（电磁场与微波技术专业论文）uwb天线的分析与设计及信号在限定空间的传播研究.pdf

上海大学硕 学位论文 摘要 由于许多独特的优势，超宽带( u w b ) 技术成为现在无线通信中的一个研 究热点，并将成为未来短距离无线通信的首选技术。而其中u w b 天线是系统 的关键器件之一；由此而产生的信号在限定空间传播问题亦有待研究。本文工 作主要包括三部分内容。 首先，在回顾和分析了一系列u w b 天线的基础上，提出了一种新型的圆 盘偶极子印刷u w b 天线，对其工作原理做了初步分析。用f d t d 法和基于f e m 的商业软件进行仿真设计，仿真和测试表明该天线在整个u w b 频带范围 ( 3 i g h z - 1 0 6 g h z ) 回波损耗小于1 0 d b ，并且具有较一致的全向的辐射特性和 增益。基于此结构设计了一副具有阻带( 5 1 g h z 5 6 g h z ) 特性的u w b 天线。 其次，使用基于f d t d 的x f d t d 软件和基于射线跟踪法的w i r e l e s si n s i t e 软件研究了u w b 信号在室内的传播特性，并进行了实验。研究表明室内多径 效应明显，接收信号强度和距离，以及天线的增益、方向图等因素有关，金属 障碍物对信号接收影响巨大。 最后，研究了毫米波在圆形隧道内传播特性。使用w i r e l e s si n s i t e 软件对不 同隧道模型中接收信号强度、路径损耗和时延扩展进行了讨论，并且在上海地 铁隧道内做了实验测量。研究表明，为了提高毫米波信号的接收强度，在隧道 中适用垂直极化；列车本身对毫米波信号的传播影响不大；隧道的弯曲会影响 毫米波的传播，应该在视距范围内加装中继装置。 关键词：无线通信，超宽带，印刷天线，信号传播，限定空间，毫米波。 v 上海大学硕上学位论文 a b s t i 认c t t h eu w b ( u l t r a - w i d eb a n d w i d t h ) c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e sh a v eb e e np a i d m u c ha t t e n t i o nr e c e n t l yd u et om a n ya d v a n t a g e s ，a n dw i l lp l a y8 1 1i m p o r t a n tr o l ei n t h es h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i nw h i c ht h ec o m p a c tu w b a n t e n n a sa r et h ek e ya n dc h a l l e n g i n gc o m p o n e n t s t h es t u d yo f s i g n a lp r o p a g a t i o ni n t h el i m i t e ds p a c ei sa l s on e c e s s a r y t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e sf o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： f i r s t l y , b a s e do i lt h er e t r o s p e c t i o na n da n a l y s i so f m a n y k i n d so f u w ba n t e n n a s ， an o v e lu w b ( u l t r a - w i d eb a n d w i d t h ) a n t e n n ao fd o u b l e - p r i n t e dc i r c u l a rd i s ci s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r s o m er e a s o n a b l et h e o r e t i c a le x p l a n a t i o n sa r ep r o p o s e d f d t da n dt h ec o m m e r c i a ls o f t w a r eb a s e do nt h ef e ma r eu s e dt od e s i g na n d o p t i m i z et h ea n t e n n a t h em e a s u r e dr e t u r nl o s sl e s st h a n - 1 0 d bf r o m3 1 g h zt 0 1 0 6 g h zi so b t a i n e d w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t e do n e t h ea n t e n n aa l s o h a si s o t r o p i cr a d i a t i o np a t t e r n sa n df l a tg a i nb e t w e e nt h i su w bb a n d w i d t h a m o d i f i e du w ba n t e n n a 谢t l lan o t c h e db a n d ( 5 1 - 5 6 g h z ) h a sa l s ob e e nd e s i g n e d s e c o n d l y , t h es o f t w a r eo fx f d t db a s e do i lf d t da n dw i r e l e s si n s i t eb a s e d o i lr a yt r a c i n gh a v eb e e nu s e dt os i m u l a t et h eu w bs i g n a lp r o p a g a t i o ni nt h e i n d o o re n v i r o n m e n t sw i t ht h ee x p e r i m e n t sh a v i n gb e e nc o n d u c t e d w ec a nc o n c l u d e t h a tm u l t i p a t he f f e c t sa r es t r o n gi nt h ei n d o o re n v i r o n m e n t s t h er e c e i v e dp o w e ri s r e l a t e dt ot h ed i s t a n c ea n dt h eg a i na n dp a t t e r no ft h ea n t e n n a s t h em e t a lb a r r i e r s a f f e c tt h es i g n a lp r o p a g a t i o ns t r o n g l y f i n a l l y , t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i l l i m e t e rw a v ei n v a r i o u s c i r c u l a rs e c t i o nt u n n e l sh a v eb e e na n a l y z e d t h er e c e i v e dp o w e r , p a t hl o s sa n dd e l a y s p r e a di nd i f f e r e n tk i n d so ft u n n e lm o d e l sa r ed i s c u s s e di nd e t a i lu s i n gt h ev e r i f i e d s o f t w a r eo f w i r e l e s si n s i t e t h et e s tr e s u l t si ns h a n g h a is u b w a ya r ea l s op r o v i d e di n t h et h e s i s t h es t u d ys h o w su st h ec o n c l u s i o n st h a tv e r t i c a lp o l a r i z a t i o nw a v ec a n i n c r e a s et h er e c e i v e dp o w e ro fm i l l i m e t e rw a v ei nt h et u n n e l s ，a n dt h et r a i ni t s e l f w i l la f f e c tt h es i g n a ll i t t l e ，b u tt h ec u r v a t u r eo ft h et u n n e lw i l lm a k eb i ge f f e c t sa n d v l 上海大学硕 学位论文 t h er e p e a t e r ss h o u l d b ea d d e db e t w e e nt h es i g h td i s t a n c e s k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , u l t r a - w i d eb a n d ( u w b ) ，p r i n t e d a n t e n n a s ，s i g n a lp r o p a g a t i o n , l i m i t e ds p a c e , m i l l i m e t e rw a v e v i l 上海大学硕 学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弦堑纽日期：单 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趣导师签名：辫日期：主掣 i l 上海大学硕t 学位论文 第一章绪论 众所周知，无线电的频谱资源是有限的，而无线通信的需求却在爆炸式地 增长着。因此，需要有一项新技术可以为无线通信打开一片新的天地。目前来 看，超宽带( u w b ) 技术是解决这一问题的好方法。u w b 技术并不是一种崭 新的技术甚至可以追溯到无线通信的初期，波波夫、马可尼发明越洋无线 电报的时代，在2 0 世纪6 0 年代，美国军方开始将u w b 技术应用于雷达、定 位和通信系统中，而近年来u w b 技术在民用领域逐渐显现出其广阔的应用前 景 1 】。 1 1u w b 无线通信的特点 1 1 1u w b 系统的特点 u w b 系统之所以会取得如此大的关注在于其优秀的信号传输特性。f c c ( 美国联邦通信委员会) 开放u w b 民生用途的频带包括： ( 1 ) 短程通信及测量系统为3 1 - 1 0 6 g h z 。 ( 2 ) 成像系统，地下探测雷达，医疗，安全用途( 限制使用者) 为9 6 0 m h z 以下，1 9 9 g h z 或3 1 1 0 6 g h z 。 ( 3 ) 车载雷达系统，汽车防撬雷达等为2 2 - 2 9 g h z 。 其中以3 1 1 0 6 g h z 的短距离无线通信系统最具有吸引力，成为研究的最热点。 和传统的窄带通信相比，u w b 系统具有巨大的带宽。其本质是一种不用载 波，而采用时间间隔仅为几个纳秒到几个皮秒的短脉冲进行通信的方式。具有 以下的特点： ( 1 ) 超宽带宽 定义绝对带宽b w 和相对带宽玎和分别为 b w = e 一巧 ( 1 - 1 ) r l = 2 x ( f h 一巧) ( e + 1 5 , ) ( 1 - 2 ) 上海大学硕士学位论文 其中，e 和巧分别为系统的高端频点和低端频点。u w b 系统要求相对带宽叩大 于2 5 ，或绝对带宽b w 大于1 5 g h z 。 ( 2 ) 传输速率高 最大传输速率可达几百m o p s 甚至g b p s 。在1 0 m 距离范围内的峰值速率为 5 0 m b i t ，s ( 3 ) 发射信号功率谱密度低 使用简单的间歇脉冲收发数据使得功耗大大降低。仅为手机、无线 l a n ( l o c a la r e a n e t w o r k ) 的1 1 0 到1 1 0 0 。 ( 4 ) 安全性强 由于一个很窄的脉冲在频域上可以将信号能量从低频一直扩展到相当高的 频率上，发射信号在相当大的频段范围内平均发布，被淹没在环境噪声中而很 难被检测到，具有很强的保密性。 ( 5 ) 容量大 由香农理论可知，系统性能随带宽的增加是线性的： p c 2 曰眦g ：( 1 + 妒 ( 1 _ 3 ) 由于u w b 信号带宽一般是现有系统带宽的数千或数万倍，因此u w b 通信可 用很低的发送功率达到传统窄带通信无法达到的信道速率，实现大容量通信。 ( 6 ) 抗多径传播 u w b 系统的n s 级的脉冲使多径信号能在时间上进行分离，具有较高的穿 透力，可以穿透墙壁和其他物体，使得u w b 技术还可用于定位、车辆防撞、 测距、透视等方面。 ( 7 ) 成本低 u w b 系统通过发送a s 级脉冲来传输数据，不使用载波电路，无需复杂的 调制解调电路和滤波器等，故设备简单；系统几乎可以全数字化，非常适于芯 片集成化。发送功率低，故成本比较低。 表1 - 1 为u w b 系统和其他短距离通信系统的特性的一些比较【2 】。从表中 我们很明显就可以看出u w b 系统在短距离无线通信领域中的优势。 2 上海丈学硕士学位论文 表1 - 1u 耶系统和其他短距离通信系统特性的比较。 i e e e 8 0 2 1 l ab l u e t o o t hh o m e r fu w b 传输速率 5 4 m b p s小于1 m b p s1 - 2 m b p s可高达5 0 0 m b p s 通信距离1 0 m 1 0 0 m1 0 m5 0 m小y - 1 0 1 n 发射功率 1 瓦以上1 毫瓦一1 0 0 毫瓦l 瓦以上1 毫瓦以f 空间容量 8 0 k b p s m 23 0 k b p s m 25 0 k b p s m 21 0 0 0 k b p s m 2 计算机等家庭和 家庭语音和数据 应用范围无线局域网近距离多媒体 办公室设备互连流 笔记本，台式电笔记本，移动电 笔记本，无绳电 无线电视，d v d 终端类型脑，掌上电脑和话，掌上电脑，话，无线音箱，高速，因特网网 因特网网关移动设备移动设备关 c i s c o ，l u c e n t ,e r i c s s o n , n o k i a , a p p l e ，d e l l ，i n t e l ，m o t o r o l a ， 主要支持公司 3 c o l nm o t o r o l a c o m p a qs o n y , s h a r p 1 1 2u w b 天线的设计要求 u w b 天线是u w b 系统的关键器件之一，也是最具挑战性的部分。传统天 线仅为窄带系统设计，辐射窄带信号。如果窄脉冲加在这样的天线上，信号会 严重的失真，不适合在u w b 系统中使用。 在u w b 系统中，天线其实也是一个重要的脉冲整型滤波器r ( p u l s e s h a p i n g f i l t e r s ) 。信号在频域上的任何由天线造成的失真都会导致在传输过程中信号的 失真，从而导致了在接受端要恢复信号而增加检波部分的复杂度 3 】。 u w b 天线的性能必须符合u w b 信号的一系列的特点。要求辐射脉冲保持 激励信号性状、失真小；在很宽的频带内，天线输入端反射信号要小，在一定 方向上辐射信号的幅度应尽可能大、一致性好，且其增益要保持一定的平坦度。 以往的喇叭天线或单锥双锥天线都具有相当好的宽带特性，但是其体积的庞大， 不适应当l 订无线通信系统的要求。所以，u w b 系统急需小型化的专用天线。 上海大学硕士学位论文 1 2u w b 技术的发展简介 尽管人们总是把u w b 技术当作短距离无线通信中的一项最新的突破性技 术，但事实上，这一技术已经有了4 0 多年的发展历史了。它起源于2 0 世纪6 0 年代中对时域电磁场的研究【4 6 】，用时域的观点研究电磁波的传播特性，而并 非通常的频域观点。 和很多成功的技术相似，u w b 系统最早也是由军方开发的。早在第二次世 界大战期间，这种技术就被应用于破坏敌人的鱼雷系统，但并未应用于通信中。 在4 0 多年之后，处于冷战期间的美国再次提出了u w b 技术，1 9 8 1 年6 月f c c 发布了研究通告，然后，u w b 技术就沿着与很多其他技术相类似的轨迹，首先 从军事方面开始发展。早期那些应用于通信和雷达的u w b 系统逐渐投入使用。 而真正的商业化的历程却并不顺利。这是因为，l r c c b 的军用背景，及其使 用的频带非常宽，被指责有可能发生与其它窄带无线通信( 如g p s 等) 之间的 电波干扰。但从1 9 9 8 年开始，在f c c 中就开始了有关u w b 民用问题的探讨。 按照条规修改的一般程序，f c c 首先向产业界与研究机关公开征求意见，其次 又公布了参考这些意见以后所制定的条规修改建议。针对这个条规修改建议， 从美国国防部、运输部、陆军研究院及国家电信与信息管理局等单位发来了 8 0 0 0 份以上的意见书。最后，在吸纳这些意见的基础上，f c c 于2 0 0 2 年2 月 1 4 日下令开放u w b 的民生用途。 如今，由于u w b 无线通信所具有的独特的性能和近年来微电子技术及器 件水平的不断提高，u w b 在低费用的中短距离无线通信应用中越来越具有吸引 力【7 ，8 】，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。目前国外公司正 在进一步研究将u w b 技术应用于高速无线通信领域的潜在优势和所要解决的 问题。 各大消费电子、芯片制造商和通信技术研发机构均十分重视u w b 技术的 发展。在美国，i e e e8 0 2 1 5 任务组正在制定无线个人网u w b 物理层的通信标 准；在欧洲，e t s i ( 欧洲电信标准协会，e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n s s d a n d a r d s i n s t i t u t e ) 正在进行与f c c 类似的工作，c e p t ( 欧洲邮电管理局) 正在e r o ( 欧 4 上海大学硕士学位论文 洲无线电办公室) 的支持下审查u w b 标准；在亚洲，日本、韩国和新加坡也 积极进行u w b 技术的开发，我国也已将u w b 无线传输技术研究与开发列入 8 6 3 计划信息技术领域通信技术主题“十五”计划中。 目前美国的x t r e m e s p e c t r u m 公司已有商业化的第二代u w b 通信芯片组出 售；而已推出过两代通信芯片的t i m ed o m a i n 公司，于2 0 0 5 年推出了新一代 u w b 通信芯片；结盟的t i 与i n t e l 公司也于2 0 0 5 年发布了其采用o f d m 技术 的u w b 芯片；以色列的w i s a i r 公司日前已试制成功了基于m b o f d m 技术的 无线收发芯片。 1 3 电磁场仿真软件介绍 自1 8 7 3 年麦克斯韦建立电磁场基本方程以来，电磁波理论和应用的发展 已经过了1 0 0 多年的历史。对电磁分布边值问题的求解从解析、图解、到目前 所采用的数值计算方法，经历了四个过程。解析方法只能解决一些经典问题， 具体到复杂的实际环境，往往需要通过数值解得到具体环境中的电磁波特性。 随着计算机技术的发展，多种实用有效的求解麦克斯韦方程的数值方法，例如 矩量法( m o m - - m e t h o do fm o m 蚰t s ) 【9 】、有限元法( f e m f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 【1 0 、边界元法( b e m - - b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d ) 【1 l 】，以及时域有 限差分法( f d t d - - f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ) 【1 2 等，已显示出其极大的 应用价，基于这些数值计算方法，开发出了许多优秀的电磁仿真软件。 随着这些软件的出现，使得微波器件设计和电波传播分析等问题得以首先 在计算机上进行。这不但简化了工作难度，而且减少了重复加工测试的步骤， 大大降低了元器件的设计成本。 本文在天线设计中使用的主要是a n s o f t 公司的h f s s ( h i g hf r e n q u e n c y s t r u c t u r es i m u l a t o r ) 软件。h f s 8 基于f e m ，已应用于航空、航天、电子、半导 体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计各种高频结构，包括 射频和微波部件、天线和天线阵等，经过多年的应用，得到了业内人士的广泛 肯定。 在分析限定空间信号传播时，用到基于r e c o m 公司的x f d t d 软件和 上海大学硕学位论文 w i r e l e s si n s i t e 软件。x f d t d 是一种基于f d t d 法的三维全波电磁场求解器。 该软件最开始应用于移动电话的仿真，现在已被用于各类领域，例如化学、光 学、地面穿透雷达、生物医学器件、以及微波电路，和雷达散射等。w i r e l e s si n s i t e 是一款基于射线跟踪法的功能强大的电磁仿真软件，主要用于对室内、室外各 种不同环境下的电磁波传播特性的预测，在室内外信号优化中有很大的用武之 地。 1 4 论文的主要内容 鉴于u w b 技术的独特优势，它将被广泛应用于未来近距离无线通信中， 而天线是其中不可或缺的关键器件，这将是本文研究的重点之一。u w b 技术主 要用于近距离的室内无线通信，其信号传播比较复杂，对u w b 信号的传播特 性的认识也是急需解决的问题，这是本文的研究内容之二。此外，作者就读研 究生期间，参与了学院承担的8 6 3 子项目“毫米波在限定空间传播特性研究”， 对隧道内3 8 g h z 系统的信号传播特性进行仿真和实验研究，这是本文的研究内 容之三。本文的章节安排如下： 第一章，简单介绍u w b 技术的发展、特点、研究中用到的方法，以及本 文的主要研究内容。 第二章，介绍了一些常见的宽频带和非频变天线，以及u w b 天线的研究 现状，并分析了这些天线的原理，对新型u w b 天线的设计起到一定指导作用。 第三章，设计若干个性能优越的印刷u w b 天线，给出仿真和实测结果， 并在理论上给出合理的解释。 第四章，研究u w b 信号的传播特性，建立室内近距离无线通信的模型， 对u w b 信号的传播进行仿真，做了相应的实验，并给出一些有用的结论。 第五章，研究了3 8 g h z 信号在地铁隧道中的传播特性，同时给出仿真值和 隧道内实际测量值，为3 8 g h z 系统的实际设计和使用做出预研。 第六章，总结全文，并对今后可能的技术发展趋势作出展望。 6 上海大学硕上学位论文 第二章宽频带和非频变天线 天线可以定义为一种附有导行波与自由空间波互相转换区域的结构【1 3 】， 可分为频变天线和非频变天线。 本章首先介绍了非频变的概念，在此基础上对常见的宽频带和非频变天线 作一些研究和分析，为新型的可用于u w b 系统的印刷u w b 天线的设计提供 理论基础。 2 1 非频变概念 非频变是一个理想的概念，简单的说就是要求天线的各项性能和其工作的 频率无关，即无论在什么频率上都有相同的性能指标。非频变天线的定义就是 指以固定的物理尺寸，在非常宽的频带上同时具有相对恒定的输入阻抗、方向 图、极化和增益等指标的天线 1 4 1 。 与非频变天线相对立的是频变天线，频变天线的带宽比较窄，这主要和其 工作原理有关。频变天线的主要尺寸和工作频率有关，一般为此频率对应的半 波长。因此，这个频率及附近的频率可以在天线上产生谐振，从而使得这个频 率的信号可以几乎全部的辐射到空间去，这就是一般所称的谐振天线。谐振天 线具有相对高的q 值，其输入阻抗也会随频率而迅速发生变化。 对3 1 1 0 6 g h z 频段的u w b 天线而言，其工作频带绝对带宽达7 5 g h z ， 低频端和高频端对应的波长相差近三倍，无法按照谐振的原理进行设计。所以， 我们会对非频变天线感兴趣。我们所要做的工作是精心设计或者发现巧妙的几 何结构，使用这些结构能够尽可能的避免对某个频率的特别“照顾”，使得其辐 射部分在不同的频率上具有相对平坦的输入阻抗，以及较为恒定的其他性能指 标。要设计能实现这一目标的非频变天线有两个关键点，一是要降低天线的q 值，二是要做好匹配，包括馈电点和辐射单元的匹配以及辐射单元末端和自由 空间的光滑过度。这里所指的匹配也并非在某个频率，而是在整个u w b 工作 频段上都能匹配良好。 值得提的是，虽然我们希望能够设计出频率对天线尺寸不敏感的天线， 7 上海丈学硕士学位论文 但在现在比较常见的u w b 天线结构中，低频端很大程度上还是取决于天线的 最大尺寸。 2 2 常见的宽频带天线 双锥和单锥天线、等角螺旋天线、对数周期天线等都具有较大的工作带宽， 是较为常见的宽频带天线，但是其结构和辐射机理各有不同。 2 2 i 圆锥天线 窄带天线往往具有谐振结构，电磁波从馈点到端点处形成了反射，从而在 整个辐射单元上形成了驻波的电流分布。但是，如果天线端点处的反射波非常 弱，那就成为了行波天线。行波天线本身就是作为一种波导的形式连接馈点和 自由空间。行波天线可以由在天线端点处加载匹配负载来减小反射。或者，加 长天线本身尺寸，使得能量在天线上损耗殆尽也会减小反射。这种天线往往可 以达到相对宽的带宽( 典型值为2 i ) ，但是，由于利用负载或者天线本身的损 耗，使得其效率受到影响。 图2 - i 无限长双圆锥天线 无限长双圆锥天线就是一种典型的行波天线。将其放在球坐标系中讨论， 如图2 1 所示。可以将无限长双圆锥天线理解为偶极子天线的变形，由两个无 上海大学硕士学位论文 限长的金属圆锥胥代金属振子。由于金属圆锥是尢限长的，凼此不存在反射， 可以按照传输线理论来分析。 若在馈点a 处加上时变电压，电流将迅速沿着圆锥表面流动，从而形成了 磁场日。假设传输t e m 模，由电场和磁场正交，则电场为p 方向。电压在上 锥体为正，在下锥体为负，电力线如图2 - 1 所示，由上锥体延伸到下锥体。 在两个锥体之间2 = 0 ，耳= 风；，g = e 。b 。根据安培定理： v 面= j e o 占一e + j 一，可得： 一a ( s i n o h , ) ：j e ? ：o ( 2 - 1 ) 一r s i n ou 7 2 3 峨b r 2 对于r 向部分： 一；品( q ) = j o ) s e o ( 2 - 2 ) 对p 向部分，由式( 2 一1 ) 可得a a 口( s i i i 口王l ) = o ，故： q 8 南( 2 - 3 ) 由于这个结构可视为球形波导，( 2 - 3 ) 式可写为： 一= 凰等击 ) 代入式( 2 2 ) 可得： 易= j - 钾1 ，1 栅h o n f 咖a ( e 卅，) - i f l h 0 7 1 百e - & 丽1 = 刁风等志( 2 - 5 ) 为了得到输入阻抗，首先要得到终端的电压和电流。如图2 - 1 中，某个固 定的半径r 处的电压可由以下积分求得： 矿( ，) = r & r a 0 ( 2 - 6 ) 圆锥具有等电位的表面，因此上式适用于任何的r ，把( 2 5 ) 式代入上式可得： 附，= 警e 一陟r 丽d o = 警e 一腑 h l t a n 0 ： 5 - ， ：譬。一刍 2 石 2 9 上海大学硕士学位论文 导体表面以的边界条件为以= 以，则一个锥体上总电流可以由电流强度 以沿着圆锥积分得到，如图2 - 1 所示，有： ，( ，) = r 5 h ，r s i n 鲋妒= 2 l r r 8 # s i n 0 ( 2 - 8 ) 把( 2 4 ) 式代入上式，可得： l ( r ) ：晏p 一胗( 2 - 9 ) 因此，任意r 处的特性阻抗可以f l q ( 2 7 ) 式和( 2 9 ) 式得到： z o = 舄= 罢域c o t 争 由于特性阻抗并非r 的函数，所以，在r = o 处的阻抗也可以满足上式。由 r * 1 2 0 7 t ，可以得到输入阻抗： z a = z o = 1 2 0 1 n ( c o t - 孚) f l ( 2 1 1 ) d 这里的输入阻抗是一个实数。因为结构是无限长的，因此没有不连续点而的反 射形成驻波。若皖= r ，则乙= 5 6 8 + j o f 2 ；若色= 5 0 * ，则乙= 9 1 + j o q 。 若下锥体展开成为无限大的地平面，则可以看作为单极子版的双锥天线， 其输入阻抗为普通双锥天线的一半。 在现实情况下，圆锥的长度都是有限的，圆锥上传输的波型不仅仅是t e m 波，还存在着高次模。而高次模是形成反射的主要原因。圆锥边缘的不连续性 导致了反射，从而使得天线的输入阻抗不再是实数，而具有虚部。但是，一个 非常有用的发现是，如果增大o h 的角度，就可以在很大的带宽上减小输入阻抗 的虚部。与此同时，输入阻抗的实部对频率的变化并不敏感。单圆锥的实验数 据如图2 - 2 所示 1 5 】，双圆锥类似。这些数据可以清楚地表明，这种形式可以实 现至少2 ：1 的阻抗带宽。这些数据还提示我们，对于重要的尺寸，例如圆锥长 度h ，必须大于最小波长的1 4 ，这时的阻抗特性才比较理想。 由此，我们可以得出结论，圆锥天线可以实现在较大频率范围内的非频变 特性，这是一种典型的非频变天线。 1 0 上海人学硕l 学位论文 m h m 图2 - 2 ( a ) 单圆锥天线输入阻抗实部 2 2 2 等角螺旋天线 图2 - 2 0 , ) 单圆锥天线输入阻抗虚部 圆锥天线可以实现一定频带范围内的天线指标非频变，但是其立体的形状 在目前的应用中受到很大的限制。人们希望找到更适于小型化的平面结构。 舶 瑚 瑚 啪 。 0-t一鍪i至圣 ai膏-l*盖 上海大学硕士学位论文 拉姆赛被m m n a k e 于1 9 4 9 年所观测的自补天线所吸引，该天线在所有的 频率上都具有恒定阻抗z 0 2 ，即空间本征阻抗的一半1 1 6 1 。这显然是一种无限 大的自补形状，自补的金属平板天线的金属面积恰好可以填补其敞开的面积， 也就是说两者借刚性移动恰可拼合成一个半平面。图2 3 给出了三种自补天线 的例子，其金属和敞开的面积可以借助旋转移动而拼合。 至 至 荃歪 b ) 图2 3 三种自补平面天线 由此，拉姆赛提出了拉姆赛原理：若天线的形状仅由角度来决定，则该天 线具有非频变的阻抗和方向图特性。 无限长的对数螺旋线能符合此要求。要以有限的结构来实现非频变的要求， 应使沿此结构的电流随着辐射和衰减而在截断点处可以忽略。而为了产生辐射 和衰减，电荷必须被加速( 或减速) ，这就要求导体按垂直于电荷运动的方向弯 曲。于是，螺旋线的曲率所导致的辐射和衰减，使它在被截断时仍能够提供宽 频带上的非频变性能。 早在1 9 5 8 年，j o l l i ld d y s o n 就在伊利诺依大学对拉姆赛原理进行了实验 并构造了最早的实际非频变螺旋天线【1 7 】。对数螺旋线的方程为： ，= 6 e 砷 ( 2 - 1 2 ) 其中，为矽= 0 的时候的半径，a 是一个常数，定义为螺旋的张开率( n a r er a t e ) 。 如图2 q 所示，这是右旋螺旋。当a 为负值时，就可以得到左旋螺旋。这种等 角螺旋线可以用作设计平面等角螺旋天线。如图2 5 所示，四条金属边界曲线 都是等角螺旋线。四条曲线分别为：，i = ，吒= ，州，b = e 4 ”， 1 2 上海大学硕士学位论文 r 4 = r o e 删1 “。第二、第四两条曲线在最后7 r 2 处闭合，以形成完整封闭的图 形，因此，万= x 2 。整个天线的结构呈现出一种自补的结构，虽然并非一定 要使用这样的自补结构，但是事实证明，这样的自补结构可以得到最优的性能。 图2 4 螺旋线的结构图图2 - 5 平面等角螺旋天线 定义螺旋的另外一个参数扩展率( e x p a n s i o nr a t i o ) s ，为曲线经过2 石弧度后 的增长率 18 】： 占= 等= 哮r o e 。 ( 2 - 1 3 ) ，( ) 印 、 。 s 的一个典型值为4 ，则a = 0 2 2 1 。 等角螺旋天线的高频端主要是由馈点处的结构决定，在占= 4 时，最小处的 半径，即一般大约为高频力的四分之一波长。而低频则取决于整个天线的半 径r ，同样是最低频以的四分之一波长。实验表明，半周到三周的等角螺旋天 线对参数a 和艿较为不敏感，而一周半的天线为最优【1 7 】。对于一周半的天线， e = 4 的情况下，很容易得到： f a = 寺7 鲁2 r o e 。 “。舯r o e 。：8 0 3 1( 2 - 1 4 ) 具有大约8 ：1 的带宽。而理论上4 0 ：1 的带宽也可以实现。 等角螺旋天线的阻抗、方向图、极化等，在相当宽的频带范围内几乎可以 实现保持定值。馈点在天线的中心处，整个半径r 和张开率a 对天线的性能影 上海大学硕士学位论文 响较大。张开率a 比扩展率占更加方便的反应天线结构。这类天线的理论辐射 阻抗为自由空间阻抗的一半，为1 8 8 5 + j o f 2 ，而实际中由于馈点处结构的非对 称性和金属本身性质的原因，其阻抗一般小于这个值，只有约1 2 0 + j 0 ( 2 【1 7 。 2 2 3 对数周期天线 当平面螺旋天线正处在开发阶段的时候，r a y m o n dd u h a m d 和d w i g h t i s b e l l 也在伊利诺依大学创造了另一类型的具有自补齿状的非频变天线，如图 2 - 6 所示【1 8 】。d w i g h ti s b d l 于1 9 6 0 年第一次将此解释为对数周期偶极子阵 1 9 】。 其基本概念是一种逐渐展开的周期性结构的阵列，当阵源( 偶极子) 接近谐振 时能最有效的辐射，所以其有效辐射区随着频率的改变而沿阵列移动。如图2 7 所示，是一个典型的对数周期偶极子阵。 图2 6 自补齿状非频变天线 重 偶极子的长度沿天线递增而保持张角不变，相邻单元的长度，和间距s 的 比例为： l + - - ：血：k ( 2 - 1 5 ) 这里的k 为常数。对于接近中心频率的波长，由天线的中央区域产生主要辐射， 如图2 7 ，该有效区域内的单元约长2 2 。 1 4 上海大学硕 学位论文 无麓簟i d 区 ! 型! 苎 图2 - 7 对数周期偶极子阵 单元9 ，1 0 和1 l 邻近一个波长，而携带很少的电流( 对传输线表现为感抗) ， 说明天线在右侧截断了有效区；由于单元9 ，1 0 和l l 产生的场量很小，无论是 对于前向或背向的辐射贡献都趋于抵消，但在侧向因辐射近似同向而形成边射。 左端的单元l ，2 ，3 等都短于2 2 ，对传输线呈现出大的容抗，它们所载的电 流及辐射都很小。 因此，波长名所对应的有效辐射区内，各单元长度约为2 2 。增大波长则 辐射区右移，藏小波长则辐射区左移，最大辐射总是指向顶点即阵列的馈点。 对于任何给定的频率，仅由一部分( 其偶极子长度约2 2 的) 天线被利用。在 短波长( 高频) 端只能利用天线总长度的1 5 ；在长波长( 低频) 端可利用的 部分较大，但仍在天线的总长度的5 0 以下。 天线所能覆盖的带宽是由其几何尺寸决定。任何第n + 1 个单元的长度，( 和 间距s ) 总是比第一个单元大k ”倍，即： 箪：k 一：f ( 2 - 1 6 ) 这里的，就是频率比，即可以覆盖的工作频率。 虽然对数周期天线阵可以实现覆盖较宽的频率，但是其对频率的响应依然 主要靠天线的长度所决定，其实质是由多个窄带的偶极子天线( 谐振天线) 组 合而成的，故这类的宽频带天线并不能算是典型的非频变天线。 上海丈学硕t 学位论文 2 3u w b 天线研究现状 u w b 技术因其固有的优势而得到市场的热捧，学术界和产业界对u w b 天 线的研究和开发也是不遗余力。虽然目前出现了各种各样的u w b 天线，但其 原理还没有系统的阐述。本节对u w b 天线研究现状作一总结。 2 3 1 同轴馈电天线 这是比较常见的一种u w b 天线形式 2 0 - 2 3 ，其结构比较简单，在一块较 大的金属平面地板上再树立起一块与其垂直的金属辐射单元，而底部用同轴线 馈电的方式和信号源相联，无需额外的匹配网络，如图2 8 所示。 c o ) 图2 - 8 同轴馈电天线 图2 - 8 ( a ) 的辐射单元为最简单的正方形结构，使用5 0 f 2 的同轴线馈电【2 3 】。 在接地平面之上是一个三叉戟的馈电形式，这是这一天线的主要特点。对于相 同的形状，馈电若改用2 个端口或者一个端口也可以实现比较宽的带宽，但是 和三叉的形状相比，带宽小很多。( 三端口：1 1 5 g 比带宽8 3 2 ；二端口：1 0 2 g 比带宽7 5 2 ；一端口：3 3 g 比带宽2 2 6 ) 。图2 - 8 c o ) 是另外一种此类天线 2 0 】。 地面上是一个水滴形状的辐射单元，在中间还开了两个洞，可以提高其带宽。 其比带宽大于1 0 ：1 。图2 - 8 ( c ) 也是类似的u w b 天线，黑色部分为金属辐射片 【2 l 】，这样的形状的天线的带宽在电压驻波比小于2 2 的情况下也可以达到 2 0 5 1 5 3 g ，比带宽达到7 4 6 ：l 。 1 6 上海大学硕上学位论文 这类天线是单极子天线( m o n o p o l e ) 的变形，带宽性能较好，增益也较大， 全向性也较好，缺点在于其体积较大，不易于小型化和集成化。 2 3 2 共面波导馈电天线 为了减小体积，出现了一种真正平面形式的共面波导天线，它将接地面和 辐射单元放在了同一个面上，馈线的结构相当于对同轴线的平面化，同时接地 面本身也可以作为向外辐射的一个部分。这样的文献在近年来相当多 2 4 - 2 7 。 辐射单元的形状也各有不同，都取得了比较好的带宽效果。 ( a )( b )( c ) 图2 9 共面波导馈电天线 图2 - 9 ( a ) b 口为- - 个典型的共面波导馈电的u w b 天线，在馈线两边为很大的 金属地面，上面的梯形金属为辐射单元 2 7 】。在辐射单元上开槽的目的是可以 避开5 1 5 5 8 7 5 g h z 的频率，以减小潜在的对其他如无线局域网的通信的干扰 的可能性。这样的一个天线其工作带宽，在电压驻波比小于2 的情况下可达到 2 8 1 0 6 g h z ，而所开的槽使得5 1 5 5 8 7 5 g h z 的频率范围电压驻波比很高。图 2 - 9 ( b ) 的形式比较类似，只是辐射单元的形状变成了圆形 2 4 】。其回波损耗小于 1 0 d b 的工作频率达到2 2 7 1 2 g h z 。也覆盖了整个的u w b 通信系统。图2 9 ( c ) 是另外种形式的共面波导馈电天线，辐射单元的形状呈三角形，而金属地面 同样呈三角形【2 5 】。设计的思路在于把立体的单圆锥天线平面化，在带宽上大 约为o 7 5 - 2 7 5 g h z 。虽然带宽没有在u w b 范围内，但是只要对其辐射单元进 行变换和对其馈电进行改进，就能很容易的达到u w b 的带宽要求。更为重要 上海大学硕仁学位论文 的是，这提供了一个很好的思路，就是把各种传统的性能好的天线平面化。 2 3 3 微带线馈电天线 另外一种比较常见的就是由微带线馈电的印刷电路板天线 2 8 3 1 1 ，如图 2 1 0 所示。这种天线的特点就是设计比较灵活，在介质板的两面都有金属，背 面的金属主要是起到微带线的地的作用。 图2 1 0 微带线馈电天线 图2 - 1 0 ( a ) 是一个这种形式的天线【2 8 】。其主要特点是利用在辐射单元上开 两个槽，并在矩形贴片和微带线间用斜边渐变连接的方法来进行匹配，实测工 作带宽达到3 5 1 l g h z 。图2 - 1 0 ( b ) 采用两面蝶形的辐射贴片，从微带线到贴片 的馈电使用的是平行双线的结构，由几节不同的宽度进行阻抗变换【2 9 】。辐射 单元为宽带天线中教常见的蝶形，也可以达到很宽的带宽，在实际的测量中也 可以基本满足1 0 d b 的情况下，3 1 1 0 6 g h z 的超宽带的要求。由类似形式所组 成的天线阵形式也见诸论文。图2 - l o ( c ) 是另外一种形式 3 1 1 ，在正面为一个椭 圆形的贴片，而在背面为个带有凹槽的地面。这种结构比较简单，只要适当 调节椭圆形贴片的长短轴的比例和微带线的宽度，就可以达到相当满意的工作 带宽。一般可以达到3 1 1 g h z 以上。 上海大学硕学位论文 2 3 4 其它