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目 录

第1章 绪论 1

1.1超宽带技术概述 1

1.1.1 超宽带技术简介 1

1.1.2 超宽带通信系统的特点 2

1.2 超宽带天线发展历史与现状 2

1.2.1 早期的超宽带天线研究 3

1.2.2 近代超宽带天线的发展 3

1.3 本文的主要工作及安排 4

1.3.1 论文主要工作 4

第二章 天线的基础理论 5

2.1 引言 5

2.2 一般天线的性能参数 5

2.2.1 方向图 5

2.2.2 辐射强度 5

2.2.3 方向性系数 5

2.2.4 效率 6

2.2.5 增益 6

2.2.6 输入阻抗 6

2.2.7 天线的电压驻波比 6

2.3 超宽带天线的性能参数 6

2.3.1相位中心和群时延 6

2.4天线优化的方法 6

2.4.1 天线拓宽带宽的方法 6

2.5 超宽带天线的设计简介 8

2.5.1 超宽带天线的设计步骤 8

2.5.2 超宽带天线的设计目标 10

第三章 新型超宽带微带天线的设计 11

3.1 本章工作 11

3.2 新型超宽带微带天线的设计与研究 11

3.2.1 天线介质基板的选择 11

3.2.2 馈电结构的选择 11

3.3 新型超宽带天线的设计过程 12

3.3.1 参考天线的仿真 12

3.3.2 基于参考天线的优化 14

3.3.3 新型平面超宽带天线的小型化 16

3.4 小结 24

第四章 总结与改进 25

4.1 总结 25

4.2 存在的问题和改进 25

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

这些年来，科学技术飞速发展，通讯领域也发生巨变，无线通信迅速发展，无线频谱资源在原本就急缺的情况下变得更加地紧张。同时我们又对无线系统的安全性、速度等要求日益上升，无线通信系统频带的拓宽就迫在眉睫。超宽带技术因为能解决上述我们所说到的问题就应运而生，并且收到无线通信界的青睐，研究超宽带通信系统就成为一个越来越吸引大家的课题。超宽带天线在无线通信系统中扮演着重要的角色，所以设计出性能良好的超宽带天线很必要。慢慢地，超宽带天线的设计就成为了国内外天线研究者共同研究的热点。

1.1超宽带技术概述

超宽带无线通讯技术真正意义上是从1990年后开始的。UWB 无线通信技术真正开始用于民间是始于2002年，美国联邦通信委员会（FCC）分配了超宽带无线通信技术的规范民用领域的范围，即3.1 GHz ~ 10.6 GHz。本文中的超宽带天线在此频带范围内满足超宽带天线的带宽等各方面要求。

1.1.1 超宽带技术简介

（1）超宽带定义

超宽带有三种定义方法，分别是从绝对带宽、相对带宽和倍频程带宽三个角度定义的，三种定义方法如下：

1. 绝对带宽定义公式如下

（1.1）

(b)相对带宽定义公式

（1.2）

f _H与f _L分别表示-10 dB 带宽的上、下截止频率。

（c）倍频程带宽BW₂，设天线工作的最高频率为f_A，最低频率为f₁，则带宽公式如下：

（1.3）

还可以表示为

（1.4）

p=1 称为1个倍频程， p=2 称为2个倍频程。经常用倍频程带宽来描述天线的带宽，超宽带天线要满足带宽比大于3个倍频程。

（2）UWB 频谱的使用

各个区域采用的的UWB频段是不同的，美国、新加坡取了3.1 GHz ~ 10.6 GHz之间的频率段来供超宽带通信系统使用，欧洲、日本的可用频段有高频和低频两个部分。具体分配下见表：

Table1 各个区域对于UWB频带范围的分配

FCC 开放了三个可用于UWB民用领域的频段：低于 960 MHz、3.1 GHz ~ 10.6 GHz 和22 GHz ~ 29 GHz。

1.1.2 超宽带通信系统的特点

UWB 通信系统有一般的窄带系统所没有的优点，如工作带宽非常宽，发射功率较低等等，详细介绍如下：

（1）通信速率很高。因为 UWB 通信系统调制的冲激脉冲是纳秒级别的，当设置一

个冲激脉冲作为信号位，理论上系统的通信速率可到达 1 Gbps。

（2）系统容量大。超宽带系统的频带范围是 3.1 GHz ~ 10.6 GHz。从香农公式

（1.5）

可得出超宽带系统系统的信道容量很大，取决于系统的工作带宽很广。

（3）抗多径衰落的能力强。因超宽带通信系统使用的脉冲信号t（时间间隔）非常小的，因此它的多径分辨能力非常高。UWB通信系统大都能较好地识别出时延小于ns级别的多路径信号。

（4）信号具类噪声特性。UWB通讯系统发射处的信号功率谱密度非常地低，且信号有假随机特征，具有和噪声相似的特征，所以信号很难被监测到。

（5）通信质量高。超宽带通信系统的频段带宽极宽，致使超宽带信号的频率比较多样化，且超宽带通讯系统信号传输是采用间断的方式，所以它能保持良好通信的质量，即使条件比较恶劣。

（6）穿透能力比较强。超宽带通信系统穿透障碍物的能力很强，这取决于它的工作带宽非常宽，解决了一般窄带通信系统在恶劣的条件下不能使用的难题。

（7）耗电量较低，UWB系统的发射功率很低，而且使用脉冲信号通信，因此系统耗电量比较低。

（8）系统复杂度较低。超宽带通信系统不包含一些普通窄带系统包含的放大器等部件，所以系统比较简单，成本也比较低。

1.2 超宽带天线发展历史与现状

自从FCC批准UWB技术可以用于民间以来，因超宽带天线具备各种优点而受到了青睐。UWB的研究跨越了一个多世纪，在这期间，超宽带天线的种类各式各样，如定向同轴天线、双锥天线、烟雾形的天线等，再到螺旋天线、对数周期天线等。从1900年之后，现代超宽带技术开始发展，很多新型UWB天线出现在我们的生活当中。

1.2.1 早期的超宽带天线研究

早期的超宽带主要是用于军事的，一般都比较大，立体的天线偏多，而且频带一般不会非常地宽；但是随着经济社会和科技的发展，越来越多的天线要求能在室内作业，这就要求天线小型，集成性更高，形式越来越简单，并且通信频带越来越拥挤，这就要求天线的带宽越来越宽，才能满足发展需要。

1.2.2 近代超宽带天线的发展

自从现代天线开始发展，出现了一些基于老式的立体天线改进的新型天线，这些新型天线具有平面化、尺寸小、成本低、结构简单、带宽很宽等适应于现代社会的特点，这些新型天线分为以下几种：

（1）超宽带平板单极子天线

平面单极子天线一般采用简单的结构，平面单极子天线是立体天线，由金属质地的介质基板和一块辐射板组成，两者成90°，辐射贴片的形状不同，天线的性能就不同，辐射贴片的形状一般有圆形、矩形、椭圆形，还有火山烟雾型等等。天线的馈电方式是同轴馈电。天线研究者们利用偶极子天线全向性好的优点，而改进一下它的缺点：它的带宽窄，研究者们想到改变天线的传统结构，将细条结构改为平面结构，这样就拓宽了天线的带宽，就是超宽带平板单极子天线。

（2）超宽带印刷单极天线

超宽带印刷单极子天线就是平面化的超宽带平板单极子天线。它的出现是为了克服立体的超宽带平板单极子天线的难以集成的缺陷。印刷单极子天线的辐射单元和接地单元都是集中在印刷电路板上的，它的平面结构带来了许多好处，就是能更加小型化、易于集成，而且它还具有全向性和带宽很宽等优点。它的辐射结构的形状一般有矩形、圆形、半圆形等。

（3）超宽带印刷缝隙天线

缝隙天线采用三种馈电方式，分别是微带馈电、同轴馈电或共面波导馈电，超宽带印刷缝隙天线是在金属板上刻槽来实现，带宽一般比普通微带天线宽，超宽带缝隙天线大都采用宽缝隙结构。宽缝隙的形状对天线的带宽影响很大，宽缝隙的形状一般有圆形、矩形、三角形、椭圆形等。

（4）带有阻带特性的UWB天线

UWB民用的频段范围是从3.1 GHz到10.6 GHz，但是在这段频段范围中，还有其他通信系统使用的频段范围，例如规定的无线局域网工作频段5.15 GHz ~ 5.35 GHz和5.725 GHz ~ 5.825 GHz，WiMAX 的工作频段3.3 GHz ~ 3.6GHz等。这些频带范围都会对通信系统的各方面性能造成不小的干扰。所以在这些频带范围内阻抗特性良好的超宽带天线就能起到很大的作用。

综合各种天线的优劣，接下来设计的天线属于超宽带印刷单极子天线。

1.3 本文的主要工作及安排

1.3.1 论文主要工作

本文中我们接下来所要做的主要工作是天线的频带拓宽与天线的小型化。第一章简要分析了超宽带天线的一些背景知识、发展历程、现状等；然后，第二章中了解了UWB天线的一些基本理论知识，以及设计步骤、流程等，为后面设计超宽带天线提供了理论上的支撑；第三章中，基于前两章介绍的一些基本的理论知识和天线设计的步骤对天线进行优化和制作，包括天线阻抗带宽的拓宽、缩小天线的整体和有效尺寸。最后对我们设计、优化之后的天线进行刻画制作，实测之后再与我们所仿真的结果作对比。最后由结果判断我们所制作的天线是否符合规定的天线性能要求。

第二章天线的基础理论

2.1 引言

本章中我们先分析了一般天线的一些性能参数，如方向图、辐射强度、极化等，这些参数也适用于超宽带天线。之后介绍了超宽带天线特有的性能参数。

2.2 一般天线的性能参数

下面先介绍一下天线的基本性能参数，在设计天线的时候这些参数会为我们提供一些理论基础。

2.2.1 方向图

天线的辐射场在角坐标系中的分布就是天线的辐射方向图，即平常所说的方向图。分为辐射场强、极化、相位以及功率方向图。分别使用辐射场强、极化方式、相位以及辐射功率密度表示的方向图。方向图的角度代表方向，场强的大小或者功率密度就用矢量长度来表示。

下图是完整的天线三维方向图。

图2-1 天线三维方向图

2.2.2 辐射强度

天线在一个方向上的辐射强度是用来表征天线在这个方位的立体角所辐射出的功率。天线的辐射强度的最终公式定义如下：

（2.1）

2.2.3 方向性系数

在远区场的一球面上，设天线的辐射强度为U（θ，φ），它的平均辐射强度用U₀来表示，则天线的方向性系数D：

（2.2）

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