超寬帶天線時(shí)頻域參數(shù)及設(shè)計(jì)方法

1、第23卷增刊 微 波 學(xué) 報(bào) Vol.23 Supplement 2007年8月 JOURNAL OF MICROWAVES Aug. 2007超寬帶天線時(shí)頻域參數(shù)及設(shè)計(jì)方法張 卓1,2 尹 浩2 蘇 凱1,2 陳 思1（1. 解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007； 2. 中國(guó)電子系統(tǒng)設(shè)備工程公司研究所，北京 100039） 摘 要：超寬帶通信系統(tǒng)由于GHz級(jí)的瞬時(shí)脈沖帶寬，天線的設(shè)計(jì)和用于天線性能比較的參數(shù)與傳統(tǒng)窄帶天線有很大區(qū)別。本文評(píng)述了天線的時(shí)域和頻域性能參數(shù)，論述了超寬帶天線設(shè)計(jì)的方法，最后給出兩種典型應(yīng)用的UWB天線，討論了未來(lái)超寬帶天線研究的技術(shù)和發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：超寬

2、帶通信系統(tǒng)，天線，參數(shù)Time-Frequency Domain Parameters and design Techniques of UWB AntennaZHANG Zhuo1,2 YIN Hao2 SU Kai1 CHENG Si1(1. Institute of Communications Engineering, Science and Technology University of PLA, Nanjing 210007, China;2. Institute of Electronic System Engineering Corporation, Beijing 1000

3、39, China) Abstract：Antenna performance assessment and design of UWB radio systems have much difference from traditional antenna due to the ultra wide band of transmitted signal. This paper describes the performance parameters in both time domain and frequency domain and the methods of the design of

4、 UWB antenna. Two type antennas in the typical applications are presented; the technical challenges and developing prospect to further research are discussed finally.Key words：Ultra-wide band radio systems, Antenna, Parameters引 言2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)頒布超寬帶(UWB)報(bào)告，規(guī)定系統(tǒng)10dB帶寬可達(dá)7.5GHz (3.1GHz -10.6GHz)，有

5、效全向發(fā)射功率(EIRP)低于-41.3 dBm/MHz，此后超寬帶技術(shù)發(fā)展如火如荼。目前主要應(yīng)用于短距離高速數(shù)據(jù)通信和中長(zhǎng)距離有定位功能的低速通信網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)UWB天線研究集中于沖擊脈沖雷達(dá)，特點(diǎn)是定向、高功率、體積龐大；而UWB通信系統(tǒng)中的天線（以下簡(jiǎn)稱UWB天線）則通常要求是全向、低功率、易攜帶。以往的通信系統(tǒng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案決定天線和射頻設(shè)計(jì)方案，而UWB天線和射頻的設(shè)計(jì)方案和性能直接影響甚至決定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。UWB天線設(shè)計(jì)面臨全新挑戰(zhàn)。統(tǒng)中心頻率獲得的頻域參數(shù)，在更大的頻帶范 圍，這些參數(shù)將隨頻率變化，直接分析和比較它們已不足以反映天線的性能。因此UWB天線電參數(shù)的定義需要加以擴(kuò)展或

6、定義新參數(shù)，同時(shí)在時(shí)域、頻域分析和建模。數(shù)字時(shí)/頻域方法有時(shí)域有限差分(FDTD)法、時(shí)域積分方程(TDIE)法和矩量法(MoM)等。1.1 脈沖響應(yīng)和轉(zhuǎn)移函數(shù)天線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)H()描述了整個(gè)發(fā)送接收鏈路的特性，適合UWB通信系統(tǒng)的表征：H(,r)=Vr(,r)=|H(,r)|ej() (1)Vt()()=t()+r()+rc(2)其中Vr()、Vt()是信源和接收信號(hào)的電壓，1 UWB天線的電性能參數(shù)UWB通信系統(tǒng)典型脈沖時(shí)域?qū)挾葹閬喖{秒級(jí)，有很寬的瞬時(shí)帶寬。傳統(tǒng)天線的電特性參數(shù)是在系 *t()、r()是發(fā)射和接收天線的相位，(,)是方位角，c是光速，r是天線間距離。當(dāng)天線系統(tǒng)視為一個(gè)兩端

7、口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，轉(zhuǎn)移函數(shù)可以用S參數(shù)描述1，如圖1所示。當(dāng)信源阻抗Z0定稿日期：2007-04-1822微 波 學(xué) 報(bào) 2007年8月和接收機(jī)負(fù)載阻抗Zl等于傳輸線的特性阻抗時(shí)，轉(zhuǎn)移函數(shù)為：H(,r)=S21()（3） 21.4 效率效率定義為對(duì)于某一激勵(lì)，天線總輻射能量與總接收能量的比值：22S參數(shù)可以通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析器精確地測(cè)量出來(lái)，再通過(guò)FFT變換到時(shí)域進(jìn)行評(píng)估。因此，H()能夠直接由天線系統(tǒng)的S12或S21來(lái)描述。 =Per(,)sinddin()Zline（7）dZline是傳輸線特性阻抗，Vin()是饋入電壓。用回波損耗參數(shù)S11()，效率可表示為：圖1 UWB通信系統(tǒng)的天線系統(tǒng)原理圖

8、=Pet()(1|S11()|2)dPet()d（8）1.2 保真度信號(hào)x(t)與y(t)的保真度定義為：F=效率依賴于Vin()和反射系數(shù)。對(duì)于無(wú)損耗天線，測(cè)量入射和反射能量可以直接得到天線的效率。（4）1.5 參數(shù)總結(jié)對(duì)于瞬時(shí)寬帶激勵(lì)，需要用時(shí)域和頻域參數(shù)共同評(píng)價(jià)天線性能。由于轉(zhuǎn)移函數(shù)能夠反映依賴阻抗匹配、增益、極化匹配、群時(shí)延、天線間距離和方向性等多種因素的天線系統(tǒng)的性能，因而在評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)非常有用。在比較天線性能時(shí)可以使用基于能量的一系列參數(shù)，如方向圖、效率和增益等。常用的時(shí)域能量方向圖有以下幾種：一種場(chǎng)強(qiáng)方向圖，它表示檢測(cè)到的電壓的時(shí)間波形，第二種是能量方向圖，它正比于某方向

9、上的總接收能量，它們都是入射信號(hào)的函數(shù)。第三種是峰值互相關(guān)方向圖，第四種是互相關(guān)函數(shù)半峰值寬度方向圖。與電壓圖相比，半峰值寬度幾乎等于測(cè)量電壓類似脈沖部分的時(shí)間寬度。后兩種方向圖常用于定向天線，使用在任意方向的接收信號(hào)與最大輻射方向信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。保真度通常用于評(píng)估接收信號(hào)的質(zhì)量和選擇合適的檢測(cè)模板。此外，峰值響應(yīng)也是電磁脈沖常用的評(píng)估參數(shù)。x(t)y(t)dt=maxLpsource(t)poutput(t)dtpsource(t)、poutput(t)是按各自能量歸一化的信源脈沖和輸出脈沖。保真度是最大互相關(guān)函數(shù)，它通過(guò)改變得到最大積分值。L是對(duì)信源脈沖psource(t)的線性算子?？?/p>

10、見(jiàn)，當(dāng)保真度最大時(shí)，接收天線的輸出模板信號(hào)Lpsource(t)也許與psource(t)并不相似。 1.3 能量方向圖對(duì)于UWB天線，由功率密度得到的方向圖在不同頻率將具有不同的特性，很難用于評(píng)價(jià)天線的性能。方向圖也可以從能量的角度來(lái)描述。發(fā)射能量方向圖Pet(,)和接收能量方向圖Per(,)定義為：2Pet(,)=0232201Vt()Z0+Zinf(,)d=2GradJ1（5） |E(,)|d=0JGrad|E(,t)|dt2 UWB天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 阻抗匹配和失真UWB通信系統(tǒng)要求天線具有超寬帶阻抗特性。天線可以視為傳輸線阻抗和自由空間阻抗的匹配器，它將傳輸線中的傳輸形式的能量轉(zhuǎn)換

11、為自由空間的輻射能量。傳統(tǒng)窄帶天線常常要設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)RF前端和天線間的阻抗匹配。而當(dāng)帶寬增加Per(,)=122JGincE(,)f(,)Rld（6）Z0+Zl其中0是自由空間波阻抗，f(,)是方向函數(shù)，Zin是輸入阻抗。天線的能量是可測(cè)量的，因此很容易得到它的數(shù)值。第23卷增刊 張 卓等：超寬帶天線時(shí)頻域參數(shù)及設(shè)計(jì)方法 23時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)變得十分困難。因此設(shè)計(jì)UWB天線時(shí)，要通過(guò)對(duì)天線進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，使天線具有良好匹配特性，盡量避免使用匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)整UWB天線的阻抗特性。良好的阻抗特性是UWB天線設(shè)計(jì)的首要準(zhǔn)則。同樣，天線的頻譜范圍也可以設(shè)計(jì)3。通過(guò)更為復(fù)雜的方法可以實(shí)現(xiàn)頻率的陷波來(lái)避

12、開(kāi)某些頻率，天線頻譜的滾降速率在某種程度上也可以得到控制。UWB通信系統(tǒng)還要求天線的相位中心具有超寬帶不變特性。對(duì)于發(fā)射天線，工作頻帶內(nèi)的線性相位（群時(shí)延是常數(shù)）是非常重要的。即使天線的幅度響應(yīng)很平坦，群時(shí)延仍能夠?qū)е绿炀€明顯的信號(hào)失真。對(duì)數(shù)周期天線和螺旋天線的相位中心隨頻率變化，接收脈沖波形時(shí)會(huì)產(chǎn)生拖尾振蕩。錐形天線通過(guò)使用匹配負(fù)載來(lái)削減端口的能量反射，具有穩(wěn)定的相位中心。但通常體積太大，不適于便攜式的UWB設(shè)備。而平面單極子天線（偶極子天線）具有帶寬寬、體積小和低成本的特點(diǎn)，其寬帶應(yīng)用研究較為廣泛。2.2 振子天線的尺寸、帶寬和增益天線設(shè)計(jì)尺寸與品質(zhì)因數(shù)Q或相對(duì)帶寬有關(guān)。UWB中心頻率fc

13、定義為幾何平均4頻率平方成倒數(shù)關(guān)系，(c/4rf)2為路徑損耗。天線的增益G由天線的有效面積Ae定義： G(f)=4Ae(f)4Ae(f)f2= （11）c22由于發(fā)射限制EIRP，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要控制Pt(f)Gt(f)以符合規(guī)范的要求。常增益天線的有效面積以1/f2滾降。而“常有效面積”天線的增益隨f2增加。因此，如圖2所示：1)對(duì)于常增益發(fā)射接收天線，由于路徑損耗，接收功率以1/f2滾降。2)如果接收天線是具有常有效面積的定向天線，則接收功率是平坦的，且比全向天線接收功率大得多，但是可見(jiàn)區(qū)變窄。3)在發(fā)射端使用定向天線，鏈路性能并沒(méi)有得到提高，因?yàn)橛蒃IRP公式，發(fā)送功率Pt必須以1/f2減少

14、才能符合FCC限制。由McLean邊界5，當(dāng)Q0時(shí)，r=c/(2)。c是中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，r為完全包圍天線的最小球體的半徑。因此，UWB振子天線大小通常是其中心頻率的四分之一波長(zhǎng)左右。更小的尺寸會(huì)導(dǎo)致效率和性能的下降。電磁能量耦合效應(yīng)在傳播常數(shù)范圍內(nèi)起作用。對(duì)于電小尺寸天線，天線最大有效面積近似等于天線的物理面積加上其外圍的/(2)區(qū)域帶。即天線的電半徑是物理半徑加上/(2)。由于增益是有效面積的函數(shù)，因此利用這個(gè)假設(shè)，可以估計(jì)天線增益的上界。2.3 天線的方向性和系統(tǒng)性能Friis公式是與頻率相關(guān)的，使用功率譜密度，UWB天線接收功率是： Pr(f)=cG(f)Gr(f)Pt(f)tdf （10） 20(4r)f22圖2 天線的方向性與鏈路性能的關(guān)系3 UWB天線實(shí)例UWB天線的設(shè)計(jì)主要是基于實(shí)現(xiàn)要求。對(duì)于WBAN/WPAN應(yīng)用，它們要求天線必須有小尺寸，高效率，易于與電路集成和良好的瞬時(shí)特性等。 3.1 WPAN全向天線貼片天線由于重量輕、低成本、易于加工，在無(wú)線通信中具有廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)