（电磁场与微波技术专业论文）应用于uwb的对数周期天线分析与设计.pdf

东南火学硕士学位沦文 硕士研究，上 指导教师 蒋晓虞 窦文斌教授 摘要 自从2 0 世纪5 0 年代末对数周期天线( l o g p e r i o d i ca n t e n n a l p a ) 问世以来，其 卓越的宽带性能使其获得广泛应用。针对所需频段不同要求，以及随着材料工艺的发展， 对数周期天线发展出多种形式。同时，美国f c c ( 联邦通讯委员会) 2 0 0 2 年2 月批准 将一直应用于军事雷达的u w b 部分频段开放民用之后，u w b 技术成为个人无线区域 网及其它超短波无线通讯研究的新宠。目前开放的频段为3l 1 0 6 g h z ，所以研究在这 个倍频段中可以有效辐射时域短脉冲的天线亦成为此项研究的相当重要的一个方面。相 应的，对数周期天线以其本身固有卓越的宽带特性成为u w b 天线的候选方案之一。 本文首先对u w b 技术发展、u w b 信号及对天线作简要介绍i 而后介绍多种形式的 对数周期天线及其应用；并且仿真分析了适用于u w b 天线的对数周期天线结构，讨论 了其色散问题及解决途径；由于u w b 的特殊要求，而后采用f d t d ( 时域有限差分) 方珐分析了天线发送、接收的时域波形及其谱域分析；最后为得到更好的性能，以改变 天线的结构参数及开缝措施进行改进，并针对u w b 系统所希望的小型化，从改变天线 结构以及增加介电常数两个方面来缩小天线尺寸。 从分析结果可以看到，所得对数周期天线s 1 1 参数( 即回波损耗：r e t u r nl o s s ) 、辐 射方向图等都符合u w b 对天线的要求。众所周知，对数周期天线有色散效应，而色散 效应将直接导致短脉冲的失真，但采用长振子端馈入、短振子端辐射的馈电方式可改善 这一问题，本文的f d t d 分析验证了这一点。虽然从天线的工作原理而言，对数周期天 线是一种用结构换取频带的天线，但仍可通过多种措施缩小尺寸，从而达到应用于小型 移动通信设备的目的。综上所述，将对数周期天线运用于u w b 系统是可行的。 关键涮：u w b ，超宽带，埘数周期天线，埘数周期偶极予天线，f d t d ，时域短脉冲 东南大学硕上学位论文 m s e ec a n d i d a t e ：j i a n gx i a o y u s u p e r v i s o r ：p r o fd o uw e n b i n a b s t r a c t t h el o g p e r i o d i ca n t e n n a ( l p a ) h a sb e e nw i d e l yu s e df o ri t ss p l e n d i df r e q u e n c y i n d e p e n d e n tp e r f o r m a n c es i n c ei tw a si n v e n t e db yt h ee n do f5 0 so ft h e2 0 “c e n t u r y w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h em a t e r i a la n dt e c h n i q u e ，m a n yf o r m so fl p a s ，s u c ha st h el o g p e r i o d i c d i p o l ea n t e n n a ( l p d a ) ，h a v eb e e nd e v e l o p e da n dt h e s ea n t e n n a sc o u l dm a t c ht h ed i f f e r e n t r e q u e s t so fd i f f e r e n tb a n d s i n2 0 0 2 ，ap a r to fu w b ( u l t r aw i d eb a n d ) b a n dw a sa p p r o v e d t o b eu s e di nc i v i l i a ni n d u s t r i e sb yf c c a n dt h eu w bt e c h n o l o g yb e c a m eah o t s p o to ft h e r e s e a r c ho ft h el a na n do t h e ru l t r a - s h o r tw a v ec o m m u n i c a t i o n s n o wt h ea p p r o v e du w b b a n dr a n g e sf r o m3 i g h zt o1 0 6 g h za n dt h es t u d yo ft h ea n t e h n a st h a tc o u l dt r a n s m i t s h o r t - p u l s ei nt h i sb a n dw i t h o u td i s t o r t i o ni sv e r yi m p o r t a n t t h el p a i so n eo f t h ec a n d i d a t e s b e c a u s eo fi t sf r e q u e n c yi n d e p e n d e n tp e r f o r m a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eu w bt e c h n o l o g y , u w bs i g n a l sa n da n t e n n a sa r ei n t r o d u c e d b r i e f l ya tf i r s t n e x tm a n yf o r m so fl p a sa n dt h ea p p l i c a t i o n sa r ep r e s e n t e d a i l dt h e nt h e l p a sa n dl p d a st h a tm a yb eu s e da su w ba n t e n n a sw e r es i m u l a t e d n e x tt h ed i s s e r t a t i o n d i s c u s s e st h ed i s p e r s i v eb e h a v i o ro ft h ec o n v e n f i o n a il p d a ，w h i c hm a yc a u s ed i s t o r t i o n ，a n d t h em e t h o dm a ys o l v et h i sp r o b l e m t h e nt h er a d i a t e da n dr e c e i v e ds i g n a l sw i t hl i t t l e d i s t o r t i o nw e r eg o t t e nt h r o u g hu s i n gf 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 ) m e t h o d l a s t ， t h ec o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r so ft h ea n t e n n aa r ec h a n g e df o rb e r t e rp e r f o r m a n c ea n d s m a l l e rs i z e f r o mt h er e s u l t ，t h er e t u r nl o s s ( s 1 1 ) a n dr a d i a t i o np a t t e r n sm a t c ht h er e q u e s to f u w b a n t e n n a s a n dt h es i z ec o u l db er e d u c e db ym a n ym e t h o d st h o u g hl p d a si so n ek i n do ft h e a n t e n n a sw h i c hg e tw i d e b a n da tt h ec o s to fl o n gs t r u c t u r e s a n df r o mt h er e s u l to ft h e a n a l y s i sw i t hf d t dm e t h o d ，f e e d i n gt h ea n t e n n aa tt h el a r g e r , l o w - f r e q u e n c ye n dc a n i m p r o v et h ed i s p e r s i v eb e h a v i o ro ft h el p d a s t h u s ，t h i sk i n d o fl p d aa n a l y z e di nt h i s d i s s e r t a t i o nm a yb eu s e di nu w bs y s t e m k e yw o r d s ：u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) ，l o g p e r i o d i ca n t e n n a ( l p a ) ，l o g - p e r i o d i cd i p o l e a n t e n n a ( l p d a ) ，f d t d ，s h o r t - p u l s e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我卜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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。- 虢亟良坐z 严 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容楣一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 一龋雄铆虢趔 第一甑绪论 第一章绪论 半导体技术与嘲络技术的不断发展，为无线通信的应用开辟了广阔前景，诸如无线 因特网、无线局域刚、无线个人区域网等已得到广泛应用。而这些应用的推广与提高又 呼唤新的技术进步。而下一代移动通信要求在全球范围内实现无缝覆盖，同时可以进行 包括语音、文本、图像、视频等在内的高速多媒体通信。在有限的频谱资源条件下，要 达到这样的目标，必须缩小无线信号的传输半径，极大程度地复用频谱资源，提高单位 空间的信道容量。在这样的背景下，超宽带u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 这类短距离、高 空间容量的技术日益兴起，成为目前无线通信领域的热点。 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2 月14 目批准了一个过去用于军事和政府部分的超宽带无线频段可用于民用。u w b 以其高速、 低耗等特点迅速成为民用无线通信研究的重点。 1 i 超宽带( u w b 一- - u l t r aw i d eb a n d ) 介绍 1 0 1 1 1 3 1 1 1 4 1 超宽带技术的最初形式为脉冲无线通信，起源于2 0 世纪4 0 年代，从其出现到2 0 世纪9 0 年代之前，u w b 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，u w l 3 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o 2 0 1 5 n s 之间) 的一种通信，也称为脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 、 时域( r i m ed o m a i n ) 或无载波( c a r r i e rf r e e ) 通信。它具有g h z 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。 u w b 即超宽带通信定义为f 2 4 1 ：要求相对带宽比( 相对带宽比：z = 揣t 一 蘑磊喾“。 其中厶和正分别为系统的高端和低端频点( 按一1 0 d b 计算) ) 高出2 0 或者绝对带宽 大于0 5 g h z ，其传输速率可超过1 0 0 m b p s ，具有这样特性的系统称为u w b 系统。 用上图11 束具体说明u w b 它拥有绝对宽的带宽，其射频能虽分布在整个g h z 数量级的频带上，相比它要比其它窄带系统高出数量绒的带宽，但是其能量相对窄带而 言是微不足道的，所以u w b 信号可以被设计类似现有系统所不能察觉的随机信号。 现今，开放于民用的范围限于3 小一1 0 ，6 g h z ，且在这一范围内，有效各向同性辐射 功率不超过f c c 定义的限制1 2 q 。从f c c 的定义可以看出，现在的u w b 己不仅仅局限 于最初的脉冲通信了，而是包括了任何使用该超宽频谱的通信形式【2 4 】。就应用方面， 除以往的军事应用，现已扩展到渚多民用领域，如2 0 m b p s 以上的高速无线局域网、高 度计、民航防撞雷达、汽车防撞感应器、高度定位、无线标签和工业射频监控等等。另 外，f c c 还规定了u w b 室内通信、室外手持设备、传墙成像、医疗成像等多种应用条 件f 使用频谱的限制。 虽然1 2 3 1 u w b 在过去已进行了应用开发，但是要实现商用化，仍然存在很多应研究 的课题，大致有以下几点 2 3 1 ： 1 在超宽频段产生时间极短脉冲的电路、元件以及超宽频段天线、高频电路的制 造： 2接收时每个脉冲位置的检测精度； 3 多径环境下脉冲信号间的干扰： 4 多用户环境下脉冲冲突产生的用户间的干扰( 系统干扰) ； 5 共用频率( 共存系统) 产生的系统问干扰。 1 2 u w b 的特点b o l u w b 由于占有带宽达到数g h z ，即使传送路径特性良好也会产生失真，但其具有 以下的优点，使得u w b 仍然倍受重视。 1 抗干扰性能强 u w b 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉 冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设各产牛的噪声。接收时将信弓能 量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益，因此，在同等码速条r 下，u w b 具有更强 的抗十扰忭。 2 传输速率高 u w b 的数据速率可以达到几卜m b p s 到几百m b p s 。 3 带宽极宽 u w b 使用的带宽在1 g h z 以上。超宽带系统容量大，并目i l j 以和目前的窄带通信 系统同时工作向互不干扰。 编一章鲻论 4消耗电能小 通常情况下，尢线通信系统在通信时需要联系发劓载波，因此，要消耗一定电能。 而u w b 小使用载波，只是发出瞬时脉冲电波，邑只在需要时才发送脉冲电波，所以消 耗电能小。 5保密 生好 u w b 保密性能表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩 频码时才能解出发射数据：另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无 法接收。 6发送功率非常小 u w b 系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1 r o w 的发射功率就能实现通信。 低发射功率大大延长系统电源的工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的 影响也会很小。这样，u w b 的应用面就广。 7 定位精度高1 2 4 信号的定位精度与其带宽直接相关，u w b 信号的带宽一般在5 0 0 m h z 以上，远远 高出一般的无线通信信号，因此，其所能实现的定位精度也很高。基带窄脉冲形式的信 号，因为其带宽通常在数g h z ，所以其定位精度更是可以高达厘米量级。 而且，它把多路径的时延分解到】i s 以下，这样就能充分抑制多路径衰落的影响： 利用高的路径分解能力，可用u w b 实现室内的高速高质量近距离无线通信：发送功率 极低，不对其它宽带传输带来影响。 1 3 u w b 信号 1 2 j 2 4 u w b 的主要信号形式可分为传统的基带窄脉冲形式( 如图l | 2 所示：不用余弦载波) 和调制载波形式。前者多用于探测、透视、成像、以及低速、低功耗、低成本通信等领 圈12 ( a ) g a u s s i a nm o n o c y c l e 的时域波形及功率谐 陶12 ( b ) m o n o c y c l e 构成的p u ls et r a i n 的时域波形和功率谱 东南j 、学垮，十学位沦史 域；而后者是2 0 0 2 年f c c 规定了u w b 通信的频谱使用范围和功率限制后产牛的，是 只前u w b 高速通信较多采用的一种。 通常脉冲时宽从微微秒到纳秒f 】2 】；典型的脉冲为高斯型及升余弦波形式等；脉冲重 复周期为0 i n s 。在系统设计过程中u w b 信号的波形和脉冲宽度对信号的频谱分布及 减小对其它r f 系统的影响起决定性作用。通常，u w b 信号的脉冲宽度在0 2 l5 n s 之问。单个脉冲信号的两个突出的特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前沿的单个短 脉冲，二是激励信号包括很宽的频谱，从直流( d c ) 到微波波段。目前产生脉冲源主 要有两类方法：一是光电方法；二是电子方法，后者是目前应用最广泛的方案。 而调制载波形式为：通过调制载波，可将u w b 信号搬移到合适的频段进行传输， 从而可更加灵活、有效地利用频谱资源。同时，调制载波系统地信号处理方法与一般通 信系统采用的方法类似，在目前的条件下，更容易实现高速系统2 4 1 。 1 4u w b 发展前景1 1 3 】 u w b 无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。目前埘于u w b ，人们寄 希望于两大用途，一是近距离无线传输( 主要是个人周围的设备之间进行数据通信，即 是所谓的个人区域网) ，传输距离较近，一般在l o 一2 0 米左右；二是雷达、定位用途， 传输距离可更远，特别是采用基带脉冲方式时【2 4 】，具有较强的透视功能，可以穿透数 层墙壁进行通信、成像或定位。u w b 技术已经在许多领域得到了广泛应用，如果能够 正确地实现该技术，u w b 系统可以和传统的无线系统共享频谱资源而不会产生有害干 拢。现在微电子技术的迅速发展使得u w b 系统可用较好的性价比来实现。 从u w b 的发展方面，调制载波的u w b 通信方式是目前高速无线多媒体应用领域 的主流，而基带脉冲方式在低速通信、透视、勘探等多个领域具有诸多优势。 u w b 技术可以应用于无线多媒体局域网，家域n 个域两x 1 2 4 1 、无线传感网、雷达定位 和成像系统、智能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。 为了不干扰现有此频段中的应用，f c c 正在研究u w b 商用频带及相关技术，并按照商 用化观点制定具体方案。 1 5 u w b 系统对天线的要求以及常见的u w b 天线1 1 4 l 最早的u w b 天线是称为“瞬时放电间隙”传送器的巨大的双圆锥天线1 1 4 l ，随着工 作频率越来越高，从双圆锥发展出多种形式的u w b 天线。 目前u w b 窄脉冲形式是通过i 、r 具有很多f ：升和下降时间的脉冲进行直接调制，从 而具有g h z 量级的带宽，所以，可以在非常宽频带内有效辐射时域短脉冲的天线成为 此项研究的个很重要的方面。u w b 天线应该具有以下几个要求1 1 1 ： - 辐射脉冲应保持激励信号性状，脉冲失真耍小： 第一帚结论 - 天线输入端反射信号耍小 - 住一定片向上 虿射信号的幅度应尽可能大 日前应用于此类u w b 系统的天线主要有：加脊喇叭、对数周期天线、宽带偶极予 天线、t e m 嘲叭、微带宽频带天线与阵列、螺旋天线、圆锥天线等等。因要求无失真 地辐射及接收短脉冲，要求这些天线在相当宽的频带内辐射方向图、输入阻抗以及反射 系数满足一定的要求。一般存在的不足就是频带不够宽、脉冲失真以及辐射效率低、要 从材料和结构多方面考虑改进，以期获得优良的宽频带性能。 图l3 加脊喇叭 图l5 宽带偶极子天线 图l4对数周期天线 圈i6 螺旋天线 而利用于调制系统的天线由于采用将频段分成几十至几百m h z 的小频段进行传输， 对于天线的要求就不像上面所说如此严格。此类系统对天线的要求：具有倍频级的带宽、 辐射效率高、在每- d , 频率间隔之间波形失真小，故而应用于短脉冲的天线亦可用于此 类天线。所以本文着重讨论短脉冲天线。 1 6 本文工作的目的和意义 超宽带技术产生于上个世纪4 0 年代，在9 0 年代以前一直为军事用途。随着f c c 将u w b 频段开放民用及其本身的特点，使得其成为通信领域，雷达定位及成像系统等 方面中的研究热点。因u w b 首次应用于商业，包括硬件以及协议都需要重新研究和制 定，其中，适用于u w b 系统的天线的研究是u w b 研究的至关重要的一个环节。，在 u w b 通信系统中，天线是一种脉冲成形滤波器，定形状的短脉冲从信号源产生并馈 入天线后，要求天线能无失真地将脉冲波形辐别出去，u w b 信号频带内任、频率的失 东南大学预 学位 文 真都将导致发射脉冲的形状失真。因此，超宽带短脉冲大线应具备相应的特征。 对数周期天线产生于2 0 世纪5 0 年代末，是根据“ 目似”概念构成的j f 频变天线的 种类蚕! ，具有很好的宽频特性，在宽带无线传输中有着广泛的应用。在微波波段，可 以作为反射面天线或者透镜天线的照射器、相控阵天线的辐射单元等：在超短波波段， 可以作为全频道的电视接收天线或应用于其它宽频带场合：在短波波段，它是目前唯一 的能利用一副天线工作于整个短波波段并保持优良电性能的宽带天线。对数周期天线本 身所具有的宽带特性使得其成为u w b 天线的候选方案之一。对数周期天线有着多种结 构，大体分为两类：对数周期天线( l p a ：l o g p e r i o d i ca n t e n n a ) 及对数周期偶极子天 线( l p d a ：l o g p e r i o d i cd i p o l e a n m n n a ) 。工作原理基本致，不同的是前者为双向辐射， 而后者为单向辐射。分析对数周期天线的常用分析计算方法是矩量法，主要就是建立阻 抗矩阵，得到电流分布，进而计算辐射场及方向系数，也有少量文献提及了利用f d t d 分析对数周期偶极子天线。 考虑到天线的小型化以及性能等方面，本文采用了印刷电路扳形式的对数周期天 线，并采用长振子端馈电的方式以降低色散的影响。本文利用h f s s 分析印刷电路板对 数周期天线的频域特性，针对u w b 的要求改进天线结构，并利用f d t d 方法分析其发 射及接收的时域波形。由于对数周期天线是一种牺牲结构尺寸、天线增益来换取宽频带 的天线，所以要做到系统所希望的微小尺寸还有一定距离，可以通过增加介电常数、开 缝、改变振子方向等摧施尝试减小天线尺寸或提高天线性能。 全文共分为五章，本章主要介绍了u w b 的基础知识以及研究工作的目的意义等， 其它各个部分简要介绍如下： 第二章，主要介绍了各种对数周期天线，及其发展过程、特点。 第三章，主要介绍了利用h f s s 分析的几种形式的对数周期天线并进行比较，可以 看到所选用天线相对优秀的特性。 第四章，主要介绍了f d t d 方法解决本问题的步骤，以及分析了发射天线以及接收 天线的时域特性。 第五章，对所分析天线按照要求迸一步地改进，并加以分析，以期获得更小的尺寸 和更好的性能。 第二章剐数周崩天线 第二章对数周期天线 对数周期天线是非频变天线的一种类型，在1 9 5 7 年由r h d u h a m e l 提出的。它根 据“相似”的概念构成，即当天线按照某一特定的比例因子r 变换后，仍然为其原来的 结构。天线的特性随频率的对数作周期变化，只要在一周期内天线性能指标变化很小， 就有可能达到非频变天线的基本要求。而且，不同于等角螺线天线f 2 】是一种结构连续的 自相似结构，对数周期天线是一种离散的自相似结构。目前，对数周期天线己成功地应 用于1 0 ：1 或1 5 ：1 的频程范围。 2 1 对数周期天线( l p a ) 的结构及工作原理 1 1 1 2 1 1 3 4 1 对数周期天线( l p a ，l o g - p e r i o d i c a n t e n n a ) 1 由 2 1 所示的蝴蝶结天线【1j ( 也称为双 鳍形天线) 演变而成，而蝴蝶结天线是由无限长双圆锥天线发展而成的。如图2 1 的天 线在垂直于天线平面方向上具有双向辐射的性能，辐射线极化波。但由于径向电流在天 线末端突然中止，因此它具有有限的带宽。 图21 ( 蝴蝶结天线) 凰2 2 ( 平面齿对数周期天线) 对其进行改进，按照自补偿原理和周期性结构的特点，就构成了如图2 2 的平面齿 对数周期天线，它具有宽频带特性。图中，除了齿以外它相似于蝴蝶结天线，齿的分布 是按照等角螺旋线设计的。其中，同齿片同侧的相邻外缘的比值r 是一常数，即： ，：叠。l 民 ( 2 1 ) r 称为周期率，它给出了结构的周期。同时，齿宽如下式表示： 仃：鱼 1 一t ( 2 2 ) 这里，齿的作用主要是阻碍径向电流，齿片上横向电流远远大于径向电流。如果齿长恰 一一! 堕：! ：! ! ：兰丝堡兰 等丁谐振长皮( 即齿的一臂约等于四分之一波长) 时，该齿具有最大的横问电流，其| f 近的几个齿上也具有一定幅度的横向电流，由此产生辐射。而那些凼长大于凿振长度的， 其上的电流将迅速f 降到最大值的一3 0 d b 以下。在天线末端反射回来已极微弱。当频率 改变时，谐振点移动，但天线的几何形状保证了天线的特性不受谐振点移动的影响。对 数j 上j 期天线之所以有宽频带特性，是利用天线的周期结构代替无限氏结构。 若天线结构是无限长，当频率为厶和工+ ，时，满足f f 。= i 1 ，那么在这两个频 率匕，天线将具有相同的电特性。对其取对数，则有1 2 ： 1 1 1 工_ h 六+ 】2 l n 7 或 h ： + 。一l n = l n ( 1 r ) ( 2 3 ) 则频率的对数的周期都是相同的，同为l n ( 1 r ) 。由于齿的结构是离散的，当频率在一个 对数周期范围内( 即工 厂 五。) 变化时，天线性能会有某种捏度上的改变，但是只 要这种变化不超过一定指标的限度，就可以认为天线基本上具有非频变的电特性。正是 由于天线性能在很宽的频率范围内以l n 0 r ) 为周期作重复性变化，因此称为对数周期天 线。 若适当调整天线的尺寸。使之称为为自补形式，即，天线臂的金属片与空间间隙相 同，即y = 口= 1 3 5 。及= 4 5 。，此时，输入阻抗将有非频变特性，理论为1 8 8 5 q 【1 1 。 实际上，天线的带宽并非无限。天线不可能无限向外延伸，它的有限长度限制了天 线工作的低端频率。这个低端频率对应于最长的齿大约等于1 4 波长的频率。另一方面， 由于天线中心点附近要接馈线，不可能把天线向内延伸到中心点，这就限制了天线工作 的高频端，该频率对应于最短的齿大约等于l 4 波长时的频率。对数周期齿形天线的工 作区是齿长大约为四分之一波长的齿附近。事实上，这种天线有超过1 0 ：1 的带宽，具 有几乎不变的方向图特性。 对数周期天线的结构形式很多 3 1 1 4 1 ，臂可以由金属片或线制成，齿可以是三角形或 梯形等。为获得单方向性，可以将两臂以一定角度对折成v 形。从结构观点来看，稀 望齿形天线的齿做成直的。图2 3 ( a ) 及图2 3 ( b ) 为两种常见的形式，图23 ( a ) 是将图2 2 的弯齿拉直，称为对数周期梯形天线；而图23 ( b ) 是将图23 ( a ) 的板面改成导线( 通常 是为了减轻重量) 。这些天线都是双i 向辐射的，即在垂直f 板面的前后两方确最大辐射。 2 2 对数周期偶极子天线( l p d a ) 工作原理1 1 1 1 2 1 六f 年代初期，对数周期天线有了进一步改进，发展出了如图2 4 所示的对称振子 尉2 j ( a ) ( 对数周期梯形天线) 图23 ( b ) ( 导线对数周期天线) 结构的对数周期偶极子天线，表示为l p d a ( l o g 。p e r i o d i cd i p o l ea n t e n n a ，如图2 4 所 示) 。注意到，相邻振子交叉地与馈线连接。这一点可以这样解释：对比图2 _ 4 的振子 结构和图2 3 ( a ) 的齿片结构，若将梯形齿的两边折合在一起，构成内夹角为零的共 面结构时，则两天线是类似的，这种l p d a 形式的天线在短波和超短波波段己获得广泛 的应用。 吲24 ( 聪数剧n 偶极子天线) 该天线由_ v 个平行排列的对称振子构成，其结构特点是各振子的尺寸、位置和振子 的序号有关，即是按照结构周期r 组成的，有f 式： r ：皇盟：纽：盟 ( ，4 1 d 。i 。r 。 副对称振子用一对双线传输线进行馈电，馈电源接在短振子的- 端，两相邻振子交 叉馈电。l p d a 辐射的电磁波是线极化波，电场的极化方向平行于振子方向，指向短振 子方向为最大辐射方向。 从天线工作的物理过程进一步说明该天线宽频带的l 作原理。当天线馈电后，由信 号源提供给的电磁能量沿着馈线传输，依次刑每个振子进行馈电。只有长度接近谐振长 度的这部分振子才能激励起较大的电流，向空间形成有效的辐射，通常这部分振子为有 效区或辐射区i 向远离谐振长度的那些或长或短的振子上电流很小，划远场几乎没有贡 献，称为传输区或未激励区。这就是说，对某工作频率而言，各振子由于电尺寸不同 竹】起着不同的作用。 1 传输区。是指从馈电点到辐射区之问的这一段短振子区域。由于振了帕电尺寸很 小，输入端m 抗很大，所以振予上电流很小，可忽略其辐射效应，这个区域主要是起传 输电磁能量的作用。 2 辐射区。包括长度接近谐振波长的几个振子及其相应的馈线部分。通常是谐振振 子和长度略小于谐振长度的振子2 3 各及长度略大于振予1 2 个所共同组成的4 6 个振子的辐射区。这些振子能有效地吸收从馈线传输来地导波能量，并转而向空间辐射， 形成自由电磁波。 3 未激励区。通常它包括了所有长度大于或很大于谐振长度的那部分长振子及其相 应的馈线部分。未激励区的存在主要是由于沿着馈线传输的电磁能量被辐射区有效地辐 射了，致使超过辐射区后，振子上地电流迅速减小到可以忽略的程度。该区域的存在， 减弱了终端反射。 z ll 才 | | 夕 、刽 一y 啦t 德慕 蝼羽， 图25 ( 对数剧期偶极于天线的坐标系) 图2 6 【对数周期偶拔子天线方向图示例) 当工作频率改变后，辐射区的集合位置前后移动，但它与天线集合顶点之间以波长 记的轴向距离却保持不变，或者说辐射区的相位中心与天线集合顶点之间的电长度等于 常数，与频率无关。由于天线尺寸有限，当辐射区移至天线端部，即包含了最长振子或 最短振子时，辐射区遭到破坏，从而限定了最低和最高的工作频率。为了保证天线在工 作波段内有良好的电特性，令工作带宽b 、辐射区带宽b o ，与结构带宽b 。有下列关系： 其中工作带宽 b ，= b x b ，r ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第一章列数削期天线 结构带宽： e = ，1 1 _ ( 2 7 ) t n 即为最长振子长度与最短振子长度之比。 由以上可以看到，对数周期天线为获取极宽的工作频带而付出了代价，即是：在任 一工作频率上，对数周期天线的整个结构并未全部发挥作用，市仅仅是一部分振子一一 辐射区的振子产生有效辐射。当工作频率改变后，例如频率降低，辐射区就向长振子端 移动，从电尺寸的观点来看，辐射区的电尺寸一振子长度、间距及所在的位置都不随 着频率发生改变，这就是对数周期天线电性能基本与频率无关的原因。 2 3 微带对数周期天线 3 1 1 4 1 6 1 1 7 1 8 微带天线是七十年代初期研制成功的一种新型天线。它是由一个薄的介质片( 厚度 h c 波长) ，其上面用金属沉积有矩形、圆形或其它几何形状的辐射元，而背面贴以金属 薄层作接地板所构成。辐射元可用微带线或同轴线馈电。 微带天线结构上的特点是体积小、重量轻、薄的平面结构，制造工艺简单，成本低， 但其缺点是频带窄，低效率的f 1 1 。针对u w b 系统在个人区域网的应用中，希望天线可 以在带作允许的前提下尽量的小，而且对数周期天线本身固有的宽带特性可以克服微带 天线的窄带特性，所以考虑使用微带对数周期天线是本文的主要研究内容。而且此种印 刷电路板形式利于与主体电路集成，也成为我们选择的理由。国内外也有多篇文章讨论 过微带对数周期天线 6 1 1 7 1 1 8 1 us 。如图2 7 展示了多种微带对数周期天线。 已 3 c 与 圈27 ( a ) ( 弧形振亍成其回波损耗罔) 6 1 曙e 乐南大学恤f 学位论文 8 0 09 0 01 0 c 0 ”o o1 2 0 0 3 0 01 5 0 0 b 0 c f 辕5 v 8 w rd ff o 8 6 e n n w 协m i c 憾h b i u n t 图2 , 7 ( b ) ( 同轴馈平面对数周期天线及驻波比图) 【1 8 】 f j e3 m 瀚瞄啪l i 丑憾d 龇- 8 ( t l z l i d # 嘞噼曲觇醢 图27 ( c ) ( 带状线列数周期天线及其剧波损耗图1 【7 1 1 8 】 基于上述的优点以及对u w b 系统的要求，本文主要分析了微带型对数周期天线， 利用h f s s 仿真分析了图2 7 ( a ) 及( c ) ，并将图2 7 ( a ) 的弧形振子重新设计为直振 予以减小制作的成本，得到了较为优秀的宽频特性，因考虑到希望可以得到体积尽量小 的天线及获得单向辐射图，故而又着重研究了图2 7 ( c ) 的带状线对数刷期偶极子天线。 又因为u w b 天线需要观察时域特性以确保发送的短脉冲可以保持基本不失真，所以利 用f d f d 方法分析了图2 7 ( c ) 所示的天线，得到了输入及输出波形以及不同时刻的等 高线圈，这在以前的工作中是未见的。最后，为了得到更优秀的天线性能以及进一步可 以减小天线的体积，做了开缝、改变天线振子形状等等的改进，并做了比较。以上所述 将在下几章中详细给出。 0 8 6 2 0 8 6 2 o；l：11 第三章微带对数周期之仿真及叫论 第三章微带对数周期天线之仿真及讨论 在u w b 系统应用中不仅要求天线在3 ，1 1 0 6 这个频段内有效并不失真地辐射信 号，同样希望天线可以做到尺寸小且制作简单。随着材料科学及加工工艺的发展，微带 天线成为天线家族中举足轻重的一员，并且由于微带天线固有的轻薄且可通过改变介质 板参数来调整天线尺寸，所以，在现今通信工业更多采用集成化、小型化的趋势中，微 带天线的优点愈加突出，并受到相应的重视。这里，考虑到在这个频段中天线含有细小 尺寸部分以及希望可以进一步缩小尺寸，所以采用并粗略分析了几种微带及带状线对数 周期天线。 此处运用h f s s 进行仿真分析，它的技术特点适应于分析微波波段器件、天线的散 射、辐射等问题。 3 1 弧形振子微带对数周期天线1 6 】 图3 1 的是一种微带对数周期天线的示意图1 6 】，图3 1 ( a ) 显示的足大线的正面，( b ) 为天线的背面，馈电从左侧端馈电，图31 ( c ) 为分析时采用的坐标示意。采用介电常 数= 2 2 的介质板，图中白色部分为金属贴片，馈电方式按照微带线的方式，将图3 1 ( b ) 中的金属部分看成一无限大接地平面。天线的结构参数o - = 如= o 7 0 7 。介质板厚 度为o 7 8 7 4 m m ，最长振子半径为3 30 2 m r n 。且张角为1 3 5 。，根据上面对对数周期天线 的描写，使得对数周期天线为自补结构。利用h f s s 对其频域特性进行分析。 由图3 2 显示为天线的s 1 l 参数图( 即r e t u r nl o s s 回波损耗) ，可以看到天线在2 9 1 0 4 g h z 的频带上，保持s 1 1 1 0 d b ，基本满足u w b 系统对天线的带宽要求。而图3 3 显示的是在各个频率点的辐射方向图，可以看到，天线的辐射方向图在整个频带里面也 保持了基本不变。但是这个天线的尺 j - ) b8 0 m m 1 15 m m ，对于u w l 3 系统所希望的小尺寸显 然偏大。 一 图31 ( a ) ( 弧形微带天线l 面) 酬31 ( b ) ( 弧形微带天线背面) 东南大学硕l 中伊论文 圈31 ( c ) 天线计算时坐标示意图 fr e q u e n c y j g h z 图32 ( 弧形徽带天线的r c t u r nl o s s 图) 如图3 1 ( c ) 所示天线计算时的坐标示意图，、0 的方向如图。下面的辐射图中 圆周围的标注为0 ，e 面为y z 面，h 面为x z 面。 1 8 0 5 g h z 1 f l o 4 g h z 幽33 辐射方向图( 下续) 实线为f 面，虚线为h 面 4 o o 帕 幅 加 巧 曲 2pnlo 6 4 2 0 2 4 6 8 o 8 6 4 2 o 2 4 6 6 4 7 口2 4 6 8 0 e 6 2 o ，4 5 11jj，11111 j 1一j，j1+ 6 4 2 o 4 6 出旧书名4 o 0 2 4 6 第三章做带列数削期之仿真及讨论 图3 3 辐射方向图( 续) 实线为e 面，虚线为h 面 我们希望可使用f d t d 方法来分析天线的时域脉冲波形，但这样的弧形结构对于使用 f d t d 是比较困难的，所以考虑将弧形振子改为直振子。 3 2 直振子微带对数周期天线 如图3 4 是将弧形振予改为直振子的微带对数周期天线，这并没有减小天线的尺寸， 只是其直形结构有利于使用f d t d 方法，这里仍然采用介电常数g = 2 2 的介质板，厚 度同样为o 7 8 7 4 m m ，天线的结构参数同样为口= 如= o 7 0 7 ，最长振子的外边为 2 6 1 m m ，同样使用微带线来馈电。 经过使用h f s s 进行频域初步分柝，其s 1 1 参数如图35 所示：在3 72 g h z 的频 带里面，满足u w b 系统所要求的s 1 1 一1 0 d b 的要求。而图3 6 为在这个频带内的各个 频点的辐射方向图，可以看到在这个频带内，辐射方向图也是基本一致( 它的坐标分布 与弧形天线一致) 。但其性能相对于弧形振子而言略差。 东叶j 丈顺 学一立f i 之 国3 4 ( a ) ( 直振子礅带天线正面)图3 4 ( b ) ( 直振子微菇天线反面) f ”i n t y s g # 2 图35 ( 直振子微带天线r e t t l ml o s s 图) 固36 辐射打向圈 宴线为e 血，虚线为h 向 1 6 6 b 0 2 4 b 8 o m口ag一nld 4 2 0 2 4 6 4 2 o 2 4 4 2 o 2 4 5 4 m 8 4 ，0 2 4 第二卓微带埘数周期之仿真段讨论 但是，这个直振子形式的天线仍然存在尺寸过大，| 乍能并没有弧形振子优越，而且 其存在剁边，对于应用f d t d 仍然需要相当的近似，所以考虑使用带状线的列数偶极子 阵列天线，但是对数周期偶极子| j 牟列具有色散性，短脉冲的高频分量从短对称振子 辐射出去，而低频分量从长对称振子辐射出去。如果采取短脉冲从最短的对称振了上馈 入和馈出的馈点方式，则低频分量要比高频分量走更长的距离，这祷导致脉冲的滞后失 真。通过采用【7 1 中的天线的馈电方式可以改善波形失真现象。所以采用短脉冲从最长的 对称振子上馈入和从短振子馈出方式，则对于所有频率分量的行程相等，因此可以避免 脉冲滞后失真。关于对数周期偶极子阵列的色散问题将在后面讨论中详细给出。 3 3 带状线对数周期偶极子天线 7 1 1 9 接下来分析采用带状线馈电形式1 7 1 的印刷电路板天线，其结构示意图如图2 7 ( c ) 图37 【a ) 无线结构 川lil 。l i l 图37 ( b ) 天线面 所示。图3 7 ( a ) 所示，天线由两块介质板以及中间的馈带组成，从长振子端馈入，从 短振子端馈出。如图中坐标所示，x z 面为e 面( 即p = 0 。) ，y z 面为臀面( 即驴= 9 0 。) 。 两个介质板的外表面分别附有金属的天线面，而且其中的一个天线面的振子馈带于中间 的馈带连接。所以在波的传输过程中，从波的输入面看进去，有如图3 8 所示的场模式 结构 7 1 1 8 。 0 圈3 8 ( a ) v 斗模式 国38 ( b ) v 一税式 + v v 求l 钉，、掣嫉士1 亨位论文 v (卜 v v 剧38 ( c ) ，孽模式 这里仿真设计了带装线对数周期天线，相比以上的两种天线，该天线尺寸几乎缩小 了一半，辐射方向图也由原来的双向变成了单项，最大辐射方向指向短振子。该天线的 结构参数为r = 0 8 ，盯= 0 1 1 ，最长振子长度为2 2 ，8 7