中心論題：

分析超寬帶天線性能和設(shè)計要求

介紹幾種常用新型超寬帶天線

解決方案：

要求超寬帶天線頻帶寬，傳輸速率高、功率低、功耗小、定位準確、抗多徑能力強

在色散，體積和方向性等方面對超寬帶天線要求高

近幾年來，超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。它起源于20世紀40年代，最初形式為脈沖無線通信，主要用于軍事領(lǐng)域，20世紀90年代之后逐漸用于民用領(lǐng)域。所謂超寬帶信號，就是要求任意相對帶寬高出20%或者絕對帶寬大于0.5GHz（FCC定義），其傳輸速率可超過100Mbit/s，并且滿足FCC功率譜密度限制要求的信號，它的工作頻段定義在3.1～10.6GHz。超寬帶基帶窄脈沖信號通信與通常的載波通信或擴頻通信相比，超寬帶無線通信系統(tǒng)除了具有高通信速率和超寬通信帶寬外，還具有高保密性，耗電量低，抗多徑衰落能力強，多址和穿透能力強等特點［1，2］。因此，超寬帶技術(shù)在雷達跟蹤、無線通信、穿透障礙物成像、武器控制系統(tǒng)、測距、精確定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于超寬帶無線接入系統(tǒng)的輻射信號具有超寬頻帶和極低功率譜密度兩大特點，這對超寬帶無線系統(tǒng)接收系統(tǒng)性能要求非常高，其關(guān)鍵技術(shù)包括脈沖波形設(shè)計、調(diào)制/解調(diào)與多址技術(shù)、窄脈沖的快速捕獲、同步與檢測等。另外，超寬帶（UWB）線的研究也是一個很重要的部分。UWB天線與常規(guī)意義上的寬帶天線還是有著顯著區(qū)別的。常規(guī)的寬帶天線大都是非頻變天線，因而并不適合于發(fā)射和接收UWB信號。對于UWB天線來說，固定的相位中心和低駐波電壓比是非常重要的兩個電指標，它們決定著UWB天線的性能。

本文將對超寬帶天線的設(shè)計要求，性能作一一分析，并對現(xiàn)有的幾種常用的超寬帶天線和新型天線作簡單的介紹。

天線的基本參數(shù)

天線作為發(fā)射和接受得能量轉(zhuǎn)換器，有一系列的性能參數(shù)，其中有一些是比較基本的。

輸入阻抗

天線饋電端口電壓和電流之比稱為天線的輸入阻抗。定義為，

（1）

其中，Pin是天線的輸入功率，Iin是輸入電流，Rin是輸入電阻，Xin是為輸入電抗。

天線帶寬

在該頻率范圍內(nèi)，一個選定的天線參數(shù)或者一組天線參數(shù)的改變是可以接受的。有方向帶寬、增益帶寬、輸入阻抗帶寬等，用的較多的是輸入阻抗帶寬。它指的是天線與傳輸阻抗相匹配，反射功率小于10%時的帶寬。對于超寬帶天線，其阻抗帶寬要求7.5GHz。

方向系數(shù)、效率和增益

在相同的輸入功率下，某天線產(chǎn)生于某點的電場強度的平方（ ）與無耗理想點源天線產(chǎn)生在同一點的電場強度的平方（ ）的比值，稱為在該點方向的增益，通常用G表示：

（2）

天線的方向系數(shù)是指在相同的輻射功率下，某天線的產(chǎn)生于某點的電場強度的平方與點源天線產(chǎn)生在同一點的電場強度的平方的比值，通常用D來表示：

（3）

通常以天線在最大輻射方向的增益作為這一天線的增益，以天線在最大輻射方向的方向性系數(shù)作為這一天線的方向性系數(shù)。天線增益（G）和方向性系數(shù)（D）是兩個相互緊密聯(lián)系的物理量，其關(guān)系為

G=η.D　（4）

其中η是天線的效率，它是天線輻射功率和輸入功率的比值，即

（5）

天線的效率表示天線在能量變換上的效能。

超寬帶天線的要求和研究

UWB脈沖通信和傳統(tǒng)的無線通信的調(diào)制傳輸技術(shù)有著根本的區(qū)別。首先要求其頻帶寬，傳輸速率高；其次是要求功率低，功耗小；再次要求它定時定位準確，抗多徑能力強。除此以外，由于超寬帶系統(tǒng)的特點，對超寬帶天線的特性又提出了不同于一般天線的要求：

（1）根據(jù)FCC的要求，天線要能覆蓋3.1～10.6GHz的頻帶寬度。

（2）它不是一種簡單接受單頻帶信號的天線，而是一種典型的多個窄頻帶天線。

（3）對天線的色散要求很高。

（4）主要應(yīng)用在短距離通信中，對體積和方向性有較高的要求。

為實現(xiàn)天線的寬帶化，已有許多成熟的技術(shù)措施，這些技術(shù)有些適合線天線，有些適合面天線，有些兩者都適用：機電結(jié)合的方法、加載的方法、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、綜合方法。

目前，人們在研究設(shè)計超寬帶時往往是先想辦法展寬其頻帶，從而設(shè)計出普通的寬帶天線，然后再去分析其頻域和時域特性，以驗證其性能是否優(yōu)良，進而適用于超寬帶系統(tǒng)。人們采用這些基于傳統(tǒng)理論的方法也設(shè)計出了許多性能優(yōu)良的超寬帶天線。

幾種超寬帶天線

目前超寬帶天線主要有TEM喇叭、偶極子、螺旋天線、雙錐天線、Vivaldi天線等等，他們性能各異，原理不同。下面對其中幾個做簡單的介紹。

偶極子天線

偶極子天線是最基本的天線，本質(zhì)上是窄帶天線，但是可以通過加載等技術(shù)措施顯著展寬它的工作頻帶。偶極子加載可以是阻抗加載，也可以是電抗加載，可以連續(xù)加載，也可以離散加載，目的是使天線單位長度上的阻抗沿天線臂按指定規(guī)律變化。1965年，Wu和King提出對偶極子天線進行連續(xù)阻性加載，并因此在很寬一個頻段內(nèi)獲得了天線上的外向行波，該天線被稱為Wu-King偶極子天線。一般偶極子天線只作接受天線。

TEM喇叭天線

TEM喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)是由相互間有一張角的兩個三角形金屬板組成。TEM喇叭天線廣泛的被使用在UWB應(yīng)用中。它具有良好的阻抗特性和波形保真性。可以通過增加喇叭長度，加大喇叭張角，喇叭的波阻抗就更接近自由空間波阻抗，口面的反射將減小，脈沖波形的失真亦隨之減小。TEM喇叭天線的增益范圍5～15dB，這個范圍使用于定向基站天線的應(yīng)用［3］。

雙錐形天線

1943年，Schelkunoff提出了如圖1所示的雙錐形天線［4］。雙錐形天線及其他的變形的天線，包括盤錐形線廣泛的應(yīng)用在超寬帶領(lǐng)域。

雙錐形天線的振子直徑與其相應(yīng)的兩臂間的距離保持為一個常數(shù)，可使沿線各點的特性阻抗不變，當(dāng)天線無限長時，其輸入阻抗就等于振子的特性阻抗，這時天線電特性與頻率無關(guān)。雙錐形天線的阻抗僅與錐角的大小有關(guān)。當(dāng)錐角接近90°時，天線的輸入電阻近似為50Ω，天線可以獲得很寬的阻抗帶寬。

Vavaldi天線

Vivaldi天線是由較窄的槽線過渡到較寬的槽線構(gòu)成的，由Gibson于1979年提出［5］。它的槽線呈指數(shù)規(guī)律變化，將介質(zhì)板上的槽線寬度逐漸加大，形成喇叭口向外輻射或向內(nèi)接收的電磁波。在不同的頻率上，它的不同部分發(fā)射或接收電磁波，而各個輻射部分相對于對應(yīng)的不同頻率信號的波長的電長度是不變的。在設(shè)計頻段內(nèi)具有相同的波束寬度。此外，它還具有良好的時域特性，時域接收波形具有非色散特性，因此它是一種非常有潛力的超寬帶天線。

超寬帶新型天線

隨著UWB系統(tǒng)的民用化，越來越多的UWB設(shè)備用于短距離無線通信，這種設(shè)備通常體積小，要求天線的結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低。近年來對應(yīng)用在短距離無線通信的天線研究比較多，出現(xiàn)了很多新型的UWB天線。

微帶天線

微帶天線具有小尺寸、易于加工、易于有源器件集成等優(yōu)點，但是它具有一個最明顯的不足就是它的窄帶特性。為了滿足超寬帶天線的要求，發(fā)展了特殊的微帶天線。

采用微帶天線來實現(xiàn)UWB天線，基本的方法是采用印刷單極子天線或者變形的印刷偶極子天線。

印刷單極子天線有多種結(jié)構(gòu)，如三角形、圓形、橢圓形等，還有一些分形結(jié)果的特殊形狀。變形的偶極子天線的阻抗和帶寬與振子的寬度有很大的關(guān)系，采用印刷偶極子天線，可以將天線的振子做成平面的，同時控制天線與饋線之間的連接部分，進行阻抗的匹配，達到展寬頻帶的目的。采用這種方法可以得到方向圖和反射系數(shù)都比較滿意的結(jié)果。文獻［6］提出了一種矩形單極子形式的微帶天線。

縫隙UWB天線

縫隙天線是一種基本的天線形式，是在金屬上刻槽，采用同軸線。微帶線、波導(dǎo)等方法進行激勵，從而產(chǎn)生輻射。縫隙天線在微波斷代替振子天線解決振子太小，制作和饋電困難的缺點。

通過縫隙天線來實現(xiàn)UWB帶寬，它的基本原理是，使用橢圓、圓、矩形等特殊的寬縫隙，采用寬帶饋電的方法，實現(xiàn)超寬帶性能。縫隙天線的帶寬和縫隙的性狀大小有很大的關(guān)系。當(dāng)使用寬矩形縫隙的時候，縫隙的長寬比對天線的帶寬有很多的影響，而橢圓縫隙的長短軸比對帶寬的影響較大。

總結(jié)和展望

通過對超寬帶天線的研究可以知道，其中還存在一些困難。如在超短脈沖發(fā)射中，如何避免振鈴現(xiàn)象。另外，超寬帶天線種如何保持整個帶寬的恒定增益、提高天線效率、提高天線增益、展寬天線工作頻段也是具有挑戰(zhàn)性的工作。

雖然目前超寬帶天線的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，但是，我們有理由相信，在未來幾年將會有更大的突破。在民用超寬帶和移動式通信設(shè)備種超短帶天線的發(fā)展也會朝著小型化、高效率、穩(wěn)定增益、寬頻帶、超短快速脈沖響應(yīng)的方向發(fā)展。