论文总字数：16796字

目 录

1引言 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本论文主要工作安排 3

2超宽带天线理论 3

2.1超宽带天线设计要求 3

2.2超宽带天线的基本参数 3

2.2.1输入阻抗 3

2.2.2天线阻抗带宽 4

2.2.3 S参数 4

2.2.4 天线方向图 6

2.2.5增益 7

2.2.6效率 7

3圆形单极子平面天线的设计 7

3.1 天线小型化设计 8

3.1.1天线加载 8

3.1.2 采用特殊材料基片 8

3.1.3表面开槽 9

3.2设计单极子的圆形的超宽带天线 9

3.3天线的仿真与分析 11

3.4天线实物图及实测结果............................................................................................15

4总结 16

参考文献 17

致谢 18

1引言

1.1研究背景及其意义

对于所有的无线电系统，天线就像人类的心脏,可以说是最重要的组成部分；而其最重要的功能就是对无线电波的辐射，以及接收无线电波。可以将无线电波自由空间中的电磁波引导到自由空间无线电波,或者进行相反的转换，以实现无线电信号传输之间的任何两点的传输。波天线的发明实现了人力资源与自然资源的极大节约，它是可重复使用的。现如今，伴随科技水平的稳步提高，以及逐步开放的无线电频谱，无线电系统的带宽得到了日益扩大, 超宽带电磁学这个全新的学科在二十一世纪末诞生了；它的诞生对于我们人类来说，也是一个极其重要的自然资源，由于人力和技术的缺乏，导致资源尚未开发,所以时域电磁波成为非常珍贵的自然资源。

由于天线理论和天线技术有着极其悠久的历史，许多学者都可以开发各种天线系统，来达到无线电天线的各种不同需求。从无线通信出现发展到现在为止，天线都是无线通信中极重要的一部分，占据着极其重要的地位。在UWB无线系统中，将超宽带被导电磁波转变为自由空间无线电波起主要作用的是UWB天线；从实质的辐射原理上来说，这种天线与常规的窄带天线相比并没有多大的区别；但它却又高于常规窄带天线，是形成于常规窄带天线的基础上一种天线；它主要研究的是：不断研究发展对天线研究的新的理论技术及方法，极大扩展天线频带的宽度。

超宽带技术的起源在20世纪中叶，它最初的表现方式是利用一个脉冲无线通信的形式。从其出现到20世纪末期间，超宽带技术，它是最广泛的作用于军事技术，包括一系列的雷达通讯设备，供低截获率，低侦测利率的设备来获取其检测不到的一面。最近几年来，我国开始重视通信技术的发展以及微电子器件的工艺质量，伴随着对微电子器件质量要求的提高，UWB技术应运而生。什么是超宽带通信？我们可以对他做一个较为简单、通俗易懂的解释：超宽带通信不需要使用载波，而利用的是陡峭的上升时间或者下降时间来调节脉冲（脉冲宽度一般在0.2-1.5ns之间）来实现通信的一种先进的通信技术；另外，也可称其为脉冲无线电通信、无载波通信或者时域通信。它的带宽的规模是GHZ，但是，它所发射的能量是比较小的，几乎没什么作用。因为现在所拥有的频率资源很短缺，为了不占用拥挤的资源，超宽带改变了原有的方式，取而代之的是新的数据和语音的通信方式。

超宽带系统在具有较大的绝对带宽或者其相对带宽比大于20％情况下，传输速度与100Mbps比起来有更大的特性。

超宽频因为它占有带宽比较广，达到数GHz，所以可能会出现失真，有时即便我们的传送路径没有问题，也会出现这种情况。但因为它的优点比较显著,使得UWB至今受到人们的喜爱和重视。下面简述UWB所具有的显著优点：

1、高传输速率：UWB的传输速率很高，一般可达到几十Mbps甚至到几百Mbps的数据传输速率。

2、极宽带宽：通常，UWB的带宽都会比1GHz大。

3、抗干扰性能强：通常情况下，处理的增益会由于跳时扩频信号的使用而变大，脉冲信号是分散在宽频带上的弱的无线电波；UWB不仅可实现在信号接收时还原其能量，而且在解扩的过程中还可以产生扩频增益。所以说，在相同条件下，如码速相同时，UWB比其他的抗干扰性好。

4、少消耗：在通信的时候，无线通信系统会要与发剔载波进行联系，在联系载波的时候，会损耗一定电能。但是UWB是不需要载波的，只要发出瞬时的脉冲电波就可实现通信，并且只有在需要的时候才会发送脉冲电波，不需要时不会发送，从而它消耗的电能比别的少。

5、高保密性：UWB的保密性能有两个突出的特点：一是采用跳时扩频，它的特点是只有当接收机接收到扩频码时才能对发射数据进行翻译。二是系统的发射功率谱它比别的密度要更小，如果使用以前传统的接收机接收扩频码无法接收到数据，更不用说破解数据。

6、小发送功率：系统本着小发射功率的原则，完成一个通信消耗的发射功率能够比1mw还小。于此同时由系统的发射功率所引起的耗电就会降低，可保证系统电源有更长的工作时间。因此，UWB比其他的的应用面更广。

7、高精准定位：定位的精度和所使用信号的带宽有极大的关系； UWB信号通常有更多的带宽，其远远高出正常无线电通信，达到500兆赫或更大，从而能够实现相对高的定位精度。在许多情况下，有一个窄脉冲的形式，其是几GHz的带宽，这种形式的基带窄脉冲信号的定位精度可达到厘米两级，同时它可以将多路径的时延尽可能的分解，当分解到比1纳米小就能够抑制因为多路径而带来的影响。人们可以利用其高的路径分解，可用UWB来提高质量，高速度，短距离无线通信，其发送功率很小，对其它的宽带传输没有影响，不会互干扰。

UWB一般有两种信号形式：①基带窄脉冲形式；②调制载波形式。第一种信号形式一般在探测、透视等低功耗、低速度、低成本的通信领域较常见。调制后的载波低功率通信是更常见的，多用于高速通信。尤其是在2002年，FCC对UWB使用频谱的范围以及所产生的功率进行限制后。一般来说脉冲时宽是从微微秒到纳秒级的，脉冲的重复周期约为0.1ns；比较典型的脉冲形式有升余弦波和高斯型两种；本文所设计的系统，重点是对超宽频信号的波形情况进行研究、以及脉冲信号的频谱分布和一些其他射频系统对其的影响。我们假设，若UWB信号有分布在0.2ns到1.5ns之间的脉冲宽度；实验结果可以得出，单个脉冲信号在大多数情况下都具备一些特点，有些特点比较突出，主要是下面两点:1)激励信号不仅仅具有陡峭的前沿，而且还拥有单个的短脉冲，2)激励信号是可称之为广谱，波长范围从DC到微波。当下主要有两个方法实现脉冲源，第一个是电子方法，第二个是光电方法，电子方法作为目前最广泛的使用方案，存在一些明显的优势。而调制载波形式不同，它是通过使用调制载波，将UWB转移到其他的适当的频段进行传输，这种方法能够有效的使用频谱资源，并且更为灵活。同时，由于调制载波的信号处理方法基本相同与我们通常使用的通信系统方法，所以，其更有助于在现在的环境下，高速系统的实现。

1.2国内外研究现状

早在1965年，UWB的技术基础就已经被美国所确立。在其之后二十年期间，UWB技术得到更大的发展并更加广泛的被美国的军事方面使用，从美国国防部的系列行为中，如在原有的基础上开发好多种UWB系统，这其中也包含战场的防窃听网络，可以看出其研究机构的重要程度能与军事接触的研究机关、企业在同一层次上。 同时因超宽带技术本身特有的优点也使它的无线通信在民用方面有极大的发挥潜力，尤其对于国外的研究者，投入了很大的精力对其研究；比较普遍的应用研究范围多在通信(比如个人网络以及视频等)、雷达(如入侵检测和探地雷达等)、定位(如对相关人员或者汽车的定位等)等行业。很多公司也投入很大精力到其技术的开发，如索尼、摩托罗拉、英特尔等公司。同时还具有如下优点：可实现短距离无线通信的小型化、低成本投入、功率低以及可实现数据的高速传输等。二零零二年五月二十到二十三日，IEEE举行了一场会议，主要讨论关于UWB技术及其在一些地方的应用。UWB系统中，3点进行调节，即，一种成像系统，车载雷达和通信系统和测量系统，在这三个系统的EIRP（有效辐射功率全向）中所定义。然而，UWB技术标准与协议还没有完全确定，目前可使用民用UWB的国家只有美国；当前欧洲正在效仿美国进一步研究UWB的使用情况，并对美国的UWB标准使用规则进行观望。

早期的二零零贰年九月，“十五”攻关项目863，关键技术，兼容技术，研究和无线通信技术创新的共同存在的主要内容，如超宽带无线通信公司通信发布，提倡鼓励国内学者在这方面加强研究和开发等工作。然而国内今天对于UWB技术的研究内容还只是存在于雷达方面，相对于国外的研究规模以及研究深度来说，我们与之还有很大的差距。

1.3本论文主要工作安排

第一章的简要说明，超宽带天线特性，推出的背景和意义,超宽带天线的国家和国际研究现状的概念，同时总结了计划的每个章节的内容。

在第二章中，对辐射的基本理论，输送模式以及超宽带天线相关的性能参数进行了介绍。

第三章设计了微带馈电、平面单极子天线，并优化实现了天线小型化，同时进行天线的仿真与实测分析。

第四章总结与展望。

2超宽带天线理论

2.1超宽带天线设计要求

超宽带天线，实际上就是一种具有比较宽的带宽的天线，我们使用纳米级的窄脉冲信号来为超宽带通信系统进行通信；因而对于超宽带天线来说，它的设计要求也就和传统的宽带天线以及窄带天线大不相同；比如由于其较宽的带宽，第一它一定要具有低的VSWR，二是要有固定的相位中心，这两者缺一不可，除了上诉的条件，还需要满足下列几个基本的要求：

(1)3.1GHz到10.6GHz是超宽带工作要求的频段范围，这个范围内，它的输入阻抗必须是稳定的，只有这样做，信号才能够没有损耗地传送到天线的辐射单元。

(2)天线的各个参数，它在所有的超宽带工作频段范围内，必须保证稳定。一般来说，天线它的基本参数，是不可以随着频率变化而变化，不能频率变化范围大，参数数值的变化也就大。为了保证 UWB 通信系统可以维持正常的工作，UWB天线的方向图应时刻保证可维持近似的全向，以此来确保天线它在工作频段内可以接发所有的信号；UWB 天线，它的相位中心有超宽频带的增益、不变特性这两个重要的指标，这2个指标有一个最基本的要求，在工作频段范围内，它的性能必须保持稳定。

(3)信息产品的更新快，同时人民对产品的使用也越来越频繁，由此对天线的尺寸的要求也就愈发严格。小型化的便携式通信设备，目前，在市场上的普及率是越来越高，需求量也日益增加。为了适应社会的需求，因此要求把 UWB 天线设计的更加的小型化。工程师在设计 UWB 天线时，会考虑满足除大小以外的要求的情况下，要尽可能的缩小天线尺寸的大小，体积变小了，天线才能更加容易的与气体设备集成在一起。

(4)某些窄带通信系统，它的工作会对UWB系统产生干扰，因此，在特殊的使用环境中。工程师需要在特定频段内，具备阻带功能的UWB 天线，这样就可以有效的阻止干扰。

2.2超宽带天线的基本参数

2.2.1输入阻抗

天线以及馈线，下式表达了天线的输入阻抗的定义，可描述为它的输入端电压与电流之比：

(2.1)

从上面的等式方程中，我们可得整个天线的输入阻抗是包含实部和虚部两个部分的，这两个部分分别为经由输入电阻器，被分割为天线输入电阻的和被输入到天线的电源端子的实部部分，所引起的损失一部分被天线损耗了，另外一部分则辐射在了附近空间中。虚部 用来表示天线输入电抗，而我们输入的功率 里的一部分会被自动转化为能量，这种能量存储在天线表面，同时也损失了流量，越小就越能降低损耗，因此越小越好。

我们研究天线中的输入阻抗，最主要是为了让馈线与阻抗支架互相慢慢的磨合最终形成匹配，达到更大的降低能量的消耗的目的。当天线的输入阻抗表示其纯电阻，并且与馈线端阻抗相等时，其能量的消耗就会变得很少，也不会出现能量被反射的情况。因此当我们在设计天线时候，首先是要降低电抗比例，再者就是要满足电阻分量大小和馈线端的特性阻抗值两者相接近的要求。工程中射频终端都相连于阻抗大小为 50Ω的端口，因此在我的设计中，天线基本上也都遵守输入阻抗近似等于 50Ω的这一匹配原理。

2.2.2天线阻抗带宽

在不考虑其他因素的情况下，特性阻抗Z0与天线输入阻抗的值，如果和传输线阻抗完全相等，就被称为对准。天线的结构一定，天线的输入阻抗和频率之间就是线性的，它的值随频率的改变而发生改变，也是成线性的关系，和传输线的阻抗不等的时候，就会有能量被反射回来。通常用用VSWR，它其实就是天线和传输线之间的阻抗失配程度（通过回波损耗（RL）来判断）。在阐述VSWR和RL前，我们先引入另一个参数——反射系数Γ，假设天线的输入端口处的反射波电压为V0-，入射波电压为V0 ，

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