鉆石形超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究

1、鉆石形超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 近年來，微帶天線由于其體積小、重量輕、制作簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛興趣。但是微帶天線的缺點(diǎn)也很明顯，帶寬窄、效率低，這時(shí)超寬帶微帶天線應(yīng)運(yùn)而出，通過對(duì)微帶天線的優(yōu)化，使其達(dá)到超寬帶的要求，有效克服了天線帶寬窄的問題。 2002年，F(xiàn)CC公布了超寬帶天線的通信標(biāo)準(zhǔn)：3.1GHz-10.6GHz。如今移動(dòng)通信設(shè)備和終端呈現(xiàn)小型化的發(fā)展趨勢(shì)，這更使得超寬帶微帶天線的研究與應(yīng)用成為了當(dāng)今的熱點(diǎn)。超寬帶技術(shù)具有很大的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于無線通信、雷達(dá)、短距探測(cè)等。 本文介紹了天線的基本電參數(shù)以及微帶天線的饋電方式、輻射原理以及

2、分析方法，并對(duì)矩形微帶天線進(jìn)行了仿真研究，研究了貼片長度和阻抗匹配器寬度對(duì)天線性能的影響；而由于研究的是超寬帶天線，本文還對(duì)超寬帶天線進(jìn)行了簡要的介紹和分析。 本文的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一款鉆石型超寬帶天線并對(duì)其進(jìn)行一定的優(yōu)化，使其能滿足超寬帶的要求。首先，根據(jù)微帶天線的基本理論，設(shè)計(jì)出了天線原型。接下來，分析了天線的接地板、輻射貼片、介質(zhì)板的厚度對(duì)于天線性能的影響。最后分析和總結(jié)，完成天線的設(shè)計(jì)。完成的天線工作頻帶涵蓋了整個(gè)UWB頻段,并且?guī)掃h(yuǎn)比設(shè)計(jì)要求的要大得多，相對(duì)帶寬達(dá)到130%，在此范圍內(nèi)天線的回波損耗低于-10dB，最大輻射方向的增益為4.24dB。 關(guān)鍵詞：微帶天線;超寬帶;鉆石形超

3、寬帶天線 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract In recent years, because of its small size, light weight, simple production and low cost, the microstrip antenna has aroused peoples wide interests. But the disadvantage of the microstrip antenna is obvious,for exmple narrow bandwidth, low efficiency, then Ultra Wideba

4、nd Microstrip antenna should be shipped out, through the optimization of the microstrip antenna,it meet the requirements of ultra wideband, effectively overcome the disadvantage， the narrow bandwidth of the antenna. In 2002, FCC announced the communication standards of UWB Antenna: 3.1GHz-10.6GHz. M

5、oile communication equipment and terminals arepresenting a trend of miniaturization, which makes the research and application of UWB microstrip antenna become a hot spot today. UWB technology has great application prospect, can be used in wireless communication, radar, short detection etc. In this p

6、aper, we introduced the antennas basic electrical parameters and the feed mode of microstrip antenna, radiation theory and analysis method, then we research the simulation of the rectangular microstrip antenna , research patch length and impedance matching device width on the performance of the ante

7、nna; and because it is the study of ultra wide band antenna. This paper also introduced and analyzed ultra wideband antenna briefly . The main content of this paper is to design a diamond type ultra wideband antenna and optimize it, so that it can meet the requirements of UWB. Firstly, according to

8、the basic theory of microstrip antenna, the antenna prototype is designed.Next, the influence of the antennas grounding, the radiation patch, the thickness of the dielectric plate on the antenna performance is analyzed.Finally, the design of the antenna is analyzed and summarized.Complete antenna op

9、erating band covers the whole UWB frequency band and bandwidth is much larger than design requirements , relative bandwidth reaches 130%. Within this range of the antenna return loss below - 10dB, the maximum radiation direction of the gain is 4.24dB. Key words:microstrip antenna; UWB; diamond shape

10、d UWB antenna 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 第1章緒論 . 1 1.1 研究目的及其意義 . 1 1.2 當(dāng)今天線的研究方向 . 2 1.3 論文主要內(nèi)容 . 3 1.4 小結(jié) . 3 第2章天線的理論基礎(chǔ) . 4 2.1 天線的電參數(shù) . 4 2.1.1 方向圖 . 4 2.1.2 增益 . 4 2.1.3輸入阻抗 . 4 2.1.4 頻帶寬度 . 5 2.1.5 駐波比 . 5 2.2 微帶天線 . 6 2.2.1 微帶天線概述 . 6 2.2.2微帶天線的饋電方式 . 7 2.2.3微帶天線的輻射原理 . 8 2.2.4 微帶天線的分析方法 . 9 2.3 超寬帶

11、天線 . 12 2.3.1超寬帶天線簡介 . 12 2.3.2 超寬帶無線通信的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn) . 13 2.3.3 超寬帶天線的應(yīng)用 . 18 2.4小結(jié)： . 19 第3章矩形微帶天線仿真與分析 . 20 3.1 仿真軟件簡介 . 20 3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo) . 24 3.3 確定尺寸 . 24 3.4 矩形微帶天線仿真及分析 . 25 3.5小結(jié)： . 29 第4章鉆石形超寬帶天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化 . 30 4.1鉆石形超寬帶天線設(shè)計(jì)指標(biāo) . 30 4.2鉆石形超寬帶天線初始設(shè)計(jì)與仿真 . 30 4.3 鉆石形超寬帶天線的參數(shù)對(duì)于天線的影響 . 32 4.3.1天線接地板 . 32 4.3.2鉆石形微

12、帶貼片 . 37 4.3.3介質(zhì)板的厚度 . 42 4.4 鉆石形超寬帶天線的優(yōu)化 . 43 4.4.1 天線優(yōu)化分析 . 43 4.4.2 天線優(yōu)化尺寸及結(jié)果 . 43 4.5小結(jié)： . 47 總結(jié) . 48 致謝 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 參考文獻(xiàn) . 49 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒論 1.1 研究目的及其意義 截止2015年，中國的上網(wǎng)人數(shù)已經(jīng)將近一半，網(wǎng)絡(luò)滲透率將達(dá)到50%?；ヂ?lián)網(wǎng)已經(jīng)成為中國人生活和工作的必備工具，而且在未來幾年內(nèi)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將有更多的人進(jìn)入到互聯(lián)網(wǎng)，而且進(jìn)入的更深，人們的學(xué)習(xí)，工作，生活，都離不開互聯(lián)網(wǎng)

13、。這將在多個(gè)方面改變和改善我們的生活和工作狀態(tài)，讓人們生活更便利，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更多的商業(yè)機(jī)會(huì)。未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)出的其中一個(gè)趨勢(shì)就是，互聯(lián)網(wǎng)越來越趨于移動(dòng)化。隨著智能手機(jī)的普及，人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求達(dá)到一個(gè)空前的程度，人們?cè)絹碓蕉嗟挠檬謾C(jī)進(jìn)行語音圖片和視頻的傳遞，總所周知，這都是最費(fèi)流量的，也就是說它需要很大的傳輸速率的支持，而現(xiàn)在2G升級(jí)3G，3G馬上升級(jí)4G，這都是為了適應(yīng)人們的需求。但是，雖然現(xiàn)在的4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以達(dá)到百M(fèi)bps的下載速率，但是由于技術(shù)升級(jí)還不能一步到位，成本也沒有得到有效控制，使得現(xiàn)在的流量費(fèi)用普遍偏高。你要拿流量看一部電影，都成為一種奢侈。所以，現(xiàn)在的人到哪都會(huì)問，W

14、IFI密碼多少？因此現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)得以普及，而對(duì)于無線局域網(wǎng)，天線是必不可少的。它是連接移動(dòng)端與互聯(lián)網(wǎng)的橋梁。而超寬帶天線便在其中，2002年，F(xiàn)CC公布了超寬帶天線的通信標(biāo)準(zhǔn)，這使得超寬帶天線真正走向了通信領(lǐng)域。不再是以前只有軍方才會(huì)使用的技術(shù)。只有軍方使用，使得天線的發(fā)展受到限制，而現(xiàn)在通信標(biāo)準(zhǔn)的公布，必然會(huì)增加第三方對(duì)超寬帶技術(shù)的研究和興趣。 承載移動(dòng)通信的一部分就是天線，通過天線將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁場，然后發(fā)射到空間，然后再通過天線接收電磁信號(hào)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這就是移動(dòng)傳輸?shù)倪^程?，F(xiàn)在移動(dòng)產(chǎn)品呈現(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)，是小型化便捷化，這都顯示出移動(dòng)通信要朝著寬帶寬的方向發(fā)展，因此負(fù)責(zé)發(fā)送信號(hào)

15、和接收信號(hào)的天線必須具有寬頻帶的特點(diǎn)，并且要滿足小型化的要求，以期望在便捷的同時(shí)達(dá)到更快更好的傳輸信息。而在多種通信系統(tǒng)中，UWB超寬帶天線具有寬頻帶（3.1GHz-10.6GHz），小型化等優(yōu)點(diǎn)，正好符合上述需求。所以，為了迎接UWB時(shí)代的來臨，設(shè)計(jì)覆蓋全頻道、實(shí)現(xiàn)全反向性收發(fā)及其小型化的UWB超寬帶天線及其迫切。 頁 第1 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 而超寬帶天線不僅僅應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域，超寬度技術(shù)是一種新興的無線技術(shù)，信號(hào)具有吉赫茲的帶寬，在雷達(dá)、精確定位、探測(cè)識(shí)別和電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)等眾多商業(yè)和軍事領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。 1.2 當(dāng)今天線的研究方向 如今，隨著軍事和商業(yè)不斷發(fā)展

16、，對(duì)天線的設(shè)計(jì)要求越來越高，不僅要求填寫具有多頻帶和寬頻帶的工作特點(diǎn)，而且還要求天線的尺寸小及低剖面等。而對(duì)于無線通信系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)技術(shù)的不斷升級(jí)和完善，現(xiàn)在的通信系統(tǒng)傳輸速率越來越快、效率越來越高、而且移動(dòng)端設(shè)備越來越小型化。所以要求天線具有高增益、寬頻帶和多頻帶等特點(diǎn)，所以現(xiàn)在對(duì)天線的研究主要表現(xiàn)為下面幾方面9： 天線的小型化：因?yàn)楝F(xiàn)代集成電路技術(shù)和現(xiàn)代工藝的發(fā)展，而且為了適應(yīng)人們的需求，電子產(chǎn)品越來越小巧精致，而無線終端必不可少的是天線，這也就需要天線也具有小型化的特點(diǎn)。 天線的寬頻帶：微帶天線的帶寬小，一般的微帶行波天線的帶寬只有百分之幾十，微帶縫天線的窄縫更小，只有百分之一，而寬縫則

17、能達(dá)到百分之十。普通的微帶天線則更不用說，頻帶更小。而這就需要我們對(duì)天線進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)頻帶寬度的方法很多，比如改變天線的形狀、尺寸以及利用各種不同的饋電技術(shù)以及阻抗匹配技術(shù)等都可以一定程度上增大帶寬。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)證明，就單個(gè)天線單元的阻抗帶寬而言，如果利用這些技術(shù)它們的頻帶寬度可以提高到百分之九十，也就是說它的增益可以達(dá)到百分之七十。 天線的多極化：天線之所以有諸多的應(yīng)用，是因?yàn)樗绕渌O(shè)備具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，良好的天線具有良好的極化特性。這使得天線在雷達(dá)、目標(biāo)識(shí)別以及電子對(duì)抗領(lǐng)域、通信系統(tǒng)等中都有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)有大量的人開始研究這個(gè)課題。主要的研究內(nèi)容為如何實(shí)現(xiàn)單個(gè)微帶天線元

18、雙極化或者多極化以及圓極化的方法。 天線的多頻帶：為了實(shí)現(xiàn)更多的功能，在很多的天線應(yīng)用中，大家都希望天線可以工作在兩個(gè)或多個(gè)頻帶。比如GPS導(dǎo)航。無線局域網(wǎng)WLAN和手機(jī)等，這些大家平時(shí)都會(huì)接觸到用到。 天線的高增益：天線的增益和天線的尺寸大小有著緊密的聯(lián)系。當(dāng)設(shè)計(jì)一款天線時(shí)，盡量減小天線的尺寸使天線越來越小，但此時(shí)天線的增益也會(huì)隨著尺寸的減小而 頁 第2 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 降低。為了使天線在小型化的同時(shí)增益保持不變，這樣的小型化高增益天線是目前天線研究最重要的研究方向之一。 1.3 論文主要內(nèi)容 本文主要研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)一款鉆石型超寬帶天線，并根據(jù)要求，對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化仿真。首先

19、是對(duì)參考文獻(xiàn)所提供的矩形微帶天線的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，分析矩形微帶天線參數(shù)變化對(duì)其引起的影響，其次再分析超寬帶天線的帶寬改進(jìn)及優(yōu)化方法。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并提出自己的設(shè)想和方案，通過理論結(jié)合實(shí)際的方法，利用仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化，使天線的S參數(shù)也就是回波損耗在所需要的頻帶范圍內(nèi)低于10dB,電壓駐波比也要在此范圍內(nèi)低于2。所以，首先是設(shè)計(jì)出鉆石型超寬帶天線的基本模型，然后運(yùn)用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，查看仿真結(jié)果，分析其在所需頻段內(nèi)需要怎樣的改變。將天線的尺寸和形狀設(shè)置成多組變量，對(duì)這些變量進(jìn)行交叉仿真，尋找最大帶寬的曲線，計(jì)算相對(duì)帶寬，看是否能滿足超寬帶天線設(shè)計(jì)要求。 1.4 小結(jié) 當(dāng)今世

20、界，互聯(lián)網(wǎng)正在不斷發(fā)展壯大。移動(dòng)通信更是給人們的生活帶來了巨大的改變，使得人們的溝通更便利。但是隨著人們對(duì)于通信的要求越來越高，已不僅僅局限于通話、短信等傳統(tǒng)的通信方式，更趨向去瀏覽網(wǎng)頁、瀏覽視頻、以及視頻通話，而這些要求，使得通信系統(tǒng)不得不更新?lián)Q代。本章闡述了天線研究的目的與意義，并對(duì)天線的研究方向給予了簡單的介紹。 頁 第3 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第2章天線的理論基礎(chǔ) 2.1 天線的電參數(shù) 2.1.1 方向圖 天線方向圖又叫輻射方向圖(radiation pattern）、遠(yuǎn)場方向圖(far-field pattern）,由天線方向圖可以直觀地衡量天線的性能。天線的方向圖表示天

21、線在不同角度的輻射功率大小，即輻射功率在空間的分布圖12。不相同的天線，它的輻射圖一般也不同，因?yàn)樘炀€的方向圖與天線的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，不同的天線，由于結(jié)構(gòu)的不同，它的方向圖一般也不同。天線的方向圖可以由三維圖形表示，也可以用兩個(gè)正交平面表示。而工程上一般選用兩個(gè)正交的平面來對(duì)天線進(jìn)行分析。這兩個(gè)方向圖，分別被稱為H面和E面，E面為最大輻射方向平行于電場方向的面，H面正交于E面。天線的方向性可以用副瓣電平和方向性系數(shù)來表示。副瓣的最大值相對(duì)于主瓣最大值的比值成為副瓣電平，一般用分貝表示，副瓣電平越小，天線輻射的能量越集中，方向性越好。方向性系數(shù)是指相同的總輻射功率下，某天線產(chǎn)生的最大輻射方向的

22、輻射強(qiáng)度與一理想的無方向性天線（理想點(diǎn)源）產(chǎn)生與同一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度的比值。 2.1.2 增益 增益的定義為：輸入功率條件不變的前提下，天線在最大輻射方向測(cè)量與理想點(diǎn)源天線輻射強(qiáng)度的比值，這就是天線的增益12。也就是說天線增益并不是放大器的增益，它不是用來表示天線把信號(hào)放大的程度，而是表示天線對(duì)于理想輻射天線的輻射比。天線的增益與天線的方向性有著緊密的聯(lián)系，并可以得出天線的效率，因?yàn)樘炀€的輸入功率等于天線的總輻射功率除以效率，所以增益等于方向性系數(shù)乘以效率。 2.1.3 輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線在饋電點(diǎn)的電壓與電流的比值。它的值跟多個(gè)因素有關(guān)，天線形式、波長以及是周圍的電磁環(huán)境等都對(duì)其有影響

23、。而輸入阻抗的意義在于，確定了它，就可以由此設(shè)計(jì)饋線，達(dá)到天線的相互匹配。而匹配程度的好壞，則由駐波比表示，匹配越好駐波比越小，駐波比的范圍為一到無窮大。 頁 第4 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2.1.4 頻帶寬度 在一定頻率范圍內(nèi)，天線的特定參數(shù)的變化在可接受范圍內(nèi)，那么這個(gè)頻率范圍就是天線的帶寬11。也就是說，天線的輻射寬度由所設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，而這些標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于方向圖、主播寬度、方向性系數(shù)、駐波比等的。例如，規(guī)定的是天線的駐波比，需要天線的駐波比低于2，那么由此可以確定天線滿足的頻率范圍，那就是頻帶寬度，也就是說如果低于2的駐波比的頻率從1GHz到10GHz，那么天線的頻帶寬度為9GH

24、z。當(dāng)然天線的頻帶寬度都是由多個(gè)參量來確立的，而不是單單的因?yàn)橐粋€(gè)，而不同的標(biāo)準(zhǔn)，所得到的頻帶寬度也不同，這要看實(shí)際設(shè)計(jì)天線所需要達(dá)到的是怎樣的條件和要求。而區(qū)別于窄帶天線和寬帶天線、超寬帶天線的參數(shù)為相對(duì)帶寬： 式中fh,fl分別為帶寬的終止頻率和起始頻率。 美國聯(lián)邦通信委員會(huì)將超寬帶UWB工作頻率規(guī)定在3.1GHz到10.6GHz。 3.1GHz以下頻帶有2G/3G蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、個(gè)人通信業(yè)務(wù)、無線局域網(wǎng)（WLAN）、藍(lán)牙（Bluetooth）和全球定位系統(tǒng)GPS等。IEEE的802.11a無線局域系統(tǒng)的工作頻帶在5.2GHz上，目前在推廣和使用的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率在 3400MH

25、z-4800MHz。因此在頻段上無線局域網(wǎng)、4G移動(dòng)通信和超寬帶通信系統(tǒng)會(huì)有重疊的頻帶，要求在超寬帶無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須考慮兼容這兩個(gè)通信系統(tǒng)。 2.1.5 駐波比 電壓駐波比（VSWR）是通信系統(tǒng)和射頻技術(shù)中的基本參數(shù)，用來評(píng)判各個(gè)器件之間的匹配性質(zhì)是否滿足設(shè)計(jì)要求10。當(dāng)天線與饋線不匹配或者匹配不好時(shí)，能量并不能全部被發(fā)射出去，而有一部分被反射回來，這部分能量成為駐波，這個(gè)駐波的最大電壓與最小電壓之比稱為駐波比。它表示的就是天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗的匹配程度，而由于天線的輸入阻抗為純電阻，而天線的特性阻抗一般包括電抗分量，所以很難達(dá)到完全匹配。駐波比越小，天線的匹配越好，而駐波比

26、越大，則天線的工作效率越低，更多的能量被反射回來。天線駐波比最小值為1。 頁 第5 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2.2 微帶天線 2.2.1 微帶天線概述 七十年代初期，一款新型天線被研發(fā)出來，這就是微帶天線的開始。微帶天線由一個(gè)介質(zhì)板（介質(zhì)板大多為厚度極薄的長方體，厚度h遠(yuǎn)小于波長?），介質(zhì)板上方為金屬沉淀的輻射元金屬貼片，輻射元的形狀各種各樣，有矩形、圓形或者是其他的形狀，而背面則是以金屬薄片組成的接地面。微帶天線可以采用多種饋電方式，選擇合適的饋電方式可以優(yōu)化天線的性能。如圖所示，分別為微帶線饋電的矩形微帶天線(a)和同軸饋電的圓形微帶天線(b)： 圖2-1 微帶天線 從圖上可以看

27、出，微帶天線由于它薄的平面結(jié)構(gòu)，使其具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，而且制作工藝簡單、成本低，制作微帶天線所需要的僅僅是介質(zhì)板和其上下的金屬薄片。電氣上表達(dá)出來的特點(diǎn)就是具有單一的寬輻射圖，一般最大輻射方向都在垂直于天線的方向。不過它的缺點(diǎn)是頻帶窄和效率低，需要進(jìn)一步的優(yōu)化才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。 頁 第6 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2.2.2微帶天線的饋電方式 一般的微帶天線都是在介質(zhì)上方有輻射單元，也就是輻射元在單面，所以，可以用微帶饋電或者同軸饋電。而由于天線的輸入阻抗一般含有電抗分量，不等于通常的50歐姆純電阻傳輸線阻抗，所以需要匹配，匹配可以改變饋線的阻值或者改變饋電的位置來做到。

28、但是，這些改變都會(huì)影響到天線的輻射特性。在此之外，80年代以來還發(fā)展了一種電磁耦合饋電，這是一種貼近天線的饋電方式，也可稱為無線饋電。 （1）微帶線饋電 利用微帶線讓天線與傳輸線間接連接進(jìn)行饋電，即為微帶線饋電。而由于微帶線饋電中的微帶線是與微帶貼片是共面的，所以，方便一體化制作，簡化制作過程。但是，微帶線也有它的缺點(diǎn)，那就是微帶線也有輻射，這會(huì)改變天線的增益方向圖等輻射特性。所以微帶線一般都不能寬，需求微帶線的寬度遠(yuǎn)小于波長。微帶線饋電也可稱為側(cè)饋，微帶線饋電如圖所示： 圖2-2微帶線饋電 （2）同軸線饋電 同軸線饋電也被稱為底饋，它是由一根同軸線從地面穿過介質(zhì)板連接到微帶貼片的饋電方式。由

29、于同軸線是穿插于內(nèi)部的，所以制作工程比較復(fù)雜，沒有微帶線饋電那樣簡單。而且饋電點(diǎn)的不同會(huì)直接影響天線與輸入傳輸線的匹配，所以，同軸饋電 頁 第7 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 的饋電點(diǎn)的選擇非常重要。而同軸線饋電的優(yōu)點(diǎn)就是，它不像微帶線那樣產(chǎn)生額外的輻射，影響天線的輻射特性。同軸線饋電示意圖如下所示： 圖2-3 同軸饋電 （3）電磁耦合饋電 電磁耦合饋電的特點(diǎn)就是無線饋電即貼近饋電（也被稱為無接觸饋電），可利用饋電本身，也可以通過一個(gè)孔徑或者縫隙來形成與天線的電磁耦合。這種饋電方式的特點(diǎn)就是可以得到更寬頻帶的駐波比特性。電磁耦合饋電示意圖如下所示： 圖2-4 電磁耦合饋電 2.2.3微帶天

30、線的輻射原理 微帶天線的輻射原理可由下圖來說明15： 頁 第8 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖2-5輻射原理圖 圖中，矩形微帶輻射元與接地板的距離h遠(yuǎn)小于?。因此，假定介質(zhì)基片中的電磁沿微帶輻射元的寬度（a）和厚度（h）方向沒有變化，而僅沿長度（b?/2）方向變化，其場結(jié)構(gòu)如圖所示。而輻射場則可認(rèn)為基本上是由輻射元兩路邊上的邊緣場產(chǎn)生的。將邊緣場分解為相對(duì)于接地板的法向和切向分量。由于輻射元的長度b?/2，所以，兩個(gè)法向分量反相，由此產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場在邊射方向上就互相抵消。而平行于接地板的切向電場是相同的，它們產(chǎn)生于遠(yuǎn)區(qū)的合成電場在邊射方向上相加，所以在邊射方向上得到最大的輻射場，這就是微帶

31、天線得到單向輻射的原理。由此可見，矩形微帶天線可用兩個(gè)相距?/2，同相激勵(lì)，并僅在接地板的上半空間產(chǎn)生輻射的槽來等效，如圖所示。 如果介質(zhì)基片中的電場同時(shí)沿著寬度和長度變化，這時(shí)微帶天線應(yīng)該用輻射元周圍的四個(gè)槽的輻射來等效。通信，其他形式的微帶天線也可用相應(yīng)的槽來等效。 2.2.4 微帶天線的分析方法 分析微帶天線有很多種方法，比如矢位法、并矢格林函數(shù)法、模式展開法、傳輸線模型法以及諧振腔模型法等。下面介紹諧振模型法。雖然這種方法不是很完備，但是卻分析簡單，調(diào)理清晰，通過結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，能達(dá)到工程要求，所以，諧振腔模型法不失為一種簡而易行的分析方法。 這種方法假設(shè)： （1）微帶輻射元和接地板

32、直接的場被認(rèn)為是由入射的TEM波和反射的TEM波合成的，每個(gè)TEM波的電場只有Ex分量，磁場有Hx和Hy分量，所有場量只是x,y的函數(shù)，而與z坐標(biāo)無關(guān)。 （2）微帶輻射元外表面的電流為零，除激勵(lì)點(diǎn)外，所有微帶邊緣上的法向電流為0，亦即不計(jì)磁場H沿邊緣的切向分量的影響，僅有切向電場存在，因而微帶天線 頁 第9 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 被視為上、下為電壁，四周為磁壁的諧振腔。 （3）根據(jù)等效原理，微帶饋線可平行于z軸的電流源代替。即等效于饋電點(diǎn)cd處加有恒流源JZ=1.諧振腔問題了。 微帶天線的內(nèi)場確定后，便可計(jì)算其電流分布。如果微帶天線的介質(zhì)材料為各向同性且均勻無損壞，微帶輻射元和接地

33、板的電導(dǎo)率為無限大，則電流和面磁流可分別用切向電場和切向磁場表示： J?n?H,Jm?E?n 式中n 天線表面的法向單位矢量。 ? 圖2-6 微帶天線的輻射邊緣場和電流密度 如圖所示，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可認(rèn)為微帶輻射元上、下表面的電流和面磁流是相同的。由此，便可通過位函數(shù)來求微帶天線的輻射場。 當(dāng)只有電流存在時(shí)，在微帶天線外面任意點(diǎn)P?r,?,?的電場和磁場為： 式中Ee?r?,He?r?電流產(chǎn)生于遠(yuǎn)區(qū)P點(diǎn)的電場和磁場； ?媒介的介電常數(shù)； ?媒介的磁導(dǎo)率； 頁 第10 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ?角頻率； A矢量磁位，由式子給出： 式中?自由空間的相位常數(shù); Jr距離原點(diǎn)為r處的面電流密

34、度； r.r分別表示場點(diǎn)和源點(diǎn)的坐標(biāo)。 ? 同樣，當(dāng)只有磁流存在時(shí)，則微帶天線外面遠(yuǎn)區(qū)任一點(diǎn)P?r,?,?處的電場和磁場為： 式中：Em?r?,Hm?r? 分別是由磁流產(chǎn)生與遠(yuǎn)區(qū)P點(diǎn)的電場和磁場； 因此，當(dāng)電流磁流同時(shí)存在時(shí)P點(diǎn)的電磁和磁場為： 為了簡單起見，將場和電流的時(shí)間因子都省略不寫。 在遠(yuǎn)區(qū)的輻射場中，有意義的場分量只有與1/r成正比的一項(xiàng)，因此，只考慮電流時(shí)，上式簡化為： E?r?j?A 在自由空間中： 而只考慮磁流時(shí)，磁場公式簡化為： 頁 第11 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） H?r?j?F 同樣，自由空間中： E?r?0H?r? 式中 ?0 自由空間的波阻抗（120。 ?）

35、2.3 超寬帶天線 2.3.1 超寬帶天線簡介 超寬帶天線，既然是超寬帶，當(dāng)然是帶寬非常大的天線，而這里的超帶寬，是由相對(duì)帶寬決定的，也就是天線帶寬與中心頻率之比達(dá)到25%以上的天線叫做超寬帶天線。而這里的帶寬指的是頻域內(nèi)符合某個(gè)性能參數(shù)的頻率范圍，例如S參數(shù)也就是回波損耗小于10dB，此時(shí)滿足條件的頻率范圍為1GHz-10GHz，那么天線的帶寬為9GHz13。當(dāng)然，一般天線的帶寬不僅僅只需要一個(gè)條件，往往都是多個(gè)條件互相限制的。在帶寬范圍內(nèi)，天線的特性參數(shù)，例如輸入阻抗、效率、增益、回波損耗、電壓駐波比、方向性系數(shù)等在允許的范圍內(nèi)。也就是說，給定一定的指標(biāo)，天線滿足這些條件的頻率范圍，就是它

36、的帶寬。其實(shí)這就是傳統(tǒng)的窄帶天線性能分析方法。由于以前所使用的窄帶信號(hào)都是已調(diào)整的正弦波信號(hào)，所以設(shè)計(jì)天線時(shí)對(duì)帶寬沒有嚴(yán)格的要求，不需要極寬的帶寬。只要針對(duì)滿足某個(gè)頻率設(shè)計(jì)就可以達(dá)到正常傳輸?shù)男枨蟆?但是，當(dāng)發(fā)射的信號(hào)不是正弦波調(diào)制信號(hào)時(shí)，單一的滿足某個(gè)頻率小范圍，就不符合要求了。超寬帶天線與常規(guī)意義上的寬帶天線有著本質(zhì)的區(qū)別。常規(guī)寬帶天線大多都是非頻變天線，這里的非頻變指的是可以根據(jù)天線的需要在頻帶范圍內(nèi)工作在不同的頻段，而不是同時(shí)在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行工作1。由此可得出，對(duì)于超寬帶天線來說，固定的相位中心和低駐波比是非常重要的指標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注，它們決定著超寬帶天線的性能。 在窄帶通

37、信系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的天線參數(shù)，例如輸入阻抗匹配、效率、增益、主瓣寬度、副瓣電平、方向系數(shù)、極化方式等等，被用作評(píng)估天線的性能指標(biāo)。因此天線工程師只要根據(jù)這些參數(shù)的確定就可以評(píng)估天線。但是在超寬帶應(yīng)用中卻不盡相同，由于發(fā)射的是窄帶脈沖序列，系統(tǒng)要求的天線相對(duì)帶寬很寬，情況變的不這么簡單，設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因此超寬帶天線也有有別于傳統(tǒng)的窄帶、寬帶天線的一些自己的技術(shù)特 頁 第12 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 點(diǎn)： （1） 在工作帶寬內(nèi)要保證超寬帶天線具有良好的匹配阻抗，這就需求超寬帶天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)電壓駐波比（VSWR）低于某個(gè)數(shù)值（一般低于2）而且相對(duì)平穩(wěn)，隨頻率的變化不大。電壓駐波比(VSW

38、R)是衡量天線輸入/輸出之間匹配額的參數(shù)，電壓駐波比越低，天線的匹配越好，當(dāng)電壓駐波比為1時(shí)達(dá)到完全匹配，此時(shí)的沒有反射波，全部能量都用于輸出。而要做到這一點(diǎn)，一般在超寬帶天線的脈沖輸出端安裝一個(gè)隔離區(qū)，有效隔離反射波。 （2） 由于發(fā)射的是窄帶脈沖序列，而要使其盡量在輻射時(shí)盡量不失真，盡量減少頻率色散和空間色散，這就要求超寬帶天線在整個(gè)工作頻帶內(nèi)中心頻率不變。相位中心的變化直接影響著發(fā)射脈沖失真程度和接收機(jī)的性能。 （3） 在整個(gè)工作頻帶內(nèi)超寬帶天線要保證具有高而穩(wěn)定的輻射效率。特別是對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的超寬帶通信，由于移動(dòng)設(shè)備為了便于攜帶的特點(diǎn)，它的體積大小受到限制，因此限制是設(shè)備功率，而由于設(shè)

39、備的功率受限，所以對(duì)于輻射效率要有更高的要求，要求輻射效率高而且要穩(wěn)定。超寬帶天線的效率可由式子計(jì)算： 以看出，在輸入功率即激勵(lì)源功率一定時(shí)，S11?f?回波損耗越低，超寬帶天線的效率越高。為了增加輻射效率，在工作帶寬內(nèi)要使激勵(lì)源與天線間達(dá)到很好的匹配。 （4）超寬帶天線工作在很大的帶寬，所以天線很重要的一個(gè)參數(shù)就是穩(wěn)定性，在工作帶寬內(nèi)天線要保持穩(wěn)定的天線增益和極化，在各個(gè)頻點(diǎn)的方向圖要大致一樣。 2.3.2 超寬帶無線通信的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn) 超寬帶技術(shù)最初是一項(xiàng)軍用技術(shù)，僅應(yīng)用于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。而后來，人們發(fā)現(xiàn)超寬帶技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，有很大的研發(fā)價(jià)值，這提高了人們研發(fā)超寬帶的熱情。早在1972年，就

40、有人為超寬帶脈沖檢查器申請(qǐng)了美國專利，這是超寬帶技術(shù)走向民用的開始；1978年出現(xiàn)了一種新的通信系統(tǒng)，超寬帶通信系統(tǒng)，雖然它還不夠完美，但 頁 第13 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 是它卻具有自己很多的優(yōu)點(diǎn)；1984年，這項(xiàng)系統(tǒng)進(jìn)行了最初的試驗(yàn)，向?qū)嶋H應(yīng)用賣出了堅(jiān)實(shí)的一步；1990年美國國防部高級(jí)計(jì)劃局（DARPA）開始對(duì)超寬帶技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，這更確切的證實(shí)了超寬帶技術(shù)具有很高的研發(fā)價(jià)值；2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)了超寬帶技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域，還公布了它的通信標(biāo)準(zhǔn)。2 而最初超寬帶技術(shù)發(fā)展緩慢的原因主要有以下幾點(diǎn)：早期發(fā)展的超寬帶技術(shù)主要應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，對(duì)天線的開發(fā)局限在很小的領(lǐng)域，并且限制了

41、第三方開發(fā)者對(duì)于超寬帶技術(shù)的研發(fā)熱情和興趣；而由于超寬帶帶寬非常大，占用很多專用頻帶，F(xiàn)CC對(duì)于超寬帶技術(shù)的批準(zhǔn)十分緩慢；超寬帶技術(shù)的超寬帶帶來的干擾問題也阻礙著超寬帶天線進(jìn)一步發(fā)展；而且由于超寬帶技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，可能取代包括PAN/WALN（802.11a/b/g）和無線WAN(GPRX/1X/3G)，因此，對(duì)于傳統(tǒng)的通信領(lǐng)域是一種沖擊，這些傳統(tǒng)公司會(huì)抵制該技術(shù)的商用。不過，雖然如此，超寬帶技術(shù)由于它本所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，還是取得了很大的進(jìn)展。 超寬帶UWB通信技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)有的其他通信系統(tǒng)相比具有傳輸速率高（可達(dá)1Gbit/s）、功耗低、成本低、抗多徑能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)、截獲率低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)

42、它還可以和現(xiàn)有的其他通信系統(tǒng)共享頻譜。因此，它已成為目前無線個(gè)人域網(wǎng)的首選技術(shù)。隨著超寬帶UWB技術(shù)不斷的發(fā)展和進(jìn)步，無線多媒體應(yīng)用越來越普及和移動(dòng)終端的爆炸式占領(lǐng)市場。在消費(fèi)電子領(lǐng)域、通信領(lǐng)域，超寬帶UWB技術(shù)將獲得大規(guī)模的應(yīng)用。針對(duì)超寬帶無線技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用將成為業(yè)界競相追逐的新熱點(diǎn)，并將形成產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)堑奈磥戆l(fā)展方向。但就目前超寬帶UWB技術(shù)而發(fā)展情況來看，還有著頻率管制、理論體系不完善、技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其他無線技術(shù)帶來的競爭等問題。 (1)超寬帶通信的優(yōu)勢(shì) 1.低成本低功耗。因?yàn)椴捎眠B續(xù)脈沖，超寬帶UWB技術(shù)不需要正弦波調(diào)制和上下變頻處理，也不需要本地振蕩器、功率放大器和混頻器等微波器件。所以超寬帶UWB系統(tǒng)的體積小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元相對(duì)簡單，系統(tǒng)頻率自適應(yīng)能力強(qiáng)。超寬帶信號(hào)的處理也相對(duì)容易，只需要用到很少的射頻、微波器件，射頻電路設(shè)計(jì)簡單。可以將脈沖發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端集成到一個(gè)功能芯片上，再加以時(shí)間