，此时效率r = 1 。对于损耗等参数已知的天线来说，方向性 越强，将能量集中在某一特定波束的能力越强，天线的增益也就越高。增益与方 向性的关系正是能量守恒原理在天线系统中的体现。 增益的定义为，在加入相同功率的条件下，真实的有耗天线辐射的功率密度 与理想的各向同性天线辐射的功率密度之比： g 缈) = 掣 ( 2 3 。) 式中s 为理想无耗各向同性天线在距离天线半径为r 的球面上的均匀辐射功 率密度： s ：三 4 n r 2 ( 2 3 2 ) 由此可将增益表达式变换为： g 伊) ：等掣 1 i n ( 2 3 3 ) 因为真实的有耗天线辐射的功率为： = f p p ，缈) r 2 d q 4 ； ( 2 3 4 ) 将式( 2 3 3 ) 代入上式得： g 小仇赫 4 ； ( 2 3 5 ) 再由方向性的表示式( 2 2 6 ) ，可以得到增益与方向性的关系 g 缈) 2 仇o ( o ，妒) ( 2 3 6 ) 1 7 安徽人学硕j ：论文：陷波超宽带天线的设计j j 形f 究 2 2 超宽带天线的几种馈电方式 微带天线一般应用在1 g h z - 5 0 g h z ，与其它天线相比具有体积小，剖面低、 易于加工等优点，其中，平面印刷微带天线在超宽带领域中有广泛的应用，相对 于平面单极子的立体体积来说，平面结构更加易于射频组件的集成，而本文设计 的平面印刷天线分别基于微带馈电( m i c r o s t r i p - f e d ) 和共面波导馈电( c p w - f e d ) ， 本节分别对这两种馈电方式进行介绍。 2 2 1 微带馈电 大多数超宽带天线只在介质基板的一面上有辐射单兀和馈电结构，而地板在 介质基板的另一侧，如图4 一所示，微带馈线的宽度为盯、特性阻抗为z c ，介质 板的高度为h ，介质板的介电常数为占，微带线的厚度为t ，如果将微带线看作无 厚度，则微带线宽度可以通过下式来计算： 彳= 斋( 钭5 + 署( 0 2 3 + 詈) 亿3 7 ， 3 7 7 ，r b = 声 2 z c 占， ( 2 3 8 ) 当满足a 去时， 旦：兰+ t - l ( 2 + i n 2 h 、i hh n h ， 1 8 ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 中引入校 ( 2 4 1 ) 第二章超宽带天线理论分析 当满足詈 土2 n 时，力 2 2 2 共面波导馈电 盟h = 兰h + 去( 2 + - n 竿)砌l ， ( 2 4 2 ) 在超宽带天线的设计中，同样会采用这种馈电方式，对称结构的共面波导传 输线是由c p w 色n 在1 9 6 9 年提出的，该平面传输线是由介质基板上同一侧中心 的金属导带，和两边作为接地板的金属贴片组成。共面波导有很多的优点：此类 天线相对于微带馈电的天线具有更宽的带宽，较低的辐射损耗、有利于提高天线 的效率；结构处于基本的同侧，易于加工制造；对于规定的基板，金属导带的宽 度s 和缝隙宽度w 决定了传输线的特性阻抗，这一结构利于优化微带线的色散 特性，并更易于与射频组件的集成。共面波导馈电方式在现今的平面天线设计中 被广泛采用。 共面波导中的电磁分量j 下在一定条件下( 调节导带宽度) ，场的纵向分量很 小，其中传播的电磁波可近似看成为t e m 波。介质基片的厚度为h ，相对介电 常数为q ，信号导带的宽度为，导带与金属纸板之间的缝隙间隔为 ( 一，。) 2 。共面波导的阻抗特性由这些参数决定，利用保角映射，可以得到 下列表达式： 设七。= 可h t ) l ，k o - 4 i - k 0 2 ，z o 为特性阻抗，c 为电容 毛2面sinh丽(a,w，,4h)，净,i-k,：k 。 ( 2 4 3 ) 。 s i n h i 删4 厅)；=，i 则特性阻抗和电容为： z o2 面3 0 丽k ( k o ) ( 2 4 4 ) 岛巳矧 亿4 5 ， 可以通过下式来计算第一类完全椭院i 函数k ( k ) 和第一类完全椭圆余函数 1 9 安徽人学硕1 ：论文：陷波超宽带天线的设计j i i ) f 究 k ( k 7 ) 的比值： k ( k ) 二- = k ( 七) 坤( 哩竹靠) 一o 5 “引 ( 2 4 6 ) 衫- n 2 ( 1 + 届) ( 1 一拓) o 如o s 。 乞为共面波导介质板的相对有效介电常数 铲- + 掣锱黜 2 3 超宽带天线的设计要求及分析方法 ( 2 4 7 ) 本小节主要对超宽带天线的设计要求和分析方法进行了简要介绍，本文所设 计的超宽带天线基于此设计要求。 2 3 1 超宽带天线的实际要求 在超宽带天线的实际设计中，上一节所提到的天线参数需要充分的考虑到， 但由于超宽带天线与传统窄带天线具有极大的不同，不能将窄带天线的设计完全 用于超宽带天线的设计中，因此给超宽带天线的设计带来了极大的挑战，具体体 现在以下几个方面： ( 1 ) 要求有极宽的阻抗带宽。传统窄带微带天线的带宽一般仅有百分之几