UWB天線理論13

1、12 起源于1887年Hertz電磁波輻射實(shí)驗(yàn)，他用的UWB信號(hào)源是 “火花隙”發(fā)射機(jī)。 18871983年，由于理論分析和技術(shù)上的困難，超寬帶電磁學(xué)基本上停滯不前。 1898年Oliver Lodge提出了“調(diào)諧”的概念，在同一個(gè)專利技術(shù)中，Lodge討論了 “作為充電表面或者電容面，可以用錐面或者三角形平板，從頂點(diǎn)連接”。 Lodge的這番論述就是最早的超寬帶天線理論，涉及到V-錐天線、三角板天線、雙錐天線、單極子天線等寬帶天線，這些都是現(xiàn)在常用的天線。3 UWB系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究 關(guān)鍵技術(shù)突破 UWB天線 UWB信號(hào)源 UWB調(diào)制解調(diào)技術(shù) UWB系統(tǒng)應(yīng)用 UWB通信、 UWB雷達(dá)、 UW

2、B成像、 UWB電子戰(zhàn)等 UWB管理標(biāo)準(zhǔn)的制定4 20世紀(jì)80年代UWB/SP電磁學(xué)理論有了長(zhǎng)足進(jìn)展; 20世紀(jì)90年代以來(lái)，UWB通信、UWB雷達(dá)、UWB成像、UWB電子戰(zhàn)、等UWB電子系統(tǒng)得到越開(kāi)越廣泛的應(yīng)用； UWB天線則是UWB電子系統(tǒng)必不可少的部件； 迄今為止，各種研究忽略了UWBUWB天線之間的內(nèi)在聯(lián)天線之間的內(nèi)在聯(lián)系，不利系，不利于深刻理解和設(shè)計(jì)性能良好的UWB天線。5 根據(jù)天線的傳輸線模型給出一種根據(jù)天線的傳輸線模型給出一種UWBUWB天線天線的新分類方法，的新分類方法， 從結(jié)構(gòu)上給出雙線傳輸線型從結(jié)構(gòu)上給出雙線傳輸線型UWBUWB天線的演天線的演變關(guān)系，變關(guān)系， 使使UWBU

3、WB天線理論更系統(tǒng)化，有助于深刻理天線理論更系統(tǒng)化，有助于深刻理解和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的解和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的UWBUWB天線。天線。6/20(b)開(kāi)路傳輸線對(duì)稱振子天線7 開(kāi)路雙線傳輸線上的電荷、電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布。傳輸線上只有駐波，傳輸線終端以及離開(kāi)終端 (n是整數(shù)) 之處電流為零。相鄰/2傳輸線上電流方向相反。 注意到，兩導(dǎo)線之間的場(chǎng)得到加強(qiáng)，其他地方的場(chǎng)都被削弱，不產(chǎn)生輻射。 末端彎曲成圖1（b）的形狀，這時(shí)上下導(dǎo)體垂直段上的電流方向相同，遠(yuǎn)區(qū)的場(chǎng)不是互相抵消而是互相疊加，從而產(chǎn)生輻射。2n8 本質(zhì)上都是傳輸電磁能量傳輸線兩端都是閉合電路；天線的一端是閉合電路（發(fā)射源），一端是自由空間（負(fù)載）

4、。 天線是傳輸線的特殊形式，它起著被導(dǎo)波與空間波之間能量轉(zhuǎn)換的作用。 這種傳輸電磁能量的作用決定了大多數(shù)天線都是由傳輸線或者波導(dǎo)演變而來(lái)。9 開(kāi)口矩形波導(dǎo)末端逐漸張開(kāi)形成角錐喇叭天線； 開(kāi)口圓波導(dǎo)末端逐漸張開(kāi)形成圓錐喇叭天線； 拉開(kāi)短路傳輸線末端導(dǎo)線之間的距離形成磁偶極子天線； 開(kāi)路圓錐傳輸線就是雙圓錐天線， 圓v-錐傳輸線變?yōu)閳Av-錐天線等等。10天線波導(dǎo)型天線：波紋喇叭線微帶線型：微帶貼片天螺旋天線對(duì)數(shù)周期天線喇叭天線槽天線錐天線圓錐天線電小天線雙線傳輸線型傳輸線型天線天線TEMVUWB11 雙線傳輸線型UWB天線，包括圓錐天線、V-錐天線、電小天線、槽天線、TEM喇叭天線、對(duì)數(shù)周期天線和

5、螺旋天線等。 雙線傳輸線型UWB天線的共同特點(diǎn)是，天線具有角形結(jié)構(gòu)、可以設(shè)計(jì)成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)、大輻射面積或者較長(zhǎng)的電流路徑； 結(jié)構(gòu)上有內(nèi)在的演變關(guān)系結(jié)構(gòu)上有內(nèi)在的演變關(guān)系。12 根據(jù)Sandler 和King 有限長(zhǎng)圓錐天線的研究成果，導(dǎo)出了電偶極子型電小天線的傳輸線模型； 進(jìn)而利用電小天線的相似性相似性，可以研究各種類型的電偶極子天線。 電偶極子型電小天線的傳輸線模型: 用一段無(wú)損耗開(kāi)路傳輸線和輻射電阻串聯(lián)來(lái)表示， 開(kāi)路線描述了電偶極子型電小天線的輸入電抗。 比集總參數(shù)等效電路更準(zhǔn)確地描述電偶極子型電小天線， 利用這一等效電路可以實(shí)現(xiàn)輸入電抗的完全補(bǔ)償。 13-jZ0ctgklRrZinYin等效

6、輸入電容無(wú)耗短路傳輸線ReRmmm14Yin-jZ0ctgklRr無(wú)耗短路傳輸線Rc-jZ0ctgklZinRr15電小天線/電偶極子圓錐天線有限長(zhǎng)圓錐天線King給出的阻抗公式天線的傳輸線模型電小天線的相似性16 圓錐天線和V-錐天線都是常用的超寬帶天線，都具有角形結(jié)構(gòu)角形結(jié)構(gòu)。 理想化模型分別是圓錐傳輸線和V-錐傳輸線傳輸線， 都可以嚴(yán)格求解嚴(yán)格求解。 更具有普遍性的物理模型分別是橢圓錐橢圓錐天線和橢圓V-錐天線。 改變橢圓錐天線（圖4a）的參數(shù)( )和V-錐天線（圖4b）的參數(shù)( )，可以得到同一種同一種天線，那就是蝴蝶結(jié)天線。天線，那就是蝴蝶結(jié)天線。0 x201718圓錐天線橢圓錐天線

7、圓V-錐天線都得到,2, 00ECAEVAx蝴蝶結(jié)天線19 圓V-錐天線的更為普遍模型是橢圓V-錐天線。橢圓V-錐天線中， 是模數(shù)。 當(dāng)時(shí) ，橢圓V-錐天線退化為三角板天線，根據(jù)輻射臂所處位置可以分為三類，第一類TVA1即TEM喇叭天線；第三類TVA3即槽天線；第二類TVA2是上下輻射臂幾何位置相互錯(cuò)開(kāi)的TEM喇叭天線。 除了饋電點(diǎn)處的幾何結(jié)構(gòu)不同外，蝴蝶結(jié)天線和TEM喇叭天線實(shí)際上是一樣的。xykcos/cos0k20 xykcos/cos21zyx非共面扇形天線0k22 通過(guò)結(jié)構(gòu)上的演變關(guān)系，可以更深入理解超寬帶天線的寬帶機(jī)理，進(jìn)而改進(jìn)UWB天線的設(shè)計(jì)。 從V-錐天線演變過(guò)來(lái)的TEM喇叭天

8、線，其輻射臂末端一般是圓弧邊緣圓弧邊緣，末端反射不會(huì)展寬脈沖波形； 常規(guī)的TEM喇叭天線，其輻射臂末端一般是直線直線邊緣邊緣，在輻射脈沖波形時(shí)會(huì)寬脈沖波形。23由于V-錐天線和TEM喇叭在結(jié)構(gòu)上的內(nèi)在聯(lián)系，它們可以設(shè)計(jì)成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)形式，使輸入阻抗與頻率無(wú)關(guān)，約等于188.5。24圓V-錐天線有限長(zhǎng)V-錐天線 ，蝴蝶結(jié)天線TVA2/TVA1/TEM喇叭Laba TVA3/槽天線橢圓V-錐天線三角板天線0k225無(wú)限長(zhǎng)圓V-錐天線有限長(zhǎng)Bowtie天線加長(zhǎng)電流路徑對(duì)數(shù)周期天線螺旋天線劈形對(duì)數(shù)周期天線/定向輻射梯形對(duì)數(shù)周期天線Zig-zag對(duì)數(shù)周期天線LPDA進(jìn)一步折疊26 在文獻(xiàn)上，通常把對(duì)數(shù)周期天

9、線和螺旋天線歸入與頻率無(wú)關(guān)天線一類。 事實(shí)上，上述幾種角形結(jié)構(gòu)天線都是與頻率無(wú)關(guān)天線； 對(duì)數(shù)周期天線可以看成是有限長(zhǎng)蝴蝶結(jié)天線加上圓弧形的“齒”形成的，而加“齒”的規(guī)律則按螺旋天線的方式。27 從1898年Lodge在一個(gè)專利技術(shù)中討論UWB天線，用錐面或者三角形平板，從頂點(diǎn)連接”。 雙線傳輸線型天線（圓錐天線、V-錐天線、電小天線、槽天線、TEM喇叭天線、對(duì)數(shù)周期天線和螺旋天線），至今已經(jīng)有了108年的歷史。 在這108年中成千上萬(wàn)的研究成果基本上都是分別研究上述幾類天線，未見(jiàn)導(dǎo)研究它們之間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)演變關(guān)系演變關(guān)系。28 概括起來(lái)，可以得到各類角形結(jié)構(gòu)UWB天線之間的結(jié)構(gòu)演變關(guān)系。 這種結(jié)構(gòu)

10、演變關(guān)系使UWB天線理論系統(tǒng)化，有助于理解和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的UWB天線。 可以看到，外形上千差萬(wàn)別的天線居然有著內(nèi)在外形上千差萬(wàn)別的天線居然有著內(nèi)在的必然聯(lián)系的必然聯(lián)系。 “外形上千差萬(wàn)別的天線”是為了滿足工程上千差萬(wàn)別的要求而研究出來(lái)的； “內(nèi)在的必然聯(lián)系”則表明萬(wàn)變不離其宗的理論內(nèi)涵。從另一方面來(lái)說(shuō)，這也是一種普遍的天線研究方法。29蝴蝶結(jié)天線圓V-錐天線橢圓V-錐天線螺旋天線對(duì)數(shù)周期天線LPDATEM喇叭槽天線三角板天線有限長(zhǎng)圓錐天線電小天線/電偶極子電小天線的傳輸線模型圓錐天線橢圓錐天線30 天線結(jié)構(gòu)主要依賴于角度的變化，而不天線結(jié)構(gòu)主要依賴于角度的變化，而不是長(zhǎng)度的變化；是長(zhǎng)度的變化； 天線結(jié)構(gòu)具有自補(bǔ)特性；天線結(jié)構(gòu)具有自補(bǔ)特性； 天線具有自相似結(jié)構(gòu)；天線具有自相似結(jié)構(gòu)； 天線有很大的電流輻射面積和適當(dāng)?shù)穆诽炀€有很大的電流輻射面積和適當(dāng)?shù)穆窂介L(zhǎng)度。徑長(zhǎng)度。 31 圓錐天線，橢圓錐天線 V錐天線，橢圓V錐天線 Bowtie 天線，TEM喇叭 對(duì)數(shù)周期天線 螺旋天線32 平面對(duì)數(shù)周期天線 螺旋天線 V錐天線， Bowt