超宽带天线研究报告.docx

超宽带天线研究报告一、背景1.1 超宽带(UWB——Ultra Wide Band)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0.20-1.5nsZ间)的一种通信，也称 为脉冲无线电(Impulse Radio).时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)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,具冇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，系统具冇较大的处理增益，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。

接收时将信号能量述原出来，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，并廿可 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， 则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Im w 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11,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：信号的定位精度与英带宽直接相关，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11,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，不对英 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］o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O.lnso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-l.SnsZ|Hjo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冇陡悄前沿的单个短脉冲，二是激 励信号包括很宽的频谱，从直流（DC倒微波波段目前产牛脉冲源主要有两类方 法：一是光电方法，二是电子方法，后者是口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 对犬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岀给定 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木都是己经调制过的正弦波信号，所以在设计天线吋对 带宽并没冇要求非常苛刻（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耍求，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 线人都是非频变天线，是指天线口J以根据无线系统需要工作在不同频段，而并不 是指犬线地齐个部分同时在整个宽频段内工作。

例如TEM喇叭大线，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天线來说，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：在条带通信系统里，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，被用来评佔天线的技术性能, 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， 由于犬线发射窄脉冲序列，系统要求犬线的相对带宽很宽，情况就变得很复朵， 因此超宽带天线也就冇了不同于传统窄带、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Z间阻抗匹配额的参数，耍求在工作带宽内，驻波电压 比越小越好，既要求天线的反射波很小同时，在UWB脉冲源输岀端 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，其中激励源功率和回波损耗|Sn（/）|,而月•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00（1」）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 1（）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冇无线技术，包括PAN, WLAN (802.11a, 802.11b, 802.llg)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 到该犬线的辐射性能，但是类球体犬线的分析方法不能应用到任意形状的天线 ［11］1943年，Schelkunoff捉出了双锥天线［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，在哈佛人学的美国辐射科学实验室(U.S. Radio Research Laboratory)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，捉出了 典型的非频变天线——螺旋天线［13］0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犬线理论上，它有较大的带宽，这种犬线是一种 高增益、线极化，是具冇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吋进 行发送/接收操作天线自1992以來，发明了许多种单极子盘片天线盘片的形 状有I员I形、椭I员I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，并冃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，Virginia Tech Antenna Group (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［1习。

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而冲击脉冲辐射 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17.5dBo国防科人电子科学与工程学院在加脊圆锥TEM喇叭天线和平面TEM 喇叭犬线的研究上成效显著［17］o这些超宽带天线的应用仍然立足于雷达系统， 并没冇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 国防部己连续儿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口标，能识别口标的属性，可对口标成 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冇 Phillips国家实验室、Sandia国家实验室、Power Spectra公司和Farr Research公 司，他们的研究进展情况可总结如下：(1) Phillips国家实验室。