论文总字数：35417字

摘 要

随着超宽带脉冲天线的迅速发展和时域电磁理论研究的逐渐深入，脉冲匹配的重要性日益凸显，研究和设计脉冲激励频段内无反射的渐变槽线天线有着深远的意义和价值。然而，传统无反射天线的研究局限于反射回波最小而没有探索激励全频段内的反射回波。针对上述问题，本文对脉冲匹配的渐变槽线天线展开研究，使其在DC-10 GHz工作频率范围内回波损耗大于10 dB，主要研究工作有：

（1）研究了频域和时域分析反射特性方法的优缺点，给出了时域脉冲反射能量幅值比的定义，这是对脉冲激励频段内反射回波大小的有效表征方式。

（2）研究了微带线和厚金属结构槽线分别单侧加载和双侧加载集总元件的等效电路和加载特性，给出了单侧加载与双侧加载近似等效的条件，发现了厚金属槽线加载电感和电阻选择性吸收低频分量的作用，这有利于脉冲匹配天线的吸收结构研究。

（3）研究了Post-wall结构的槽线的特性阻抗和色散特性，得出Post-wall结构的槽线优于传统单面槽线的结论，并且设计了一种具有较高的增益（最大13.67 dBi），较宽的阻抗带宽（1.7-10 GHz），较小的时域脉冲反射能量幅值比，辐射效率较高（基本高于95%）的高斯渐变形式的槽线天线。

（4）研究了工作在DC-10 GHz，回波损耗大于10 dB，插入损耗小于1.12 dB的微带线-槽线过渡结构，结合厚金属加载电感和电阻可以选择性吸收低频分量的特性设计了具有较好的增益（最大9.95 dBi），良好的阻抗带宽（DC-10 GHz），较小的时域反射能量幅值比的脉冲匹配的渐变槽线天线，为脉冲匹配天线的研究提供了较好的思路。

综上，所研究的时域脉冲反射能量幅值比、传输线加载集总元件的特性和脉冲匹配的渐变槽线天线在超宽带通信领域和电磁理论的发展中有着较好的理论意义和应用价值。

关键词：脉冲匹配，渐变槽线天线，高斯渐变形式，Post-wall槽线，集总元件加载

Abstract

With the rapid development of UWB pulse antennas and the deepening of time-domain electromagnetic theory research, the importance of pulse matching has become increasingly prominent. It is of far-reaching significance and value to study and design a tapered slotline antenna with no reflection in the pulse excitation band. However, the study of conventional reflectionless antennas is limited to the minimal reflection echoes without exploring the reflection echoes in the full frequency band of the pulse excitation. In view of the above problems, this paper studies the pulse matching tapered slotline antenna to make the return loss greater than 10 dB in the DC-10 GHz operating frequency range. The main research work includes:

(1) The advantages and disadvantages of the method of analyzing the reflection characteristics in frequency-domain and time-domain are studied. The definition of the amplitude ratio of the energy reflection in the time-domain is given. This is an effective representation of the magnitude of the reflection echoes in the pulse excitation band.

(2) The equivalent circuit and loading characteristics of single-side loading and double-side loading lumped elements of microstrip and thick metal structure slotline are studied. The conditions that the single-side loading is approximately equivalent to the double-side loading are given. It has been found that thick metal structure slotline loading inductors and resistors have the effect of selectively absorbing low frequency components. This facilitates the study of the absorption structure of the pulse matching antenna.

(3) The characteristic impedance and dispersion characteristics of the Post-wall slotline are studied. The conclusion that the Post-wall slotline is superior to the traditional single-side slotline is obtained. A Gaussian tapered slotline antenna with higher gain (maximum is 13.67 dBi), a wide impedance bandwidth (1.7-10 GHz), a small time-domain pulse reflection energy amplitude ratio, and a high efficiency (substantially higher than 95%) is designed.

(4) The microstrip-slotline transition structure operating at DC-10 GHz with return loss greater than 10 dB and insertion loss less than 1.12 dB are studied. Combined with thick metal loading inductance and resistance, which can selectively absorb low frequency components, a pulse matching tapered slotline antenna with better gain (maximum is 9.95 dBi), good impedance bandwidth (DC-10 GHz), and small time-domain reflection energy amplitude ratio is designed. It provides a good idea for the study of pulse matching antennas.

In summary, the time-domain pulse reflection energy amplitude ratio, the characteristics of the transmission line loading lumped element and the pulse matching tapered slotline antenna have good theoretical significance and application value in the development of ultra-wideband communication field and electromagnetic theory.

Keywords: Pulse matching, tapered slotline antenna, Gaussian structures, Post-wall slotline, lumped component loading

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪言 1

1.1 研究背景 1

1.2 无反射天线的发展和现状 2

1.3 本文的主要工作内容和安排 3

第二章 渐变槽线天线和高斯脉冲基本理论与研究 4

2.1 天线的基本知识和特性描述参数 4

2.2 渐变槽线天线的基本理论 6

2.2.1 渐变槽线天线的渐变结构 6

2.2.2 渐变槽线天线的馈电 7

2.2.3 渐变槽线天线的特性 7

2.3 高斯脉冲的基本理论 8

2.4 本章小结 9

第三章 传输反射特性分析及传输线加载特性研究 10

3.1 传输反射特性分析 10

3.1.1 反射特性频域分析 10

3.1.2 反射特性时域分析 11

3.2 传输线加载集总元件的特性研究 12

3.2.1 单导体加载元件等效电路 13

3.2.2 双导体加载元件等效电路 14

3.2.3 微带和厚金属槽线仿真模型设置 16

3.2.4 微带和厚金属槽线未加载 17

3.2.5 微带和厚金属槽线单双侧加载电感 18

3.2.6 微带和厚金属槽线单双侧加载电容 20

3.2.7 微带和厚金属槽线单双侧加载电阻 22

3.2.8厚金属槽线加载电感和电阻 23

3.3 本章小结 24

第四章 脉冲匹配的渐变槽线天线设计 25

4.1 高斯渐变形式的槽线天线设计 25

4.1.1 Post-wall结构的槽线特性阻抗和色散特性 25

4.1.2 高斯渐变形式的槽线天线 31

4.2 脉冲匹配的渐变槽线天线设计 34

4.2.1 微带线-槽线馈电结构 34

4.2.2 脉冲匹配的渐变槽线天线 37

4.3 本章小结 41

第五章 结束语 42

5.1 本文主要工作 42

5.2 未来工作展望 42

参考文献 44

致 谢 47

第一章 绪言

1.1 研究背景

超宽带脉冲系统的历史要从H.赫兹在1887年和1888年间做的实验说起，赫兹利用衰减电振荡的火花发生器和天线作为发射器辐射电磁波的方法^[1]，在实验上证明了J.K.麦克斯韦在1865年理论上预言的电磁波的存在^[2][3]。十八世纪末到十九世纪初，俄罗斯人A.C.波波夫和英国人G.马可尼相继独立地发明了无线电^[4][5]，由此信息传输的载体增添了一个新的成员——无线电。为了传送信号，增大辐射功率和频谱是必要的，这就要求无线电信号的衰减振荡幅度尽量小、时间宽度尽量窄。1945年的美国和1949年的苏联相继进行了原子弹试验，核爆炸能够具有巨大的毁伤威力，归功于其产物之一——电磁脉冲，且这一脉冲是超宽带的。从此，超宽带无线电系统开拓了新的探索领域：超宽带脉冲通信。1989年，核爆炸电磁脉冲模拟器领头研制者之一K. 鲍姆提出了脉冲辐射天线（IRA）的概念^[6][7]，它融合了高频反射器天线和低频定向P×M天线的技术，这推动了后来脉冲天线的蓬勃发展。

定义超宽带信号不能局限于具体实现形式，应当依据工作带宽的范围分类。超宽带技术具有广泛的应用场景，比如基于冲激脉冲形式的超宽带技术，可应用于探地雷达、高空雷达、合成孔径雷达、超宽带室内定位技术和生物医学工程等方面^[8]-[9][10]。超宽带天线是指在超宽频带范围内电参数满足一定的指标要求的天线。这些指标主要是沿用传统的由频域方法定义的天线参数，比如端口的回波损耗、方向性图和增益等特性参数。对于脉冲辐射天线，不仅要求天线能够把脉冲能量尽可能多的辐射到自由空间，还要求辐射场具有脉冲的形式，也就是要求天线有低色散的性质。

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