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超宽带天线
超宽带天线研究报告
背景
1.1超宽带（UWB——UltraWideBand）介绍
超宽带技术［1-3］的最初形式为脉冲无线通信，起源于20世纪40年代，从其出现到20世纪90年代之前，UWB技术主要作为军事技术在雷达和低截获率、低侦侧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，UWB
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0.20-1.5ns之间）的一种通信，也称为脉冲无线电（ImpulseRadio）.时域（TimeDomain）或无载波（CarrierFree通信。
它具有GHz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。
超宽带要求相对带宽［4］比高出20%或者绝对带宽大于0.5GHz，其传输速率可超过100Mbps，具有这样特性的系统称为UWB系统。
图1.1超宽带频谱图
UWB由于占有带宽达到数GHz，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UWB仍然倍受重视［2］。
1、抗干扰性能强：
UWB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备产生的噪声。
接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益，因此，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。
2、传输速率高：
UWB的数据速率可以达到几十Mbps到几百Mbps.
3、带宽极宽：
UWB使用的带宽在1GHz以上。
超宽带系统容量大，并目可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。
4、消耗电能小：
通常情况下，尤线通信系统在通信时需要联系发剔载波，因此，要消耗一定电能。
而UWB不使用载波，只是发出瞬时脉冲电波，贝U只在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。
5、保密性好：
UWB保密性能表现在两方面：
一方面是采用跳时扩频，接收机只有己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：
UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于Imw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，UWB
的应用面就广。
7、定位精度高：
信号的定位精度与其带宽直接相关，UWB信号的带宽一般
在500MHz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GHz，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Ins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UWB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口。
1.2超宽带信号
UWB的主要信号形式可分为传统的基带窄脉冲形式（如图1.2所示:
不用余弦载波）和调制载波形式[4,5]。
前者多用于探测、透视、成像、以及低速、低功耗、低成本通信等领域；而后者是2002年FCC规定了UWB通信的频谱使用范围和功率限制后产生的，是日前UWB高速通信较多采用的一种。
通常脉冲时宽从微微秒到纳秒；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」ns。
在系统设计过程中UWB信号的波形和脉冲宽度对信号的频谱分布及减1141其它RF系统的影响起决定性作用。
通常，UWB信号的脉冲宽度在0.2-1.Sns之间。
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（DC）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UWB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。
1.3超宽带天线简介
1.3.1概念：
超宽带天线[1]顾名思义就是带宽非常宽的天线，这种说法其实是在频域的对天线带宽的定义是就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围。
在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等在允许的范围内。
也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围。
其实这正是传统的窄带天线性能分析方法。
因为以前窄带天线要发送的信号基本都是己经调制过的正弦波信号，所以在设计天线时对带宽并没有要求非常苛刻（极宽的带宽）。
只要针对某个载波频率设计就可以了，在这个载波频率附近天线的性能满足要求，变化不大。
但是，当要发送的信号不是正弦波调制信号天线就不能满足要求了，而是儿百皮秒或者纳秒级的窄脉冲信号时，一般的窄带那么传统的宽带天线能否满足要求呢？
UWB天线与常规意义上的宽带大线还是有着显著区别的。
常规的宽带天线大都是非频变天线，是指天线可以根据无线系统需要工作在不同频段，而并不是指天线地各个部分同时在整个宽频段内工作。
例如TEM喇叭天线，对数周期偶极子天线和自相似螺旋天线都是典型的宽带天线，虽然可以工作在宽频带内的多个频率上，但是由于其相位中心和VSWR是随频率变化的，导致了信号时域上的色散[6],如图1.4所示，因而不适合于发射和接收UWB信号。
因此，对于UWB天线来说，固定的相位中心和低驻波电压比是非常重要的两个电指标，它们决定着UWB天线的性能。
1.3.2特点：
在窄带通信系统里，传统的天线参数，例如输入阻抗匹配、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等等，被用来评估天线的技术性能，因此天线工程师只要根据这些参数的确定就能评估天线。
但是在超宽带应用中，由于天线发射窄脉冲序列，系统要求天线的相对带宽很宽，情况就变得很复杂，因此超宽带天线也就有了不同于传统窄带、宽带天线的一些技术特点[7-10]，主
要表现如下：
1、在工作带宽内要保证UWB天线具有很好的匹配阻抗，这要求UWB天
线在整个工作频带内驻波电压比低而平稳。
驻波电压比（VSWR）是衡
量天线输入/输出之间阻抗匹配额的参数，要求在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小。
同时，在UWB脉冲源输出端
安装一个隔离器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。
2、要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。
相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和接收机的性能变坏。
图1.2对数周期天线（左上）发出色散电磁波（右上）
椭圆偶极子UWB天线（左下）发出非色散电磁波（右下）
3、在工作带宽内天线要保证具有高而稳定的辐射效率。
尤其是对于移动设备的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。
如式（1.1）
所定义的UWB天线的效率，其中激励源功率R（（f）和回波损耗S11（f），
而且海域源脉冲的频谱有关。
为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。
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4、在工作带宽内天线还要保持具有稳定的天线增益、极化，在各个频点上的功率方向图要大致相同。
二、国内外发展现状
UWB技术最初是在1960年作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域；1972年UWB脉冲检测器申请了美国专利；1978年出现了最初的UWB通信系统；1984年UWB系统成功地进行了10公里的试验；1990年美国国防部高级计划局（DARPA）开始对UWB技术进行验证。
2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用。
UWB技术发展慢的原因主要有：
在1994年以前主要限于军方使用，限制了第三方开发支持UWB的软件和硬件；由于UWB使用许多专用频段，FCC对UWB技术的批准进展缓慢；UWB带来的干扰问题也阻碍了UWB的发展步伐；而且，由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括PAN,WLAN
（802.11a,802.11b,802.11g和无线WAN（如GPRS,1XRTT），因此，许多公司会抵制该技术的商用。
虽然如此，在此期间，UWB天线还是取得了很大的发展。
1941年，Stratton和Chu提出了类球体天线。
是通过直接求解Maxwell方程得到该天线的辐射性能,但是类球体天线的分析方法不能应用到任意形状的天线［11］。
1943年,Schelkunoff提出了双锥天线［12］。
它可以简单的利用Maxwell方程求解。
该分析方法可以应用到许多其他形状的天线中，同时给出这些天线的阻抗特性的解析公式。
如今，双锥天线和它的变形天线如圆锥形天线、蝶形天线等仍然被广泛应用到UWB系统中。
1947年，在哈佛大学的美国辐射科学实验室（U.S.RadioResearchLaboratory正式规定了UWB天线的定义及概念。
这期间也提出了许多UWB天线，例如水滴形天线、套筒天线、梯形天线等［9］。
50年代，提出了
典型的非频变天线——螺旋天线［13］。
其中等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线是最著名的两种螺旋天线。
螺旋天线可以提供10:
1的带宽，具有圆极化、低轮廓的特性。
1979年,Gibson提出了一种按指数规律渐变的槽线天线［14］，它是一些具有非周期结构连续逐渐变化的天线。
理论上，它有较大的带宽，这种天线是一种高增益、线极化，是具有随频率变化恒定增益的天线。
1982年，R.H.Duhamel
发明了正弦天线，它结构紧凑、低轮廓而且频带宽。
它比螺旋天线要复杂，但它却可以提供相互正交的双线性极化。
所以，它可以作为极化分集天线或同时进行发送/接收操作天线。
自1992以来，发明了许多种单极子盘片天线。
盘片的形状有圆形、椭圆形和梯形等，他们用简单的结构提供了非常宽的带宽。
辐射单元被固定在一个矩形的接地板上，并且用同轴线馈电源。
单极子盘片天线是UWB天线中比较满意的天线。
1999年,VirginiaTechAntennaGroup（VTAG）发明了四面（Foursquare）天线。
尽管它可能没有其他天线那么宽的带宽，但却有单向辐射、双线性极化和低轮廓等独特的优点［15］。
国内大学在超宽带天线设计和理论研究领域中也作出了许多的贡献。
中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的同轴双锥天线和半抛物面冲击脉冲辐射天线［16］，其同轴双锥天线效率为65%，在250M~1GHz驻波比小于3。
西北核技术研究所研制了线框馈电抛物反射面高功率辐射天线，辐射效率约为37%，增益17.5dB。
国防科大电子科学与工程学院在加脊圆锥TEM喇叭天线和平面TEM
喇叭天线的研究上成效显著［17］。
这些超宽带天线的应用仍然立足于雷达系统，并没有与发展的如火如荼的民用超宽带系统相结合。
因此，分析和研究民用超宽带天线具有重要的应用价值［8］。
下面，将对国内外各个研究机构在UWB雷达和通信两个方面的研究现状做一下简单介绍：
1、超宽带雷达超宽带（UWB）雷达是近年来国内外正在深人研究的一种新体制雷达，美国国防部己连续几年把它作为关键技术列入研究计划。
与常规的窄带雷达相比，它抗干扰能力强，容易从强杂波背景中检测目标，能识别目标的属性，可对目标成像等诸多优越性，特别是它具有良好的反隐身潜力，因而受到了广泛的重视。
美国和俄罗斯是世界上在该领域研究较先进的国家。
美国从事这方面研究的主要有Phillips国家实验室、Sandia国家实验室、PowerSpectra公司和FarrResearch公司，他们的研究进展情况可总结如下：
（1）Phillips国家实验室该实验室：
根据源的不同，采用了不同形式的高功率脉冲辐射天线。
H-3采用3.66米抛物面天线，焦径比0.33,馈源由两个400。
共面圆锥TEM喇叭交又放置构成，通过PXM网络完成低频补偿。
（2）PowerSpectra公司：
研制了GEM系列高功率脉冲源，采用雪崩固态开关技术（BASSTM）,GEM共研制了两代，GEMI采用2x4天线阵，GEMII
采用8X12天线阵，天线阵元采用矩形喇叭，可以在130“范围内扫描。
（3）FarrResearch公司：
研制了两个反射镜脉冲辐射天线和一个棱镜脉冲辐射天线，抛物面反射镜F/D=0.38，两个反射镜直径分别为23cm和46cm，馈源采用4臂垂直交叉圆锥TEM喇叭，输入阻抗2000。
棱镜脉冲辐射天线由聚乙烯填充的圆锥TEM喇叭和椭球面棱镜构成500馈电。
（4）俄罗斯从事这一方面研究的主要有大电流电子学研究所和电物理研究所，开展了哈尔姆斯提出的大电流辐射器、TEM天线和组合天线阵列的研究，功率辐射效率达709/a。
乌克兰国家科学研究院无线电物理和电子研究所也开展了大电流辐射器的研究。
今后的研究向更短的脉冲、更宽的频带、更高的功率、效率和重复频率的方向发展[18]。
（5）国内研究现状：
①西北核技术研究所研制了线框馈电抛物反射面高功率电磁脉冲辐射天线，由同轴馈线、高功率宽带模式转换结构、小TEM喇叭一导电线框级联馈电结构、抛物反射面（D=2m，F/D=0.37）、绝缘机构、支撑和方位调节机构等构成。
②中国工程物理研究院应用电子研究所研
制了同轴双锥天线，由一段匹配过渡同轴传输线、锥形渐变过渡、输出透镜和双锥天线组成，此天线辐射环形波束。
天线输入为同轴结构，内导体外径19毫米，外导体内径44毫米，输入阻抗50.51，输入传输线内填充3.5MPa的氮气，在天线输入端加密圭寸和绝缘结构，天线内外锥之间填充0.2MPa的SF6气体，天线内外锥半锥角分别为20.5°和45°,外锥长75厘米，内锥长77厘米，内外锥均由铜板制作。
用HP8720C网络分析仪测得天线的电压驻波比小于3的高频点是1GHz、低频点250MHz，在
150-250MHz频段内驻波大于3小于4。
将天线接在电压士100千伏、重复频率100H2、单周期脉冲全底宽3.6纳秒和输出阻抗500的超宽带脉冲源上，测得辐射功率大于100兆瓦，E面和H面平行极化半功率点全宽分别为50“和3600，天线的功率效率约为65%.③国防科大电子科学与工程学院分别研制了加脊圆锥TEM喇叭和平面TEM喇叭，前者用于冲激雷达实验系统，后者用于超宽带合成孔径雷达实验系统。
在低功率测试条件下，圆锥加脊TEM喇叭具有良好的波形保真能力，平面TEM喇叭工作带宽200-800MHz，外形尺寸670mmX734mmX50mm，采用U形巴伦平衡馈电，在10个倍频程范围内电压驻波比小于1.7，即使在低频端
（170MHz）辐射仍然具有5dB左右的前后比。
2、UWB通信系统
现在有许多公司在进行UWB技术的研究开发工作。
美国XtremeSpectrun公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组，它采用双相调制技术和IEEE802.15.3MAC协议，传输速率达到100Mb/s。
Intel在2000年成立了UWB研究实验室，其实验室产品在2〜3年内能达到100Mb/s的数据速率。
2003年1月，Philips和GA签订了一个备忘录，利用Philips在BiCOMS的优势和GA的UWB技术联合开发速率达480Mb/s的UWB芯片组，并支持IEEE802.15.3a标准。
PulseLink公司在2003年第一季度推出了传输速率达400Mb/s的UWB芯片组。
新加坡的Cell°nics公司开发了基于非线性动态理论的新技术，它只需要使用一个电感器和一个二极管就可以实现数字调制解调器，不需要混频器、振荡器和锁相环。
美国DiscreteTime公司开发了多频段UWB技术，它采用不同频段发送信息而不是发射单个脉冲。
与单频段UWB相比，多频段UWB系统的每频段内可以
用较低的速率发送信息
三、研究方法
研究超宽带天线首先要搞清楚我们要研究它的什么特点，研究的主要内容，然后才能谈得上采用合适的研究方法。
传统的窄带和宽带天线在分析设计是只需考虑其频域特性，而超宽带天线则需要考虑频域和时域两种特性。
超宽带天线的频域特性：
衡量天线的带宽一般用绝对带宽和相对带宽两个重
要的物理量。
天线的绝对带宽指信号发射点电平达到一定要求时，频率的高频分量（忖）减去低频分量（仁），其表达式:
BW=fH-fL
相对带宽指绝对带宽除以其中心频率，公式：
BWr=2fH_fL
站+fL
根据FCC的规定，民用UWB频段为3.1-10.6GHZ。
FCC起初规定相对带宽大于25%或带宽大于1.5GHz的天线可以称为UWB天线。
但是由于这种限制过于严格，而遭到了美国业界的反对，因此2002年，根据FCC的新规定，只要相对带宽大于20%或绝对带宽大于500MHz的天线可以称为UWB天线。
超宽带天线的频域特性：
UWB天线与传统的窄带天线有很大的不同，不能仅仅从其带宽来衡量其是否适合于UWB信号的传输，要更多的对其时域特性进行考虑。
对于UWB天线最重要的时域特性是保真性，它被定义为归一化输入电压与远区域归一化电场的最大相关性。
当一个时域很短的脉冲（表明宽频带）被
用来激励天线，将产生振铃现象。
典型的天线响应如图3-1所示，响应信号在时
图3.1振铃效应［22］
为实现天线的宽带化，已有许多成熟的技术措施，这些技术有些适合线天线,有些适合面天线［23,24］，有些两者都适用：
1、机电结合的方法；
2、加载的方法；
3、阻抗匹配网络；
4、综合方法。
但是上面这些方法只是从一般意义上的展宽天线频带的方法，而且可以看出，它有不可避免的传统局限性，就是基本上仍是基于传统的频域分析方法和经
典理论的。
而实际上，目前，人们在研究设计超宽带时往往是先想办法展宽其频带，从而设计出普通的宽带天线，然后再去分析其频域和时域特性，以验证其性
能是否优良，进而适用于超宽带系统。
当然，这在一定程度上是可行的，而且人们采用这些基于传统理论的方法也设计出了许多性能优良的超宽带天线[25-31]
与以往不同的是，在超宽带天线中，我们着重要研究其时域特性，这也是面临的新的课题，而传统的频域特性相对成熟。
那么在研究时域特性是我们要分析
图3.2时域测量方法[32]
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1、超宽带天线的脉冲响应,
2、角度一一时域脉冲波形
点，如图所示[33]:
这是衡量超宽带信号的最重要方面之一；
:
针对不同的天线辐射方向，分析脉冲响应的特
Pl*-A
图3.3天线角度——时域测量图%哦片
3、不同频率的天线增益：
由于频带很宽，如何保证整个带宽的增益要求在设计种成为一个重要的考虑因素[33]。
图3.4天线不同频率的波瓣图
为了更好更快的设计性能优良的超宽带天线，我们往往是在基本天线理论基
础上，采用数值仿真加实验测试的方法进行的。
由于天线结构的复杂，采用解析
方法是很难做出理论预测的。
现在常用的数值方法有有限元、时域有限积分、时
域有限差分（FDTD），矩量法等等。
由于要分析天线的时域特性，在这些数值方法中时域积分和差分方法就显得更加有优势，采用相关时域方法的商用软件有CSTMWS（时域有限积分）和XFDTD等等。
当然，实验测量则需要采用脉冲测量设备，其中的首选是安捷伦公司生产的。
四、各种超宽带天线介绍
目前超宽带天线主要有加脊喇叭、TEM喇叭、单极子和偶极子、螺旋天线、双锥天线、Vivaldi天线等等，他们性能各异，原理不同。
下面对其做一个简单的介绍。
1、TEM喇叭天线
TEM喇叭天线的基本结构是由相互间有一张角的两个三角形金属板组成。
图3-2表示这种三角板之一，其中一个边长为s，顶角为〉。
图3-3表示同轴传输线馈电的TEM天线，两个金属板之间的夹角为21,同轴线的特性阻抗为Z。
=50"。
同轴线通过平行板传输线给TEM天线馈电。
平行板的宽度为-，间距为d。
为了减少反射，平行板的特性阻抗必须和馈电同轴线的特性阻抗相匹配，即平行板的特性阻抗也为501。
Hammerstac等人提出计算有限长传输线的公式，可得时
■d=5,平行板的特性阻抗大约为501。
这种结构可以看作是被弯曲的蝴蝶形天线跑。
图4.1TEM喇叭原理图
切比雪夫阻抗渐变喇叭（左图）和恒阻抗喇叭（右图）
（a）Siolicl'/lew
it）scenogrnph
图4.2填充电介质的TEM喇叭
以中心频率选择在3GHz的分化型高斯单脉冲（图4.3所示）作为输入波形来考察TEM喇叭天线的瞬时特性［22］，如图所示。
1
0.8
0.6
Time
Frequenoy（GHzl
图4.3输入脉冲的时域、频域波形
TEM喇叭天线广泛的被使用在UWB应用中。
它具有良好的阻抗特性和波形保真性。
可
以通过增加喇叭长度，加大喇叭张角，喇叭的波阻抗就更接近自由空间波阻抗，口面的反射
将减小，脉冲波形的失真亦随之减小［34］。
TEM喇叭天线的增益范围5~15dB，这个范围使用
于定向基站天线的应用［21］。
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（c）
图4.4（a输入脉冲的时域波形（b）TEM喇叭天线接收到的频域电场（c）接收到的时域波形
2、加脊喇叭
用中心脊对波导加载，由于降低其主模的截止频率而能加宽波导的可用频
带。
非常薄的脊或者鳍也能有效的作为中心脊加载，它可用外敷金属的陶瓷片构
成，便于安装于并联电路元件。
将双脊结构从波导沿伸到棱锥喇叭，如图所示，
图4驻波比计算和实测结果对比
图4.6加脊喇叭天线频率特性[35]
0.5
2.5
一叫
1
bme（ns）
505
0-0-
friyurc-I.
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