（电子科学与技术专业论文）小型微带天线分析与设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ew i r e - l e s sd e v i c e sw i t hc o m p a c ts i z ea n db r o a db a n d w i d t ha r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r e a t t r a c t i v e t h ew i r e l e s se l e c t r o n i cp r o d u c t sw h i c hh a v et h ef e a t u r eo fl i g h t w e i g h t ， l o w - p r o f i l ea n ds m a l l - v o l u m ew i l lb et h em a i n s t r e a mo ft h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u - n i c a t i o n a sa “g a t e w a y ”o ft h 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 t h ea n t e n n a s h a v et h em o s td i r e c ti m p a c t so nt h e i rp e r f o r m a n c e s t h o u g ht h et r a d i t i o n a ld i p o l e a n t e n n a sh a v ea g o o dt r a n s m i s s i o np r o p e r t y ，t h e yc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f m i n i a t u r i z a t i o n m i c r o s t r i pa n t e n n a sh a v et h em e r i t so fs m a l l v o l u m e ，l i g h t w i g h t ， l o w - c o s t ，e a s yt ob ef a b r i c a t e da n di n t e g r a t e dw i t hm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s i th a sc o n s i d e r a b l ep o t e n t i a lv a l u ei nc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n sa n di so n eo ft h e m o s tp o p u l a rt o p i c si na n t e n n ad e s i g n s t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sar e s e a r c ho nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fm i n i a t u r i z e d m i c r o s t r i pa n t e n n a s b yt h em e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，s e v e r a ln o v e lm i n i a t u r i z e dm i c r o s t r i pa n t e n n a sa r e p r o p o s e d ，w h i c hc a nw o r ka t9 0 0 m h z i s mb a n d ，2 4 5 g h zw l a n b a n da n du w b b a n dr e s p e c t i v e l y f i r s t l y , t h ea n t e n n ad e s i g n so p e r a t i n ga t9 0 0 m h zi s mb a n da r ei n v e s t i g a t e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o n so fr e c t a n g l em i c r o s t r i ps l o ta n t e n n a ，a n o v e lc a v i t y b a c k e dc i r c u l a r l yp o l a r i z e ds l o ta n t e n n ai sp r e s e n t e dc o n s i d e r i n gt h e a p p l i c a t i o np r o s p e c t so fi n d o o re m b e d d e da n t e n n a s i tu s e sl s t y l es l o tt or e d u c e t h ea n t e n n as i z e w i t ht h ed e s i g no ff e e d i n gn e t w o r ka tt h et o ps i d e ，c i r c u l a r p o l a r i z a t i o nc a nb er e a l i z e d u 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 ns o f t w a r ea n dv e c t o r f i t t i n gm e t h o d ，a na c c u r a t ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo ft h ea n t e n n ai sp r e s e n t e d i t p r o v i d e sar e a s o n a b l ep h y s i c a le x p l a n a t i o no ft h ea n t e n n aa n dap r e c i s em o d e lt o t h ej o i n ts i m u l a t i o na n dd e s i g nw i t ho t h e rr ff r o n t e n dc i r c u i t s s e c o n d l y , t h ed u a l - b a n da n t e n n a sf o rw l a na p p l i c t i o n sa r es t u d i e d b a s e do n t h ea n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o n so fd u a l b a n dm i c r o s t r i pa n n u l a rr i n gs l o ta n t e n n a ， an o v e lm i n i a t u r i z e dd u a l b a n da n n u l a rr i n gs l o ta n t e n n af o rw l a na p p l i c a t i o n s i sp r e s e n t e d i tu t i l i z e st w or e c t a n g l en o t c h e st oo v e r c o m et h ep r o b l e mo fr e s o n a n t e f f e c t sc a u s e db yt h ed i s t a n c eb e t w e e ni n n e ra n do u t e rr i n gs l o t s i na d d i t i o n ， i ta l s op r e s e n t sa ni n v e r t e dt - s t y l ed u a l - b a n dm i c r o s t r i ps l o ta n t e n n af o rw l a n o p e r a t i o n s i ti sc o m p a t i b l ew i t ht h ep c m i as t a n d a r dp cw i r e l e s sc a r d sa n de a s i l y a b s t r a c t i n t e g r a t e dw i t ho t h e rr f f r o n t e n dc i r c u i t s t h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tb o t ha n t e n n a sc a nw h o l l yc o v e rt h ew l a nb a n dw i t hs a t i s f a c t o r y r a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s l a s t l y , t h eu w ba n t e n n ad e s i g n sa r es t u d i e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o n so fd i s cp a t c ha n t e n n a am i n i a t u r i z e du w b m i c r o s t r i pa n t e n n ai sp r o - p o s e d i no r d e rt oa v o i di n t e r f e r e n c ew i t ho t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m so p e r a t i n g a t5 6 g h zb a n d ，ab a n d n o t c h e du w ba n t e n n ai sa l s op r e s e n t e db yi n t r o d u c i n g a n i n v e r t e dt s t y l ep a r a s i t i cs t r u c t u r e t h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tb o t ha n t e n n a sc a nw h o l l yc o v e rt h eu w bb a n dw i t hs a t i s f a c t o r yr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：m i c r o s t r i pa n t e n n a ，m i n i a t u r i z e d ，b r o a db a n d ，d u a lb a n d ，u l t r aw i d e _ b a n d ，e q u i v a l e n tc i r c u i t l v 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，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， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 天线是一种能有效辐射或接收电磁波的装置f 1 1 。发射天线可将射频电路中的 高频电流以电磁波的形式发送到自由空间，而接收天线则可将传播过来的电磁波 再次转变为电流信号传递给射频电路，从而实现最简单的点对点无线通信。天线 作为无线通信系统的“耳目 ，处于系统构架的最前端，在无线通信中起着至关重 要的作用。 近年来，随着无线通信的飞速发展，网络覆盖区域不断增多，各种数据业务的 需求也急剧增加，以往的通信设备和模式已经无法适应现代通信多业务、高速率、 高质量的要求，天线设计正面临着新的挑战。为适应现代无线通信的发展要求，目 前国内外天线的研发主要朝以下几个方面进行：小型化、宽频带和多频段。小型化 要求天线减小自身尺寸，适应电子设备集成度不断提高、体积越来越小的发展趋 势。如何在不影响天线性能的前提下减小天线尺寸是一项富有挑战性的工作。同 时，现代无线通信数据量的提升，要求天线能在多个频段范围内支持多种服务，宽 带和多频段天线能满足这样的需要。 在众多天线设计中，平面印刷微带天线具有结构简单、质量轻、体积小、低 剖面、容易制造且成本低、容易集成并可附著于任意表面等诸多优点，已经在很 多方面有了广泛应用f 2 _ 5 1 0 军事方面的应用如：卫星通信，火箭、导弹导航，雷 达通信，微波遥感等；民用方面，以无线局域网( w l a n ) 、超宽带通信( u w b ) 、蓝 牙( b l u e t o o t h ) 、z i g b e e 等为代表的无线通信系统的迅速发展，基于各种无线协议标 准的平面微带天线被一一提出f 6 1 。伴随微波集成技术的逐渐成熟和各种微波低损 耗介质材料的出现，平面微带天线设计已成为现代无线通信领域的热点研究内容 和重要课题之一。因此，本文研究小型化宽频、双频印刷微带天线的分析与设计技 术，具有很大的应用前景和实用价值。 1 2 主流无线通信技术简介 近几年中，u w b 、蓝牙、w l a n 、w i m a x 、3 g 等各种无线新技术大行其 道，“无线技术将成为下一代网络通信技术的最大推动力”这一观点在业界达成了 共识。随着网络通信市场的逐渐成熟，无线技术将在自身优势基础上获得更充分 的发展空间。本文主要研究w l a n 和u w b 通信中的小型化微带天线设计，接下来 分别对这两种无线通信技术进行介绍。 第一章绪论 1 2 1w l a n 一无线局域网 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 无线局域网f 7 1 ，是计算机网络和无线通 信技术结合的产物，它采用无线电波代替传统的有线电缆作为传输媒体，以无线 的方式构建局域网。根据m i c r o s o f t 的解释 8 】，一个典型无线局域网主要包括三个 组件：无线工作站( s t a t i o n ) 、无线访问点( a c c e s sp o i n t ) 和端口。无线工作站是指配 备有无线局域网适配器的计算机设备，无线访问点是指配备有无线局域网适配器 的网络设备，端口是设备问的信道，可以支持点对点连接。 早在2 0 世纪7 0 年代，人们就开始进行无线通信技术和网络融合的研 究。1 9 7 1 年，美国夏威夷大学的一项名为a l o h a n e t 的研究课题首次 利用无线电通信结合网络技术，使分散在四个岛上的七个校园内的 计算机可以通过无线的方式进行数据传输，实现了最早的无线局域 网。1 9 8 5 年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 nc o m m i s s i o n ) 开放 了9 0 0 m h z ，2 4 g h z ，5 8 g h z 一= 个i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n c e ，m e d i c i n e ) 频段，允许 无线网络设备供应商在低发射功率条件下免费使用这些频段。i s m 免许可 证频段的开放，给无线局域网产业带来了巨大的积极影响，无线终端用户 无需申请就能直接使用设备。1 9 9 0 年1 1 月，为了顺应无线局域网的发展需 求，美国电气电子工程师学会i e e e ( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 成立了8 0 2 1 1 委员会，开始制定无线局域网标准，至今已推出 了i e e e 8 0 2 1 1 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 1 b 、i e e e 8 0 2 1 l g 、i e e e 8 0 2 1 l n 等多项 标准 9 o 8 0 2 1 1 为i e e e 于1 9 9 7 年公告的无线局域网标准，它规定了三种物理层传输 介质工作方式，分别采用跳频序列扩频传输技术( f h s s ) 、直接序列扩频技 术( d s s s ) 以及红外传输技术。该标准工作于2 4 g h z 频段，主要用于解决办公 室局域网和校园网中设备的无线接入，最高可支持2 m b p s 的传输速率。它的问世是 无线局域网发展的里程碑。 8 0 2 1 l b 为i e e e 于1 9 9 9 年9 月制定的无线局域网标准，是8 0 2 1 1 标准的物理层 扩展。为了支持更高的速率，8 0 2 1 l b 选择直接序列扩频传输技术作为唯一的物 理层技术。它工作于2 4 g h z 频段，可支持5 5 m b p s 和l l m b p s 两种传输速率。目前， 符合8 0 2 1 1 6 技术的产品得到了广泛的应用，已成为主流的无线局域网技术。无线 以太网联n ( w e c a ) 对其进行了专门的兼容性测试，称为“w i f i ”测试，所以也 用“w i f i ”来称谓符合8 0 2 1 l b 的产品。 8 0 2 1 l a 为8 0 2 1 i b 的后续标准，弥补了8 0 2 1 1 6 传输速率上的不足。它采用正交 频分复用( o f d m ) 调制技术，工作于5 8 g h z 频段，最高传输速率可达5 4 m b p s ，可 支持语音、数据、图像等业务。尽管8 0 2 1 1 a 比, 8 0 2 1 1 6 在性能上更有优势，但由于 一2 一 浙江大学博士学位论文 其实现成本较高，且与8 0 2 1 l b 系统不兼容，因此在实际应用中并不广泛。 8 0 2 1 l g 是i e e e 为了解决8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 l b ；2 c 间的兼容性问题而提出的新标 准。8 0 2 1 1 9 同样采用o f d m 调制技术，同8 0 2 1 l a 一样拥有最高5 4 m b p s 的传输速 率，但工作在与8 0 2 1 l b 丰h 同的2 4 g h z 频段，因而能够较好地解决升级后的兼容性 问题。用户只需要购买相应的无线a p ，就可以将自己的无线局域网升级n s 0 2 1 1 9 ， 原有的8 0 2 1 1 b 无线网卡仍可以继续使用，因此8 0 2 1 l g 在经济性和灵活性上要大大 强于8 0 2 1 l a ，一经问世便迅速成为厂商们追捧的焦点。 8 0 2 1 l n 为新兴的下一代无线局域网标准。它采用多入多 出( m i m o ) 与o f d m 相结合的调制技术，最高可支持6 0 0 m b p s 的传输速 率。8 0 2 1 l n 支持双频工作模式，包括2 4 g h z 和5 8 g h z 两个频段，可以全面兼 容以往的8 0 2 1 l a b g 标准。此外，配合先进的天线技术和传输技术，8 0 2 1 l n 的传 输距离可以达到几千米。 表1 1 对上述几个标准进行简单的归纳和比较。 技术标准占用频段 支持最高传输速率 调制技术 8 0 2 1 12 4 g h z 2 m b i t sf h s s d s s s 丝_ _ f b 8 0 2 1 l b2 4 g h zll m b i t sd s s s 8 0 2 1 l a5 。8 g h z 5 4 m b i t s 0 f d m 8 0 2 1 1 9 2 4 g h z 5 4 m b i t s 0 f d m 8 0 2 1 i n2 4 g h z 、5 8 g h z 6 0 0 m b i t s m i m 0 、0 f d m 1 2 1 1 无线局域网技术的优点 与传统的有线局域网相比，无线局域网的技术优势可以概括为以下几个方 面： ( 1 ) 可移动性 无线局域网的最主要优点就是可以自由移动，摆脱了线缆的束缚，用户可以 在网络覆盖到的任意位置上网。当前的无线局域网技术可以支持最远5 0 k i n 的传输 距离和最高9 0 k m h 的移动速度，用户可以在移动的过程中对网络进行不问断的访 问，体现出很大的灵活性。 ( 2 ) 安装便捷、费用低 一般的有线网络建设过程中，使用的传输媒介主要是同轴电缆或者光纤，在 施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管，因此费用高、耗时长。相比而言，无 线局域网的安装工作快速而简单，通常只需要安装一个或多个接入点设备，就可 以建立起覆盖整个建筑或地区的无线局域网络。 一3 一 第一章绪论 ( 3 ) 容易扩展 无线局域网既能同有线网络结合，也能独立于有线网络单独存在，可以按照 具体的应用和需要来安装。无线局域网比传统有线局域网拥有更多可选的配置方 式，通过增加接入点的数量就可以增大用户数量和覆盖范围，能轻松胜任小到几 个用户、大到上万用户等不同网络格局。 ( 4 ) 可靠性高 线缆故障导致网络瘫痪是有线网络一个不可克服的弊端。暴雨、液体渗漏可 能腐蚀金属连接器；用户在移动p c 时，偶尔也会损坏连接器；误操作或不正确的 线缆连接会引起信号反射，发生莫名其妙的错误等。以上的问题常常会干扰用户 对网络数据的访问，同时也给网络维护带来极大的不便。相反，使用无线局域网技 术，就彻底避免了由于线缆故障造成的网络瘫痪问题，提高了网络的可靠性。 ( 5 ) 覆盖面广 无线局域网的覆盖范围和通信距离主要由选用的天线决定。一般而言，定向 天线的通信距离可以达到5 后m 一5 0 尼m ；室外全向天线可覆盖1 5 k m 一2 0 k m 的半径范 围；室内全向天线可覆盖半径约为2 5 0 m 的范围。 基于上述诸多优点，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合 得到了广泛应用。 1 2 1 2 无线局域网技术研究现状 无线局域网技术以其高度的灵活性和移动性，正越来越受到大家的重视，同 时各项研究工作也在深入进行中。从技术发展的角度看，无线局域网技术的研究 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 提高传输速率 从i e e e 8 0 2 1 1 的2 m b p s 至u 8 0 2 1 1 6 的1 1 m b p s ，再到8 0 2 1 1 a g 的5 4 m b p s ，以及最 新的8 0 2 1 l n 可提供高达6 0 0 m b p s 的传输速率，人们对于网络传输速度的追求总是 不懈的。无线局域网的发展过程也是一个无线传输速率提高的过程。但就目前而 言，有线局域网的速率仍然是最快的，因此，提高数据传输速率也成了下一代无线 局域网通信的研究重点之一。 ( 2 ) 增加兼容性 无线局域网技术的普及与发展，使多种标准相继出现，无线局域网的产品开 发也由支持单个标准发展为兼容多个标准。由于8 0 2 1 1 0 和8 0 2 n b g 的工作频段 不同，因此设计相应的2 4 5 g h z ：双频天线是首先需要解决的问题。印刷平面天线 可附在无线网卡表面，容易同系统集成，已被很多设计采用1 0 _ 1 4 1 。此外，双频、 多模w l a n 芯片设计也是一个关键问题。目前，已经有多家无线局域网芯片厂商 如t i ，a t h e r o ，p h i l i p s 等公司推出了可同时支持8 0 2 1 l a b g 标准的双频、多模产 浙江大学博+ 学位论文 品。 无线局域网还可以作为模块集成到其他系统中，如中国移动将移动漫游功 能和无线局域网功能相结合( g p r s + w l a n ) ，旨在提高用户无线上网的覆盖范 围。用户的笔记本电脑可以在g p r s 和w l a n 网络中自由切换，在w l a n 环境下 实现1 1 m b p s 的高速i n t e r n e t 接入，在w l a n 无法覆盖到的地区则可以通过g p r s 上 网。中国网通和中国电信也将w l a n 和a d s l 业务相互结合，使用户能更方便地接 入i n t e r n e t 。 ( 3 ) 加强安全机制 传统的有线局域网采用封闭的传输介质，使攻击者很难进入。许多有线局域 网为每个用户配备专门交换端口，其他用户很难越权访问。而无线局域网采用无 线的连接方式，采用的传输介质是开放的，容易被监听，如果没有足够可靠的信息 加密方案和身份认证措施，容易造成通信信息泄漏。尽管目前的无线网络技术标 准中大多采用了密码访问控制和无线加密协议等技术来实现无线网络的安全，但 仍然存在着不少安全隐患，如何进一步加强无线局域网的安全机制，也是目前的 研究热点之一。 ( 4 ) 增强抗干扰性 无线局域网通过射频信号来发射和接收数据，因此存在许多潜在的信号干扰。 许多设备能产生干扰无线局域网的射频信号，如：微波炉、电梯、静电复印机、照 明系统、防盗保护装置以及无绳电话等，会造成无线设备和接入点之间传输信号 的误码。增强无线网络的抗干扰性，减少传输信号的误码率，是一项非常具有现实 意义的工作。 1 2 2u l t r aw i d eb a n d - - 超宽带 1 9 9 8 年8 月2 0 日，美国f c c 就u w b 无线设备对原有窄带无线系统的干扰及 电磁兼容问题广泛征求业界意见15 1 。在美国军方和航空界等持有众多不同 意见的情况下，f c c 仍然在2 0 0 2 年2 月1 4 日批准了u w b 技术在短距离无线通 信、g p r ( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ) 、穿透成像和测量等方面的应用l6 1 ，并 将u w b 系统定义为绝对带宽超过5 0 0 m h z 或者相对带宽在2 0 以上的系统，同时 制定了相应的频谱管理规则。随后，欧洲、日本、新加坡也陆续颁布了针对u w b 无 线系统的频谱管理规则。这些工作充分说明了u w b 技术拥有巨大的潜力和广泛的 应用前景，引发了人们对u w b 技术的研发热潮。 1 2 2 1u w b 通信系统的优点 同传统的窄带通信系统相比，u w b 通信系统具有许多优点【17 】，其中包括： ( 1 ) 频谱利用率高 第一章绪论 f c c 规定u w b 系统的发射功率谱密度必须低于7 5 n w m h z ，将它归入非蓄意 辐射体范畴，如同电视和计算机显示设备。这样的功率限制使得u w b 系统可以存 在于其他窄带系统的噪声底限之下，使其以极小干扰的方式与其他通信系统共享 频谱资源，提高了频谱利用率，这对频谱资源日趋紧张的今天有十分重大的意义。 ( 2 ) 传输速率高，空间容量大 根据s h a n n o n 定理可以显现u w b 系统的大信道容量： c = b l 0 9 2 ( 1 + 剐n )( 1 1 ) 其中，c 为信道容量最大值，b 表示带宽，s 为信号、噪声功率比。由公式1 1 不 难看出，信道容量随带宽增加呈线性增长，而随功率的下降呈对数下降。因此，超 宽带通信可以利用其超大带宽的优势，以较低的发射功率达到更高的数据传输 速率。如今，无线通信己由原先的远距离通信转向短距离传输发展。在这种发展 趋势下，通信技术的空间容量，即该技术在单位覆盖面积和单位时间内的传输速 率，成为衡量该技术传输能力的重要指标。i n t e l 公司的研究报告 18 指出，u w b 技 术的空间容量约为1 m b p s m 2 ，而i e e e 8 0 2 1 1 b 、b l u e t o o t h 、i e e e 8 0 2 1 1 n 的空间容 量分别约为l k b p s m 2 、3 0 k b p s m 2 、s 3 k b p s 仇2 。可见，与现有的其他通信技术相 比，u w b 通信技术能提供更大的空间容量。这使得超宽带系统成为短距离、高数 据传输速率无线应用的最佳备选方案。 ( 3 ) 受多径干扰影响小 多径现象在无线通信中是不可避免的，尤其是室内无线通信。它是由于发射 信号从不同的表面，诸如建筑物、树、行人、家具等进行多次反射所造成的。对窄 带系统而言，多径效应的影响十分严重。发射信号同反射回来的信号叠加后，可以 产生多达。4 0 d b 的功率衰减。而u w b 信号由于传输时间短，发射信号同反射信号 叠加并导致信号衰减的几率很小，功率波动范围在5 d b 以下。因此，u w b 通信系 统特别适合于多径分量密集的室内个人通信。 ( 4 ) 功耗低、保密性强 u w b 通信系统具有很强的保密性f 1 9 1 。由于u w b 信号的功率很低，和噪声功 率大小相近，信号“埋没”在噪声之中不易被侦听。同时它占用了很宽的频带资 源，信号的谱密度也很低，大大降低了信号被截获的概率，使u w b 通信系统能够 应用于保密通信中。 ( 5 ) 定位精度高 脉冲u w b 通信系统具有很强的多径分辨能力，可应用于高精度测距定 位 2 0 1 。u w b 脉冲的持续时间很短，往往在n 8 量级，因此脉冲u w b 系统能够分 辨出相对时延在纳秒以上的多径信号分量，这是其他系统无法达到的。 ( 6 ) 结构简单、易实现 一6 一 浙江大学博士学位论文 脉冲u w b 通信系统结构简单，实现复杂度低【2 1 】o 脉冲u w b j i 臣信系统无需对 载波进行调制和解调，因此不需要一般无线通信系统中必不可少的上下变频电路、 锁相环、混频器、中频放大器等等，这使系统的结构变得简单，实现成本也随之降 低了很多。 1 2 2 2u w b 通信技术研究现状 自2 0 0 2 年2 月1 4 日f c c 批准了u w b 通信技术可以在美国应用以来，研究人员 对u w b 通信技术开展了大量的研究工作。这些工作主要集中在天线设计、兼容共 存技术、信号设计和信道建模技术等方面。 u w b 天线设计是u w b 通信技术的一个主要研究方向。早期关于u w b 天线设 计的研究已有几十年的历史，而且形成了一些经典的天线结构，例如行波天线j 对数周期天线、等角螺旋天线、脊波导喇叭天线等等| 3 1 。尽管这些天线拥有很宽 的工作频带，完全具备u w b 特性，但它们的尺寸较大，不符合目前低功率短距离 个人通信应用的小型化需求。因此，大量的研究工作致力于小型化u w b 天线的设 计2 2 3 3 】，主要集中在对天线结构和馈电方式的研究，以提高天线的匹配特性、增 益和辐射特性等指标。此外，传统的天线理论侧重于研究天线在单频调谐下的工 作特性，且相应的天线特性参数，如增益、方向图、效率等等，都是针对信号功率 定义的，这并不能充分反映天线的时域特性。因而，如何针对超宽带窄脉冲的辐射 特点，探索适合超宽带天线的时域工作特性和建模方法，是一项非常具有研究意 义的课题 3 4 ，3 5 】o 超宽带是一种与现存无线通信系统共享频段的技术，它的频带覆盖了众多窄 带无线通信系统，例如：w l a n ，g p s ，w c d m a 等，从而在一定程度上会造成系 统间的相互干扰。对于一些功率谱密度同样很低的重要窄带无线通信系统，如救 生、导航等系统，将u w b 系统对其产生的干扰进行严格的控制是相当必要的；同 样，u w b 系统也需要在其他窄带通信系统的干扰下正常工作。普遍的做法是通过 提高u w b 系统的处理增益来抑制频段内其他窄带信号的干扰，但由于u w b 的发 射功率很低，即便采用很高的处理增益也不尽如人意。因此，降低u w b 系统和其 他窄带系统之间相互干扰的兼容共存技术也成为了一个主要的研究方向。国际电 信联盟第一研究组( i t u a s c ) 在2 0 0 2 年召开的会议上，确立了关于“使用超宽带 的无线电设备与无线电通信业务之间的兼容性 的研究课题，并成立了专门的研 究小组负责相关标准的制定。目前提出的兼容共存技术主要可分为两种：一种是 通过优化设计u w b 信号来降低相互干扰，另一种是通过信号处理技术降低相互干 扰f 3 6 ，3 7 1 。第一种方法具有较低的实现复杂度，而第二种方法在性能改善上更具 优势。 超宽带信号设计是另一个主要研究方向。一方面，天线对脉冲有整形作用，脉 一7 一 第一章绪论 冲波形设计时需要考虑天线产生的影响，需要协同设计。另一方面，u w b 脉冲波 形、扩频方式及其编码、调制方式共同决定了u w b 系统在各种信道环境中的误码 率性能，以及u w b 系统与其他系统之间的相互干扰。因此，优化设计u w b 信号可 以提高系统性能，降低相互干扰。 u w b 信道建模也是一个主要研究方向。传统的窄带通信信道模型通常采 用r a y l e i g h 分布描述接收信号幅度的统计特性，前提是多个多径分量在接收时相 互重叠并合成。u w b 通信系统要求精确的空间分辨力，而传统的测量方法和模 型不能提供超宽带应用所需的分辨力，会造成很大的时延扩展和波形失真，不 适合应用在u w b 通信系统中。研究人员为此开展了大量的u w b 信道建模的研究 工作 3 8 - 4 0 1 。这些工作根据u w b 信号在不同环境中的传播统计特性，提出了适 合u w b 系统的信道模型。目前比较受关注和认可的是c a s s i o l id 等提出的随机抽 头延迟线( s t d l ) 模型及i n t e l 提出的基于修正的s v 信道模型。 另外也有一些研究工作集中在u w b 通信网络协议设计，u w b 收发机结构和 电路设计等方面，鉴于篇幅有限，不做详细叙述，具体可见参考文献【4 h 4 1 。 1 3 小型化微带天线设计 天线的各项电参数，包括：输入阻抗、天线方向图、天线增益、极化特性和波 束宽度等，都与频率有关，是针对某一工作频率而设计的。当天线的工作频率偏离 设计频率时，天线的各项电参数会产生相应的变化，如：输入阻抗和极化特性变 差，主瓣宽度增大，旁瓣电平增高，增益系数降低等。在实际应用中，天线并非工 作在一个固定的频率点，而是有一定的频率范围。当工作频率发生变化时，天线的 相关电参数不超过规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称天线的带宽。 天线带宽的定义有两类：绝对带宽和相对带宽。绝对带宽的定义为： a f = 一，f( 1 2 ) 其中，厶和五分别为一l o d b 点的最高和最低截止频率。 相对带宽有多种表示方法，在通信领域常用的相对带宽指系统绝对带宽与中 频厶。舭r 之比。中频丘。舭，表示系统的工作频段，它是高、低截止频率的算术平均 值，即： 厶眈，：譬尝 ( 1 3 ) 相对带宽定义为： b=娅fcenter-2丽fh-f_fcenterh ( 1 4 ) j rj i 一8 一 浙江大学博士学位论文 这一定义常用在窄带通信和雷达系统中。另外一种常用的相对带宽表示方法为高 低端频率比，即： b w 2 = 竿 九 ( 1 5 ) 这一表示方法常用于宽带通信领域中。一般而言，相对带宽 1 的为窄带；1 相 对带宽 2 0 的称为超宽带| 17 1 。 宽带天线作为天线家族的一个重要分支，正越来越受到人们的重视，通信系 统对宽带天线的需求也迅速增加。经典的宽带天线类型有多种，包括频率无关天 线( 螺旋天线、对数周期天线) 、双锥天线、v 锥天线、t e m 喇叭天线、波纹喇叭天 线等 3 】。尽管上述这些天线能提供足够大的带宽，但是受其重量和体积结构等方 面的限制，较难实现小型化。 微带天线经过几十年的发展，已经在很多领域内广泛使用。根据其辐射元类 型不同主要分为微带缝隙天线和微带贴片天线两大类【5 ，4 5 ，4 6 】。宽带微带天线除 了能提供系统足够大的通信带宽之外，还具有以下优点： ( 1 ) 剖面低 微带天线的介质基片可以做得很薄，厚度一般在0 5 2 r a m 之间。天线可以很 容易地安装在飞机、火箭、卫星等空间飞行器的表面，既不会妨碍外部的空气动力 学和力学设计，也节省了飞行器内部的空间。因此，这种类型的天线非常适合于空 间飞行器使用。 ( 2 ) 尺寸小、重量轻 由于微带天线的剖面低，在相应工作频率下的尺寸规格约为自由空间 的1 、历( 岛为介质基片的介电常数) 4 】，而且介质基片的比重较小，馈电网络、 滤波网络、开关网络等微波器件都可以集成在天线基片上。因此和其他类型天线 相比，它的尺寸较小、重量轻。 ( 3 ) 易于安装、成本低 微带天线的馈电位置可以在基片的侧面，也可以在基片的底部。因此，当其安 装在设备表面时，只需在表面开一个小洞，引出馈线即可，这给安装带来了极大的 方便。微带天线采用的介质基片一般为聚四氟乙烯( f r 4 1 ，采用的制作工艺为日趋 成熟的微波集成技术，同其他类型的天线相比，显然要经济的多。 ( 4 ) 设计灵活、多样化 微带天线结构简单，容易集成的特点，使微带天线的设计非常灵活、多样化。 从方向图特性来看，单个微带天线产生类似末端开口波导天线的方向图，如果将 微带天线单元组阵缠绕于飞行器表面时，就可以得到作为遥测天线经常需要的全 向辐射方向图。从工作频段来看，改变矩形微带贴片天线馈线所在的边，就可以做 一9 一 第一章绪论 成双频天线。从极化方式来看，只需通过简单的馈电网络设计，就可以使正方形、 圆形微带天线产生圆极化波。从阵列角度看，将一定数量的辐射单元组阵，配合同 一介质基片上的功分器、移相器及相应的数控元件，就可以实现电扫描微带相控 阵列天线。 1 3 1 微带贴片天线研究 微带贴片天线具有微带天线的一系列优点，但它的主要缺陷是频带宽度较窄， 一般而言，微带天线是窄带天线，因此许多学者、工程师一直致力于扩展微带天线 频带宽度的研究。经过多年的努力，它的缺陷j 下在被逐步克服。采用新的材料、新 的制造工艺、新的结构、新的分析软件等技术，使微带天线的频带宽度得到了很大 的提高和扩展。 微带贴片天线是一种谐振式天线，它可以等效为一个高品质因素的谐振电路， 其带宽计算公式为f 4 7 1 ： b w ：v s w r - 1 ( 1 6 ) q 、v s w r 、。 其中，q 为品质因素，y s 形r 为电压驻波比，可以用反射系数下来表示： 1 一lr y s 彤r = 爿( 1 7 ) l i7 - l 。 由公式1 6 可见，微带天线的窄带特性是由q 值较高造成的，即存储于天线中的能 量比向外辐射的能量和损耗的能量要大的多。因此，展宽微带贴片天线带宽的基 本途径是降低等效谐振电路的q 值。具体方法包括： ( 1 ) 改变贴片形状 将传统的矩形、圆形贴片天线的贴片分别改为矩形g 4 8 、圆环【4 9 】，通过贴 片形状的变化，使得天线等效谐振电路的q 值降低，贴片和地面之间储存的能量减 少，向外辐射的能量增加，从而使天线获得更大的带宽。 ( 2 ) 贴片开槽 在矩形贴片中挖去一个u 型槽孔，使天线上的电流分布不同于常规的矩形贴 片天线。电流路径长度的增加，使天线产生一个比常规矩形贴片谐振频率较低的谐 振点，从而扩展了天线的带宽。通过这种方法，可以将天线的带宽( v s w r 2 ) 提 高至4 0 【5 0 】，在圆形贴片和三角形贴片中挖去槽孔也有同样的效果【5 1 ，5 2 】。 ( 3 ) 阻抗匹配法 改善天线阻抗带宽的最直接方法是在天线输入端引入匹配网络。一般的微带 天线使用微带或探针馈电，当介质基片较厚时，输入阻抗的电感性增加，为了抵消 输入电感，可以在馈电电路中串入电容性元件。通过匹配网络法可以得到近3 0 的 一1 0 浙江大学博十学位论文 带宽提升f 5 3 ，5 4 1 。 ( 4 ) 增加寄生单元 通过引入寄生贴片单元增加谐振点，利用类似交错调i 皆( s t a g g e rt u n n i n g ) 的 方法，使其位于原先的谐振频率附近，以此拓宽天线的工作频带。常用的寄生贴片 单元为2 5 个，每一个贴片的大小尺寸不同因而其谐振频率也不同，通常只有中心 的贴片单元是直接馈电，其他的贴片则通过不同的耦合方式实现馈电，如：辐射 边耦合、非辐射边耦合、四边耦合等。这种增加寄生单元的方法，可以将微带天线 的相对带宽拓展至2 5 以上 5 5 - 5 7 ，是目前改善微带天线阻抗带宽最常用的方法。 这种方法的缺点是使天线的面积增加，在具体应用上会有较大限制，此外由于增 加的寄生贴片在结构上往往不对称，导致天线工作频带内的辐射方向图稳定性较 差。 ( 5 ) 多层耦合馈电 为了使微带天线在拓展频带的同时，保持其原先的大小，提出了多层耦合馈 电的方法。多层耦合馈电的方式有两种，第一种结构通过多层贴片间的耦合提高 带宽，天线底层为接地面，接地面上层为同轴馈电的有源贴片，有源贴片上面为寄 生贴片，相邻两层金属贴片之问为介质基片，这种方法可获得3 0 5 s ，5 9 1 以上的 相对带宽。另一种结构采用孑l 径( 缝隙) 耦合的方式，微带线通过孔径，将能量耦合 给另外一面的贴片。通过调整孔径两侧介质基片的介电常数和优化孔径的大小来 获得最佳的带宽，最高可达7 0 6 0 以上。多层