（电磁场与微波技术专业论文）陷波以及小型化超宽带天线设计.pdf

摘要 摘要 作为一项颇具潜力的新技术，超宽带( u w b ，u l t r a - w i d e b a n d ) 技术在无线 通信以及微波成像领域展现出了广泛的应用前景。这两个领域中超宽带技术所能 提供的高传输速率以及合理的图像解析使得该项技术的研发倍受关注。为了适应 超宽带应用的需求，研究超宽带天线既富有挑战性，同时也具有较大的实用价值。 论文针对无线通信和微波成像应用，主要研究全向、定向陷波超宽带天线以 及针对u w b 通信的小型化便携超宽带天线。通过电磁仿真和实验测量，设计了 四种新型的超宽带天线。 首先，设计了一种微带馈电的单极子双陷波超宽带天线。通过使用含有渐变 缝隙的天线结构，使得天线具有剪刀形外观并进一步改善了天线的阻抗匹配特性。 此外，通过添加地板槽线和弧形枝节实现了天线的双陷波特性。 其次，设计了一种可应用于微波成像系统的新型v i v a l d i 天线。采用双y 巴 伦实现了微带槽线过渡，利用多阶阻抗变换器解决了宽带阻抗匹配问题。通过在 微带线上添加狭缝实现了天线的陷波特性。 论文还提出了一种带状线馈电的超宽带陷波小型化天线。通过使用平衡的对 踵结构和带状线馈电，在仍然使用低介电常数介质材料的情况下，将天线的物理 尺寸以及电尺寸大幅减小。通过在天线中间金属层辐射片上添加槽线实现了天线 的陷波特性。 最后，针对w u s b ( w i r e l e s su s bd o n g l ea p p l i c a t i o n ) 无线应用，提出了一 种与u s b 闪盘集成的小型内置天线。该天线主要由折叠的辐射片和用于p c b ( p r i n tc i r c u i tb o a r d ) 板集成的金属盒组成，其整体尺寸很小，与一般的u s b 闪 盘大小近似。实验结果显示该天线设计具有足够覆盖w l a n 以及u w b 频段的工 作带宽，且具有良好的辐射特性。文中还研究了笔记本电脑、金属桌子、木质桌 子对天线性能的影响，并进行了具体的实验测试。 关键词：超宽带天线陷波v i v a l d i 天线小型化u s b 天线 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t a sap r o m i s i n gn e wt e c h n i q u e ，u w b ( u l t r a - w i d e b a n d ) i sf i n d i n gam y r i a do f a p p l i c a t i o n sn o w a d a y s ，m a i n l yi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dm i c r o w a v ei m a g i n g ( m i ) t h i si sd u et oi t sc a p a b i l i t yo fp r o v i d i n gh i g hd a t at h r o u g h p u ta n d r e a s o n a b l e g o o di m a g er e s o l u t i o n ，r e s p e c t i v e l y a n t e n n ad e s i g n f o ru w ba p p l i c a t i o n so f f e r s s i g n i f i c a n tc h a l l e n g e s ，s i n c ea n u m b e ro fd e s i g nc o n s t r a i n t ss h o u l db es a t i s f i e d t h i st h e s i sa d d r e s s e st h eo m i n i d i r e c t i o n a la n dd i r e c t i o n a lb a n dn o t c h e du w b a n t e n n a sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dm i ，a sw e l la sm i n i a t u r i z e dp o r t a b l e a n t e n n a sf o ru w bc o m m u n i c a t i o n s b yu s i n ge l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n sa n d m e a s u r e m e n t s f o u rn o v e lu w ba n t e n n ad e s i g n sa sf o l l o w sa r ep u r s u e da n dd e s c r i b e d i nd e t a i l s f i r s t l y , an o v e lm i c r o s t r i p 1 i n ef e dm o n o p o l ed u a lb a n d - n o t c h e da n t e n n aw i t h t a p e r e ds l o tf o ru w ba p p l i c a t i o n si sp r e s e n t e d t h et a p e r e ds l o t ，m a k i n gt h ea n t e n n a h a v eas c i s s o r s 1 i k es h a p e ，i su t i l i z e dt oe n h a n c et h ew i d e b a n dc h a r a c t e r i s t i c s i n a d d i t i o n ，b yi n s e r t i n gs l o t so nt h eg r o u n dp l a n ea n da d d i n gc i r c l e a r cs t u b so nt h e r a d i a t i n gp a t c h ，t h ed u a lb a n d n o t c h e dc h a r a c t e r i s t i co f t h i sd e s i g nh a sb e e na c h i e v e d s e c o n d l y ，an o v e lv i v a l d ia n t e n n af o rm ii sp r o p o s e d t h ew i d ei m p e d a n c e b a n d w i d t hi sr e a l i z e db yu s i n gaq u a r t e r - w a v ei m p e d a n c et r a n s f o r m e ro f3s t e p s c o m b i n e dw i mad o u b l e yb a l u nf o rm i c r o s t r i p s l o t - l i n et r a n s i t i o n m e a n w h i l e ，b y i n s e r t i n gs l o to n t ot h es t r i p 1 i n e ，as u i t a b l en o t c h e d b a n dh a sb e e no b t a i n e d t h i r d l y , an o v e lm i n i a t u r i z e ds t r i p 1 i n e f e du w ba n t e n n aw i t hb a n d n o t c h e d f u n c t i o ni sp r e s e n t e d b ye m p l o y i n gab a l a n c e da n t i p o d a ls t r u c t u r ea n ds t r i p 。l i n ef e e d w i t ht h el o wr e l a t i v ep e r m i t t i v i t yd i e l e c t r i cs u b s t r a t e ，t h ep h y s i c a l a n de l e c t r i c d i m e n s i o n so ft h i sa n t e n n ah a v eb e e nr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y m o r e o v e r , as l o ti sa d d e d o n t ot h er a d i a t i n gp a t c ho ft h em i dm e t a l i s a t i o nl a y e rt or e a l i z et h eb a n d n o t c h e d f u n c t i o n f i n a l l y , as m a l li n t e r n a l2 4 g h z a j w b ( u l t r a - w i d e b a n d ) a n t e n n as u i t a b l e f o r i n t e g r a t i o nw i t hp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b lo f aw i r e l e s su n i v e r s a ls e r i a l b u s ( w u s b ) d o n g l ei sp r o p o s e d t h eo v e r a l ls i z eo f t h i sd e s i g ni sv e r yc o m p a c ta n da p p r o x i m a t e l y e q u a lt ot h a to fan o r m a lu s b f l a s hd i s k e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ec o n s t r u c t e d p r o t o t y p es h o wt h a tt h ei m p e d a n c eb a n d w i d t ho ft h ep r o p o s e da n t e n n ai sc o v e t i n gm e w h o l ew l a na n du w bo p e r a t i n gb a n d sw i t hg o o d r a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c f u r t h e r m o r e ，t h ei n f l u e n c eo ft h el a p t o p ，t h ew o o dd e s ka sw e l la st h ew o o dd e s ko n i v d e s i g no f b a n dn o t c h e da n dm i n i a t u r i z e du l t m - w i d e b a n da n t e n n a s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n ai sa l s os t u d i e da n dd i s c u s s e d k e y w o r d ：u w ba n t e n n a b a n d - n o t c h e dv i v a l d ia n t e n n am i n i a t u r ea n t e n n a u n i v e r s a ls e r i a l - b u s ( u s b ) a n t e n n a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 日期： 日期：丝! ! 至苎鱼! 塑 第一章绪论 第一章绪论 奉幸主要介绍了论文的选题背景和研究的价值度意义；简单地回顾了起宽带 天线的发展历史，较全面地概括了超宽带天线的发展现状以及平面印刷天线主要 的工作频带拓宽方法；详细地总结了主要的超宽带陷巍技术咀及小型化技术最 后，指出了本文的主要工作 i 1 选题背景及意义 1 8 9 8 年，英国物理学家o l i v e r l o d g e 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从而得到最大的接收信号。l o d g e 讨论了一类“面 电容”，也就是天线。l o d g e 关于“面电容”的论述就是最早的超宽带天线理论。 而且，l o d g e 研究的球形偶极子、方形板偶板子、双锥偶极子和b o w l i e 偶极予在 天线的发展史上具有深远的意义。而这以后近百年的时间里，超宽带天线的发展 历经了双锥天线、圆锥单极子天线、喇叭天线、螺旋天线、对数周期天线、宽带 槽线天线等的相继出现”i 。尽管已经能设计出性能非常好的超宽带天线，但是由 于技术的发展和民用的需要，人们对超宽带天线又提出了廉价、易于加工等设计 要求。 庄栽 善k ( 町( b ) 图il ( 劬三角形电容表面构成天线b o m i e 天线的前身：l o d g e 的双锥天线 2 0 0 2 年4 月，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 s c o m m i s m o n ) 发布了u w b 无线设备的初步规定，并重新对u w b 作了定义。接 此定义，u w b 信号的宽带应太于等于5 0 0 m h z ，或者相对带宽大于2 0 。另外， f c c 还规定了室内u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 l o6 g h z ，并在这一范 陷被以及小型化超宦带天线* h 围内，有效各向同性辐射功率( e i r p , e f f e c t i v ei s o t r o p i er a d i a t e dp o w e r ) 不超过 4 13 d b m v l h z 。u w b 作为一种短距离的无线通讯方式，在1 0 米以内的范围里能 以至少 o o i v l b p s 的速率传输数据。这种通讯方式比较适合在家庭内部使用市场 应用前景非常广阔。在超宽带短距离无线通信成为了全球通信技术研究一个非常 热门领域的大背景下，作为通信系统重要部分的天线，尤其是全向超宽带天线 更是引起了研究人员的极大关注。 u w b 的标准主要有来自f r e e s e a l e 的d s - u w b 和由t i 倡导的m b o a 。u w b 标准内容框架圈如图l2 所示。d s - c d m a 或m b o a 相当于物理层，位于整个架 构的最底层，它还分成两个子层，即物理层( p h y ) 和物理层的控制器层( m a c ) 。 d s c d m a 技术是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频 率，对现有许可频带内的用户造成的干扰比较少，成本较低，上市的时间较短， 易于实现低功耗、低速数据流的无线传输，可实现更高速的无线数据传输应用 于媒体流及大量的数据传输；m b o a 技术是多频带方式技术上易于实现、功耗 很低，频带的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带、灵活配置，速 率的扩展性好。但是，值得注意的是所谓的u w b 是一个完整的系统而不仅仅 是现在人们热衷讨论的d s - c d m a 或m b o a 【2 】。 - i - i - 耍。甄w i m l e s 。 淄誊i 一7 垒：正警也：7 。三j ! j 巫匦 j s # n m j 撇翱瓣n 盹 。t u s b w i n e k 5 s 。4 l3 o a p p l i c o l i o n p m f i t e ：目e * 口 * ： n l m 曲胛h d i 州# # m g m # 口目* 丑勺镕sfo i g i t a ll i 、i n e 啪 l i l b ic e ) p a l 。n * 目( p 0 1 椰t i o nl 8 y e r ) u p n p p ：目镕目目 # i p 自镕 l i m e d i ac v e r n c ep l e t n n ：| i d i a x 自： l i d i a g t # # ；( - l r e l e s sh l t i m e d l a ) d s - c o m a m b o as j o e c h f t o n ：删k l 田。 # 镕 d s 叫自$ “c d “镕# ( d i r e c ts e q u e n c e ) 日m * ( 懈目镕；( h u h l 岫d0 f wm 1 1 a n c e ) 凹l2 u w b 标准框架 不同于超宽带全向天线在通信领域更受青睐，超宽带定向天线一直在雷达侦 察、电子对抗等军事领域有着广泛的应用。最近微波成像技术在临床医学上的应 用也引起了极大的关注。其主要应用领域是女性乳腺癌癌变组织的临床检测和定 位。不同于传统的乳房x 光摄影法，微波成像系统因为具有低成本，副作用小的 优点微波成像所需要释放的穿过人体组织的微波能量十分低，是通常手机的 千分之一。由于微波通过正常的乳房组织时基本不产生散射，而通过癌变的乳房 组织时发射的微波信号会产生散射现象。微波成像系统正是利用这一点，通过天 第一章绪论 线接收可能产生的散射微波信号，然后传送给计算机进行分析，从而实现对病变 组织的检测与定位。微波成像技术需要能产生和接收短脉冲的天线阵或者是位置 可变的单个天线，对平面超宽带( u w b ) 天线的使用提出了要求【3 j 。 闰1 3 包含超宽带环形天线阵的微波成像系统结构圉 图13 是包含有超宽带环形天线阵的微波成像系统结构图，其中环形天线阵 的阵元可以是定向性好、超宽带工作、电尺寸较小的平面天线。然而，目前大多 数的u w b 天线是针对民用无线通信系统而设计的，多是全向性天线，增益较低， 因此不能直接应用到微波成像系统。而传统的定向超宽带天线，例如对数周期天 线，螺旋天线等由于尺寸过大结构复杂不利于系统的整体设计。在这个应用 背景下，设计出满足要求的定向超宽带天线也同样具有重要的实际意义。 1 2 陷波以及小型化超宽带天线研究现状 在短短几年的时问里，针对u w b 频段( 3 1 l o6 g h z ) 应用设计的天线可 以说是层出不穷。特别是根据超宽带应用背景针对u w b 设计要求对平面印刷 天线工作带宽进行拓宽的设计很多。这些方法大致可归纳为以下几类h - 6 1 ： 1 采用矩形、多边形、圆形或者椭圆形等天线结构； 2 采用短路结构； 3 采用多点馈电； 4 采用渐变地板结构或地板槽。 与此同时有些设计还不仅仅局限于对频带展宽方法的研究，其中对超宽带 天线的陷波特性以及小型化所做的分析和讨论。对超宽带天线的发展也产生了巨 大的促进作用。这些方面的典型例子很多，比如，2 0 0 3 年hgs c h a n t z 等人就己 * # “肚十型n 趣宽带无拽设计 提出的具有陷波特性的超宽带天线【1 i ；2 0 0 7 年zn c h e r t 等设计了与u s b 设备 集成的小型化超宽带天线n 对天线陷波特性和小型化的研究可以说是目前超宽 带天线设计的两个主要方向。 圈 一i (劬(吣 幽i4 ( a ) h gs c h a n t z 婶的陷波超宽带天线； ( b ) znc h e r t 等设计的与u s b i 殳备集成的筒宽带天线 1 2 1 超宽带天线陷波技术 超宽带天线在无线电系统、宽带无线接入、电子对抗、探地雷达和电磁兼容 测量等方面具有广泛的应用前景。随着超宽带天线研究的更加深入，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 ) 分配的u w b 频段( 3 l 1 06 g h z ) 中， 对其它固；t 频段的设备可能会产生严重的影响，例如对w l a n i e e e s 0 2 1 1 a 所对 应的频段5 1 5 53 5 g h z ，57 2 5 58 2 5 g h z 以及h i p e r l a n 2 对应的频段 5 15 5 3 5 g h z ，54 7 - 57 2 5 g h z 可能产生干扰。如果天线具有陷波特性，可以抑 制特定的频带，那么将为系统的整体规划与集成提供更大的设计空间。因此。在 超宽带巾如何实现频带抑制并有效地舫止系统问的相互干扰成为超宽带天线设 计的热点问题。 在超宽带天线设计中，主要通过改变天线的结构影响天线上的电流分布实现 天线的陷波特性。被政变电流分布后的天线相当于增加了一个带阻滤波器，从而 实现频带抑制功能。具体地说，一般有以下几种实现天线陷波特性的方法： 1 开孔成开槽的方法 图1 5 给出了通过开孔或开槽的方法实现陷波特性的天线设计实例“。一般 在辐射贴片上丌u 形槽，可以政变槽两边的电流分布，电流方向相反，从而实现 频带抑制。被抑制的频带由u 形槽的尺寸决定，改变u 型槽的长度和宽度可以改 变被抑制的频率范围。同理，孔或槽也可以添加在天线地扳或者其它有用的位置 第一苹绪论 上。槽或孔的形状也并非全是u 形，还可以是环形、方形、l 形、”字形以 及其它不规则形状。实际上，开槽或孔的目的是一样的，都是为了改变天线的电 流分布，从而达到频带抑制的作用。 1 1 掣卫 由圈蔓 日舞： ( c )q ) 图l5 通过开孔，榷方法实现天线陷波特性的实例 2 附加寄生单元的方法 该方法常用于平面贴片单极子天线的设计中。通过引入寄生单元，在被抑制 的频带范围内，寄生单元上的电流方向与辐射贴片上的电流方向相反，从而在超 宽带频谱上实现频带抑制。图16 给出了通过附加寄生结构方法实现天线陷波特 性的天线设计实例1 1 3 0 月。例如，图1 6 ( a ) 中天线结构为倒钟型的辐射贴片、带有 凹槽的部分接地面以及寄生环，寄生环的引入改变了天线贴片上的电流分布，实 现频带抑制，其中寄生环的半环长度一般大约为四分之一波长。寄生单元的不同 长度和宽度可实现不同频带的抑制。一般被抑制的频带对长度的响应要比对宽度 的响应更为敏感。而且寄生单元的结构及形式也是多种多样。 醒b 区 ( a ) 1 一口一 陷波u 小型化越宽带无线设* r 阖 匣和 r 【n l【c i 图16 通过附加寄生结掏方法实现夭线陷波特性的实例 3 辩加枝节的方法 不同于开孔，槽的方法需要从天线结构上挖去一部分，也不同于寄生结构通过 问接的电磁耦合实现对天线表面电流的影响，添加枝节的方法是直接_ 狂天线结构 上增加与天线相连的部分，增加辐射单元来改变天线上电流分布或相位来实现频 带抑制。这种在天线结构上添加枝节的方法如图l7 所示，类似于容性加载，等 效为工作在需要抑制的频带内的串联谐振器，以达到频带抑制特性。枝节在天线 上添加的位置也视情况而定，一般在辐射片或微带线上做处理【1 制”。 1 匿田 = ! = = = = 口 ( a )( b ) 圈】7 通过掭加枝节的方法实现天线骼波特性的实例 1 2 2 超宽带天线小型化技术 无线通信作为通信技术发展的趋势，对于小型化设备的工程需求一直存在。 使得针对天线的小型化研究成为了一个重要而具有吸引力的研究领域。因而，以 提高无线通信系统性能为目的的u w b 技术就不得不面对工程上小型化的要求。 癣一泌j耋平 第一章绪论 同时，基于商业需要，对于w i b r o ( w - t r e l e s s - b r o a d b a n d ) 、w l a n ( w 呲l e s sl a n ) 、 以及w p a n ( w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a - n e t w o r k ) 等系统而言，设备小型化的要求就 十分迫切。针对这些系统设计出易与设备集成的小型化天线有十分重要的意义 1 1 8 1 。 在介绍超宽带天线小型化方法之前，有必要先区分天线的物理尺寸和电尺寸。 天线的物理尺寸，是指天线的实际几何尺寸，反映的是天线实际所占用空问的大 小。而天线的电尺寸则是相对于天线的工作波长而言的。一般我们把物理尺寸不 大于工作波长十分之一的天线称之为电小天线。这个“小”就是相对于天线工作 波长而言，并不代表天线所占用的实际空间少【l q 。在超宽带天线的小型化设计中， 既要关心天线物理尺寸的缩减，也要关心天线电尺寸的缩减，其主要的方法有以 下几种： 1 折叠的方法 该方法通过将平面天线结构在三维空间内进行适当的折叠使得天线满足一 定的尺寸要求，能在较小的空间内与其它设备集成。该方法的特点是充分利用了 系统所能提供的空间盈余，减少了天线的二维占用面积。但平面天线结构在折叠 后性能变化较大，通常还需要做进一步的结构调整，与印刷天线相比而言加工略 显复杂。图l8 是几种典型的通过折叠的方法实现天线小型化与相应设各集成的 例子1 1 9 - 2 0 1 。 ( 砷 图i8 通过折叠的方法实现天线小型化实例 斓 2 按电流分布裁剪的方法 通过对天线辐射部分表面电流分布的分析，在不影响天线性能的前提下，将 电流密度较小的部分从天线结构上挖去，可以减小天线的有效面积。该方法易于 操作，基于天线表面电流的分析可以较直观地显示需要裁剪的结构部位。尽管该 目波以厦小型化超宽带x 线口计 方法能减少天线的有效面积，但一般情况下对改善天线整体结构的空间占用效果 不是很明显。图1 9 是通过该方法对天线进行小型化的实例l “- 2 2 1 。 弗一广脊f l l i ( 砷伸) 图1 , 9 通过电流分布裁剪的方法实现天线小型化实例 3 使用短路线的方法 通过使用短路线( 短路销钉、短路针) 在天线合适的部位制造短路效应减小 天线尺寸的方法在手机天线阻及多频天线的设计中较为常见。该方法也应用到了 超宽带天线，尤其是低剖面超宽带天线的设计中。该方法对天线尺寸的减小十分 明显，但短路点位置的选取一般是设计的难点。图1 1 0 是通过短路销钉实现天线 小型化的实例 2 3 - 2 4 。 ( a ) 闰1i o 通过短路线实现天线小型化实例 4 使用高介电常数介质的方法 在超宽带天线设计中，一般为了获得较小的天线尺寸，往往会选择介电常数 比较大的材料作为介质，或者在天线上加载介电常数更大的介质材料。这种方法 操作方便，对天线几何尺寸的减小十分明显。但是值得一提的是天线的小型化是 物理尺寸意义上的小型化，天线的电尺寸基本保持不变，并且高介电常数介质的 醺 留 眇匕 阿。萄一 。舔_。蓉 第一章绪论 使用会带来天线设计成本的增加。图l1 1 给出了一个通过高介电常数介质加载实 现天线小型化的实1 _ 1 1 2 ”。 阜巴 珥 l 嗣 一r d o 翻1 1 i 通过使片j 高介电常数介质实现天线小型化实例 5 e 面对称切割的方法 利用缩构对称天线在对称面处的磁壁效应，将天线结构按对称轴切割，如图 1 1 2 所示，获得的新天线可以保留原天线一定的特性。利用这一点，使用e - 面对 称切割的方法实现天线小型化的方法在多频天线及超宽带天线的设计中均有应 用。该方法既减小了天线的物理尺寸，也减小了天线的电尺寸，尺寸的缩减率在 5 0 左右。然而，小型化后天线的结构不对称，对天线辐射特性将有明显的影响， 这一点从天线辐射方向图的变化可以明显地观察到脚l 。 ；一il ，：。 i；： ii “ i i； z：! 一i 、- 嚣。等， e 2 z i 2 3r、二王 ：0 ； 图11 2 通过b 面对称切割实现天线小型化实例 1 3 本文的主要工作及结构说明 本文主要设计了具有陷波特性的全向超宽带天线、定向超宽带天线以及超宽 带天线的小型化天线。在全向超宽带天线的研究中，提出了一种利用渐变缝隙改 善天线阻抗匹配特性的单极子剪刀形天线结构，通过添加l 形枝节以及地板槽线 l o 陷波以及小型化超宽带天线设计 实现了双陷波特性。在定向超宽带天线研究中，设计了一种通过双y 巴伦实现微 带槽线过渡结构的v i v a l d i 天线，通过在带线上添加槽线实现了天线的陷波特性。 在小型化超宽带天线研究中，通过带状线馈电的对踵结构实现了全向单极子超宽 带天线的尺寸缩减，天线整体尺寸在最低工作频点对应四分之一波长左右。最后 提出了一种通过折叠方式实现的与u s b 闪盘集成的小型化天线设计。 本文的具体内容及结构安排如下： 第一章绪论，简单介绍了超宽带天线的发展历史和研究现状，以及超宽带通 信标准和微波成像系统；对天线频带拓宽方法进行了较全面地简单归纳；详细地 概括了主要的超宽带天线陷波技术以及小型化技术。 第二章主要介绍了与超宽带天线相关的天线基础理论，针对超宽带天线设计 的电磁数值分析方法( 解析法、近似解析法、数值法) 进行了简单概述，介绍了 具有强大数值计算功能的有限元法。 第三章对超宽带单极子天线的相关特性进行了介绍，提出了一种新型的超宽 带单极子陷波天线；基于微波成像系统的应用背景，提出了一种新型的具有陷波 特性的v a l d i 天线设计。 第四章通过采用多层以及折叠的天线小型化技术分别提出了一种通过带状线 馈电的小型化对踵结构超宽带陷波天线和一种与u s b 闪盘集成的内置超宽带小 型化天线设计。还分析了笔记本电脑、金属桌子、木质桌子对第二种天线性能的 影响，并进行了具体的实验研究。 第五章作为结束语，对全文工作加以总结，综述研究结果及结论，对超宽带 天线研究前景作了展望，并指出了下一步的研究方向。 第二章超宽带天线基本理论及分析方法 第二章超宽带天线基本理论及分析方法 本章概括了超宽带系统对天线设计的要求和所涉及到的与超宽带天线相关 的天线电性能基拳参数简单地讨论了微波工程分析方法以及它们在超宽带天线 设计中的应用，重点介绍了有限元方法和相关的电磁仿真软件 2 1 超宽带天线的相关基本理论 2 7 - 2 8 】 本文中论述的超宽带天线，主要针对超宽带系统而言，即u w b 系统。在u w b 系统中，一定形状的短脉冲信号由信号源产生并馈入天线后，要求天线无失真地 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，超宽带天线应具备以下特征： 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。 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。 3 要求天线可以同时接受或者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。 从信号辐射的角度来讲，就是要求辐射脉冲保持激励信号形状，使脉冲失真 小；天线输入端反射信号要小；在一定方向上辐射信号的辐射度应尽可能大。因 此，u w b 天线与常规意义上的宽带天线还有着显著的区别。常规的宽带天线大 都是非频变天线，因而并不适合发射和接受u w b 信号。对于u w b 天线来说， 相对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u w b 天线的性能。 天线相位中心，应该是一个理论上的点。就是说，在理论上认为天线辐射的 信号是以这个点为圆心向外辐射，这个点就是所谓的相位中心。但是在实际天线 中基本上不存在这一点，因为所设计的天线不可能十分完美，实际天线的相位中 心往往是一个区域。 天线馈电端口电压和电流之比称为天线的输入阻抗。定义为： p 乙= 2 寺= 如+ 风 ( 2 1 ) i 埘l 1 2 陷波以及小型化超宽带天线设计 其中，乙是天线的输入功率，l 是输入电流，凡是输入电阻，以是为输入电 抗。 天线的工作带宽实际上是一个频率范围。在这个频率范围内，一个选定的天 线参数或者一组天线参数允许有可接受的变化。天线的主要电性能指标均有其各 自定义的带宽，如阻抗带宽、方向图带宽、增益带宽、阻抗带宽以及极化带宽。 用的较多的是输入阻抗带宽，它指的是天线与传输阻抗相匹配，反射功率小于1 0 时的带宽。对于超宽带( u w b ) 天线，其阻抗带宽要求为7 5 g h z 。 天线的增益为在相同的输入功率( 乞) 下，某天线产生于某点的电场强度( 秀) 的平方与无耗理想点源天线产生在同一点的电场强度( e o ) 的平方的比值，通常 用g 表示： i 2 g = 二了( 2 2 ) 瓦 天线的方向系数是指在相同的辐射功率( 只) 下，某天线的产生于某点的电 场强度的平方与点源天线产生在同一点的电场强度的平方的比值，通常用d 来表 示： i 2 d = 三；( 2 3 ) 毛 通常以天线在最大辐射方向的增益作为这一天线的增益，以天线在最大辐射 方向的方向性系数作为这一天线的方向性系数。天线增益( g ) 和方向性系数( d ) 是两个相互紧密联系的物理量，其关系为： g=叩d(2-4) 其中7 7 是天线的效率，它是天线辐射功率和输入功率的比值，即 p ，72 手 ( 2 - 5 ) 1 胁 天线的效率表示天线在能量变换上的性能。u w b 脉冲通信和传统的无线通 信的调制传输技术有着根本的区别。首先要求其频带宽，传输速率高；其次是要 求功率低，功耗小；再次要求它定时定位准确，抗多径能力强。 第二章超宽带天线基本理论及分析方法 2 2 超宽带天线的分析方法 2 2 1 微波工程问题分析方法概述【2 9 】 微波工程问题的核心是实现实际微波电路的分析和设计，具体包括天线、接 收机和发射机的分析和设计等。设计工作要以分析工作为基础，因此，微波工程 问题的分析方法在微波工程占有重要的地位。微波工程分析的对象在数学上可以 归结为边值问题，分析方法一般可以分为解析法、近似解析法和应用广泛的数值 方法。 解析法包括分离变量法和变换数学法，分离变量法针对微分方程而言，变换 数学法则是针对积分方程而言的。解析法能够得到待求函数的闭式解，但是仅仅 是能够解决几种简单、经典的微波结构。 近似解析法包括变分法、微扰法、高频和低频近似法以及直线法等。很多复 杂的微波工程问题都可以看成是某个简单、有解析解的问题的某种变化，变分法 和微扰法都能够对这类问题给出以对应简单结构的解为主项的近似解。高频近似 法是在电磁散射和辐射问题中，当散射体或者辐射体的电尺寸很大时，对于微波 及其目标的相互作用采取光学近似以简化计算的方法。相应地，低频近似是在微 波结构的电尺寸很小时，采取静电场近似以简化计算的方法。直线法则是指在多 维问题的求解过程中，在某些维向上采用解析函数表达，而在其它维数的方向上 采用离散和插值的一种方法。 计算电磁学在工程中有重要的应用，是进行计算机模拟的主要工具。电磁工 程问题的研究和设计以麦克斯韦方程为基础，此外还要使用一些基本的定理，例 如互易定理、等效定理、惟一性定理、线性、对称性等。常用的计算电磁学的数 值分析方法主要有有限差分法、有限元法( f e m ) 、矩量法( m o m ) 、多极子法 ( m m p ) 、几何光学绕射法( g t d ) 、物理光学绕射法( p t d ) 和传输线法( t l m ) 等。 2 2 2 有限元方法介绍 时域有限差分法( f d t d ) 、有限元法( f e m ) 、矩量法( m o m ) 等都可以应 用到超宽带天线的设计和分析中，这里只对比较典型的有限元法作简单的介绍。 有限元法最初是由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出的【3 0 1 ，一般应用于结构分析领域， 直到1 9 6 8 年才开始应用于解决电磁理论的相关问题，比如传输线问题、波导的计 1 4 陷波以及小型化超宽带天线设计 算、电机的设计、散射问题等【3 1 1 。有限元法是一种积分数值方法。从数值分析和 数值建模的角度看，积分数值方法是用切分区域上的近似函数去逼近，因而积分 方法得到的平均意义上的近似解是函数意义上的近似。普遍意义下的有限元法是 将考察的连续场分割为有限个单元，再用比较简单的函数表示每个单元的解，但 并不要求每个单元的试探解都满足边界条件，边界条件并不进入有限元的关系式， 所以对内部和边界都可以采用同样的函数，边界条件只在集合体的方程中引入， 其过程也比较简单，只需要考虑强迫边界条件。有限元法的优点可以总结为： 1 最终求解的线性代数方程组一般为正定的稀疏矩阵。 2 特别适合处理有复杂几何形状物体和边界问题。 3 方便于处理有多种介质和非均匀连续媒质的问题。 4 便于计算机上实现，可以做成标准化的软件包。 图2 1 有限元法分析过程 有限元法的分析过程，一般要经过如图2 1 所示的六个步骤，首先将连续的 区域分割为有限个单元，用简单的子单元以积木式逼近，每个单元上都用一个简 单函数描述。插值函数的类型一般选择为多项式，用结点( 图形顶点) 的场值求 取子域中各点的场的近似值，其次数与结点数有关。在找到对应的变分问题以后， 将已知的插值函数进行微分、积分运算，整理出单元形函数，单元系数矩阵，建 立单元特征式。对单元系数矩阵的推导，取决于差值函数、单元几何形状、单元 材质。把单元特征式采用简单处理方法加以合并，然后表示为整域上的线性方程 组，结点互联处的场值相同，一般此过程可由计算机自动完成。考虑边界条件并 修改所得到的系统有限元方程，采用适当的方法求解线性方程组，求得节点处未 知场的数值。再由插值函数求域中任一点的值。若关心其他物理量的值，可进行 附加计算。由场量求取其他的重要参数，如电荷分布、电流分布、电压分布等， 可由相应的物理规律，经离散化处理后，得到各单元相应的表达式。 广义上讲，三维m a x w e l l 方程组是三维电磁场问题的三维支配方程，但是一 第二章超宽带天线基本理论及分析方法 般情况下为了方便求解和建模，大多选取由m a x w e l l 方程组的前两个旋度方程导 出的电场强度满足的矢量亥姆霍兹方程作为支配方程。比如支配方程可选为： v ( 去v x 寸镌e = 。 亿6 ， 式中，i , o 是自由空间波数，以是复相对磁导率，s ，是复相对介电常数( 考虑了介 质的损耗) 。根据变分原理，( 2 1 ) 式的泛函可以写为： 即) = 胍怯( v 删巾叫锥p 十q 亿7 ) 需要强调的是，这只是无源区域内支配方程对应的泛函，还没有强加边界条 件和源项。在利用变分原理和离散化方法建立了有限元矩阵方程后，面临着求解 以结点值为未知数的矩阵方程。可将方程写为： a x = b( 2 8 ) 式中系数矩阵4 是一个n x 疗方阵，x 是待求解的未知量，b 表示已知向量。 为了精确描述电磁场工程中的实际问题，许多应用中的系数矩阵的维数( 对应离 散剖分的结点值未知量个数) 非常大。当利用计算机寻求数值解时，我们将遇到 庞大的计算机内存需求和过长的计算时间。但是，有限元离散得到的矩阵总是稀 疏的、对称的和带状的。如果充分利用这些性质，就能大大节省存储量，并减少 计算时间。 当式( 2 8 ) 右端的已知激励向量b 不为零时，为确定性方程求解，也就是利 用各种等效方法对矩阵a 求逆，其中最适用于有限元方法矩阵的是分解法。l u 分 解是最基础的一种方法，很多的快速分解方法都是在其基础上发展而来的，所以 我们这里将介绍l u 分解方法。如果矩阵可以分解为： a x = l u ( 2 9 ) 其中，是一个下三角矩阵，是一个上三角矩阵。那么，先求解： l y = b ( 2 1 0 ) 然后求解： u x = y ( 2 1 1 ) 即可得到式( 2 3 ) 的解。因为是一个下三角矩阵，y 可通过前向替代过程而获 得： 乃2 f - 1( 2 1 2 ) 1 6 陷波以及小型化超宽带天线设计 咒= f 1h 一乙儿| ，f 1 ( 2 - 1 3 ) 、 k = l 然后，x 可通过后向替代过程而获得： = 导 ( 2 1 4 ) “m 、 这种分解算法其计算的复杂度正比于o f n 31 ( n 为矩阵的维数，也即未知数 的数目) ，并没有利用有限元带状稀疏阵的性质。进一步利用带状稀疏阵的分解算 法能够有效地提高运算效率，降低计算复杂度【3 2 1 。 有限元法分析的最终是要还原一个实际工程系统的数学行为特征。模型必须 包括所有的节点、单元、材料属性、边界条件，以及其它用来表征这个物理系统 的特性。模型的建立一般有两种方法，实体建模和直接生成。实体建模首先描述 模型的几何边界，建立对单元大小及形状的控制，然后通过程序自动生成所有的 节点和单元。直接生成方法是在定义实体模型之前，首先确定各个节点的位置、 每个单元的大小、形状和单元间的连接