天線與電波傳播I-4-1

1、1天線與電波傳播（天線與電波傳播（I）2超寬帶技術超寬帶技術-Ultra-wideband, UWBIR-UWBIR-UWB通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)：傳統(tǒng)傳統(tǒng)UWBUWB技術采用的是具有極寬頻譜的極窄技術采用的是具有極寬頻譜的極窄時域脈沖時域脈沖，而不是連續(xù)的波形來作為信息的載體，同時信號在傳而不是連續(xù)的波形來作為信息的載體，同時信號在傳輸過程中也沒有用到射頻調制。已在雷達系統(tǒng)中有廣輸過程中也沒有用到射頻調制。已在雷達系統(tǒng)中有廣泛應用，稱為脈沖無線電泛應用，稱為脈沖無線電(Impulse Radio, IR)(Impulse Radio, IR)技術。技術。適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和復

2、雜環(huán)適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和復雜環(huán)境下的可靠通信應用。這些應用包括支持多媒體業(yè)務境下的可靠通信應用。這些應用包括支持多媒體業(yè)務的個人局域網、替代信號電纜線、無線穿戴式設備、的個人局域網、替代信號電纜線、無線穿戴式設備、短距離探測和定位雷達、野外單兵通信和無線傳感器短距離探測和定位雷達、野外單兵通信和無線傳感器組網等。組網等。3超寬帶技術超寬帶技術-Ultra-wideband, UWB與傳統(tǒng)窄帶技術的區(qū)別：與傳統(tǒng)窄帶技術的區(qū)別： 極大的系統(tǒng)帶寬。帶寬常常達數(shù)極大的系統(tǒng)帶寬。帶寬常常達數(shù)GHzGHz，比任何現(xiàn)有的，比任何現(xiàn)有的無線通信技術的帶寬都大得多；無線通信技術的帶寬都大得多

3、； 典型的典型的UWBUWB信號是無載波窄脈沖。與當今通信系統(tǒng)中信號是無載波窄脈沖。與當今通信系統(tǒng)中廣泛采用的載波調制技術不同，廣泛采用的載波調制技術不同，IR-UWBIR-UWB技術使用上升技術使用上升沿和下降沿都很陡的基帶脈沖直接通信，所以又稱為沿和下降沿都很陡的基帶脈沖直接通信，所以又稱為基帶傳輸技術或無載波技術基帶傳輸技術或無載波技術典型的IR-UWB信號的時域波形4UWB優(yōu)勢優(yōu)勢n極高的通信數(shù)據(jù)率極高的通信數(shù)據(jù)率。UWBUWB信號的脈沖寬度通常在亞納秒量級，信號的脈沖寬度通常在亞納秒量級，由此可實現(xiàn)達由此可實現(xiàn)達100Mbps100MbpslGbpslGbps的通信速率。的通信速率。

4、n低復雜度、低成本低復雜度、低成本。IR-UWBIR-UWB系統(tǒng)直接利用極窄脈沖來進行信系統(tǒng)直接利用極窄脈沖來進行信息傳輸，信號不需要上變頻以及功放，因此可省去射頻混頻以息傳輸，信號不需要上變頻以及功放，因此可省去射頻混頻以及功率放大模塊；在接收端也可以省去相對應的混頻模塊、復及功率放大模塊；在接收端也可以省去相對應的混頻模塊、復雜的時延和相位跟蹤環(huán)等；雜的時延和相位跟蹤環(huán)等；n信號具有類噪聲性信號具有類噪聲性。UWBUWB信號具有極低的功率譜密度和偽隨信號具有極低的功率譜密度和偽隨機特性，這使其具有類似噪聲的性質難以被截獲，同時對其它機特性，這使其具有類似噪聲的性質難以被截獲，同時對其它現(xiàn)有

5、的無線系統(tǒng)干擾較小?，F(xiàn)有的無線系統(tǒng)干擾較小。n時域特性好時域特性好。時域窄脈沖具備良好的材料穿透能力，因此在時域窄脈沖具備良好的材料穿透能力，因此在探測方面具有很好的應用；極窄的時域脈沖同時還意味著探測方面具有很好的應用；極窄的時域脈沖同時還意味著UWBUWB技術具有提供比技術具有提供比GPSGPS和其他無線系統(tǒng)更高精度的定時潛力。和其他無線系統(tǒng)更高精度的定時潛力。519891989年，美國國防高級研究計劃局年，美國國防高級研究計劃局(DARPA)(DARPA)對超寬帶對超寬帶UWBUWB的概念下了明確的概念下了明確定義。定義。20022002年年2 2月，美國聯(lián)邦通信委員會月，美國聯(lián)邦通信委

6、員會(FCC)(FCC)規(guī)定民用通信允許的規(guī)定民用通信允許的超寬超寬帶帶(Ultra-wideband,(Ultra-wideband,簡寫為簡寫為UWB)UWB)可利用波段為可利用波段為3.1-10.6 GHz3.1-10.6 GHz，突破了以，突破了以前僅用于雷達和軍事項目的瓶頸，為實現(xiàn)短距離高速度傳輸、低功耗和前僅用于雷達和軍事項目的瓶頸，為實現(xiàn)短距離高速度傳輸、低功耗和低成本運行商用通信系統(tǒng)打下了基礎，并且對超寬帶調整了定義。低成本運行商用通信系統(tǒng)打下了基礎，并且對超寬帶調整了定義。其中，其中，fH和和fL為頻段的上、下截止頻率，為頻段的上、下截止頻率，DARPADARPA對超寬帶的規(guī)

7、定比對超寬帶的規(guī)定比FCCFCC規(guī)規(guī)定的要嚴格一些。定的要嚴格一些。UWB通信通信從頻域上對從頻域上對UWBUWB進行定義也表明進行定義也表明UWBUWB的含義已不再局限于的含義已不再局限于IRIR技術技術，對實際，對實際通信系統(tǒng)而言只要能通信系統(tǒng)而言只要能滿足上面對帶寬的要求滿足上面對帶寬的要求并并工作于工作于FCCFCC開放的應用頻段開放的應用頻段即可稱之為即可稱之為UWBUWB系統(tǒng)系統(tǒng)6UWB技術技術FCCFCC規(guī)定，規(guī)定，超寬帶通信除用于雷達和安全應用外，還能夠用于機載超寬帶通信除用于雷達和安全應用外，還能夠用于機載和車載雷達系統(tǒng)，數(shù)字通信和成像系統(tǒng)等領域和車載雷達系統(tǒng)，數(shù)字通信和成像

8、系統(tǒng)等領域。目前在現(xiàn)有。目前在現(xiàn)有UWBUWB定定義下，除傳統(tǒng)的義下，除傳統(tǒng)的IR-UWBIR-UWB方式外，還存在多頻帶正交頻分復用方式外，還存在多頻帶正交頻分復用(MB-(MB-OFDM)OFDM)和直接序列碼分多址和直接序列碼分多址(DS-CDMA)(DS-CDMA)等兩種方案。從調制方式上等兩種方案。從調制方式上看，看，MB-UWBMB-UWB和和DS-UWBDS-UWB方案均基于傳統(tǒng)的載波調制技術，但具有方案均基于傳統(tǒng)的載波調制技術，但具有UWBUWB技術的特點，符合技術的特點，符合FCCFCC的相關規(guī)定。的相關規(guī)定。技術體制技術體制工作頻段工作頻段頻譜利用方式頻譜利用方式信號特點信

9、號特點IR-UWBIR-UWB3.1-10.6GHz3.1-10.6GHz全頻段同時利用全頻段同時利用時域脈沖信號，無載時域脈沖信號，無載波調制，極寬頻譜波調制，極寬頻譜DS-UWBDS-UWB3.1-5.15GHz3.1-5.15GHz和和5.825-10.6GHz5.825-10.6GHz分為高低兩個頻段，分為高低兩個頻段，分別利用分別利用時域脈沖信號，載波時域脈沖信號，載波調制，極寬頻譜調制，極寬頻譜MB-UWBMB-UWB3.1-10.6GHz3.1-10.6GHz劃分為劃分為1414個子頻帶，個子頻帶，并進行分組。每個子并進行分組。每個子頻帶稍大于頻帶稍大于500MHz500MHz時

10、域連續(xù)信號，多載時域連續(xù)信號，多載波調制，極寬頻譜波調制，極寬頻譜7超寬帶天線的特殊性超寬帶天線的特殊性阻抗帶寬阻抗帶寬：按照：按照FCCFCC對超寬帶的帶寬的規(guī)定，超寬帶天線的工對超寬帶的帶寬的規(guī)定，超寬帶天線的工作帶寬達到作帶寬達到7.5GHz7.5GHz，給設計帶來了極大的挑戰(zhàn)，而目前的天線，給設計帶來了極大的挑戰(zhàn)，而目前的天線理論主要針對窄帶天線，超寬帶設計方面理論設計方面較少。理論主要針對窄帶天線，超寬帶設計方面理論設計方面較少。線性相位線性相位：超寬帶對相位的要求主要希望在理想的情況下，天：超寬帶對相位的要求主要希望在理想的情況下，天線在整個頻帶內對時域信號的傳輸不發(fā)生畸變，保持線

11、性相位。線在整個頻帶內對時域信號的傳輸不發(fā)生畸變，保持線性相位。在在UWBUWB天線設計過程中，所有的常規(guī)性能指標如駐波比、天線設計過程中，所有的常規(guī)性能指標如駐波比、增益、方向圖等都要考慮。但是超寬帶天線與傳統(tǒng)的窄帶增益、方向圖等都要考慮。但是超寬帶天線與傳統(tǒng)的窄帶天線的通信方面有著本質的不同，因此帶來獨特的要求與天線的通信方面有著本質的不同，因此帶來獨特的要求與挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)：8超寬帶天線的特殊性超寬帶天線的特殊性方向圖的穩(wěn)定性和較高的輻射效率方向圖的穩(wěn)定性和較高的輻射效率：在現(xiàn)實通信中，要求在現(xiàn)實通信中，要求超寬帶天線在某個方向上保持全向性，且要求在較寬的頻帶內超寬帶天線在某個方向上保持全向

12、性，且要求在較寬的頻帶內保持方向圖的穩(wěn)定性。除方向圖的要求外，通常要求超寬帶天保持方向圖的穩(wěn)定性。除方向圖的要求外，通常要求超寬帶天線的輻射效率要高，因此在設計中需要減少天線的損耗。線的輻射效率要高，因此在設計中需要減少天線的損耗。天線的體積天線的體積：由于目前由于目前UWBUWB技術的外部設備體積越來越小，超技術的外部設備體積越來越小，超寬帶天線作為超寬帶系統(tǒng)的一部分，也必須朝著小型化、輕型寬帶天線作為超寬帶系統(tǒng)的一部分，也必須朝著小型化、輕型化的方向發(fā)展，使之更好的與系統(tǒng)集成。因此在超寬帶的設計化的方向發(fā)展，使之更好的與系統(tǒng)集成。因此在超寬帶的設計中，除了滿足超寬帶天線性能指標外，還必須使

13、天線向著平面中，除了滿足超寬帶天線性能指標外，還必須使天線向著平面化、小型化的方向發(fā)展，使之更好的滿足軍用和民用的需要?；?、小型化的方向發(fā)展，使之更好的滿足軍用和民用的需要。9超寬帶天線超寬帶天線隨著近年來通信技術的不斷發(fā)展，對通信系統(tǒng)的帶寬隨著近年來通信技術的不斷發(fā)展，對通信系統(tǒng)的帶寬要求也越來越寬，由此促進了超寬帶天線的發(fā)展。近要求也越來越寬，由此促進了超寬帶天線的發(fā)展。近年來，寬帶天線基本上包括以下幾種形式：年來，寬帶天線基本上包括以下幾種形式：頻率無關天線：螺旋天線，對數(shù)周期天線頻率無關天線：螺旋天線，對數(shù)周期天線雙錐天線雙錐天線V V錐天線錐天線喇叭天線喇叭天線超寬帶平板單極子天線超

14、寬帶平板單極子天線超寬帶印刷單極子天線超寬帶印刷單極子天線超寬帶印刷縫隙天線超寬帶印刷縫隙天線具有阻帶功能的超寬帶平面天線。具有阻帶功能的超寬帶平面天線。10超寬帶天線超寬帶天線頻率無關天線：頻率無關天線：螺旋天線螺旋天線自補平面等角螺旋天線自補平面等角螺旋天線螺旋天線就是天線的一支螺旋天線就是天線的一支為螺旋曲線的天線，最為為螺旋曲線的天線，最為常見的一種螺旋天線就是常見的一種螺旋天線就是平面等角螺旋天線。平面等角螺旋天線。對于典型的螺旋天線，天線工作頻率的上限值由饋電結構對于典型的螺旋天線，天線工作頻率的上限值由饋電結構決定，螺旋的最小半徑大約取為上限頻率所對應波長的四決定，螺旋的最小半徑

15、大約取為上限頻率所對應波長的四分之一；工作頻率的下限值由螺旋的末端半徑決定。分之一；工作頻率的下限值由螺旋的末端半徑決定。11超寬帶天線超寬帶天線頻率無關天線：頻率無關天線：對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線對數(shù)周期天線對數(shù)周期偶極天線對數(shù)周期偶極天線(Log-Periodic (Log-Periodic Dipole Arrays)Dipole Arrays)簡稱簡稱LPDALPDA，通常由，通常由許多平行排列的諧振振子組成，當工許多平行排列的諧振振子組成，當工作頻率改變時，諧振振子的位置就可作頻率改變時，諧振振子的位置就可以沿著天線的集合線向前或向后移動，以沿著天線的集合線向前或向后移動

16、，同時，還能始終保持諧振點的電尺寸同時，還能始終保持諧振點的電尺寸不變，從而使天線的電特性可以基本不變，從而使天線的電特性可以基本保持不變。保持不變。對數(shù)周期天線具有極寬的阻抗特性，達到對數(shù)周期天線具有極寬的阻抗特性，達到10:110:1或更寬，且具有或更寬，且具有較高的增益，因此在短波、超短波、微波等頻段獲得了廣泛的較高的增益，因此在短波、超短波、微波等頻段獲得了廣泛的應用。應用。12超寬帶天線超寬帶天線雙錐天線雙錐天線雙圓錐結構雙圓錐結構雙圓錐天線就是在兩個金雙圓錐天線就是在兩個金屬雙圓錐的相互絕緣的、屬雙圓錐的相互絕緣的、相距相距h為無限小的頂點接入為無限小的頂點接入射頻信號，在金屬圓錐

17、面射頻信號，在金屬圓錐面上產生電流，并向空間輻上產生電流，并向空間輻射電磁波射電磁波。雙錐天線在錐形天線中最具代表性。一個理想的無限長度的雙錐雙錐天線在錐形天線中最具代表性。一個理想的無限長度的雙錐形具有非頻變特性，從理論上來說，它非常適合作為超寬帶系統(tǒng)形具有非頻變特性，從理論上來說，它非常適合作為超寬帶系統(tǒng)天線。實際中，需要用適當?shù)姆绞綄o限長雙圓錐天線截斷，形天線。實際中，需要用適當?shù)姆绞綄o限長雙圓錐天線截斷，形成有限長雙圓錐天線。在截斷處會產生反射，出現(xiàn)了輸入電抗，成有限長雙圓錐天線。在截斷處會產生反射，出現(xiàn)了輸入電抗，使輸入阻抗為復數(shù)，這就需要進行補償，來實現(xiàn)超寬帶的匹配。使輸入阻抗

18、為復數(shù)，這就需要進行補償，來實現(xiàn)超寬帶的匹配。13超寬帶天線超寬帶天線V錐天線錐天線V V錐結構錐結構V錐天線結構簡單，具有良好的超錐天線結構簡單，具有良好的超寬帶性能，也是少數(shù)幾個能夠嚴寬帶性能，也是少數(shù)幾個能夠嚴格求解的天線之一。格求解的天線之一。V錐天線中心錐天線中心部分的結構如圖所示。整個天線部分的結構如圖所示。整個天線的結構由極角的結構由極角0和方位角和方位角0 0兩個兩個角參數(shù)確定。可以證明，當從頂角參數(shù)確定。可以證明，當從頂點饋電、邊界條件只與角坐標點饋電、邊界條件只與角坐標( (, , ) )有關時，空間電磁場是有關時，空間電磁場是TEMTEM模。模。還有一些由圓還有一些由圓V

19、 V錐天線演變而來的非對稱結構圓錐天線演變而來的非對稱結構圓V錐天線、橢圓錐天線、橢圓V錐天線、三角板天線錐天線、三角板天線( (也叫蝴蝶結天線也叫蝴蝶結天線) )等。等。14超寬帶天線超寬帶天線喇叭天線喇叭天線喇叭天線的研究由來已久。喇叭天線喇叭天線的研究由來已久。喇叭天線具有良好的時域和頻域特性，在超寬具有良好的時域和頻域特性，在超寬帶天線中占有重要的位置，特別是近帶天線中占有重要的位置，特別是近年來經常作為標準天線測量待測天線年來經常作為標準天線測量待測天線的增益，以及作為沖激脈沖的收發(fā)天的增益，以及作為沖激脈沖的收發(fā)天線，但是對于超寬帶系統(tǒng)來說，其體線，但是對于超寬帶系統(tǒng)來說，其體積較

20、為龐大。積較為龐大。15超寬帶天線超寬帶天線雖然上述天線在早期的工程應用較廣，但它們?yōu)槿S結雖然上述天線在早期的工程應用較廣，但它們?yōu)槿S結構，體積笨重，使之應用范圍受到一定程度的限制。而構，體積笨重，使之應用范圍受到一定程度的限制。而目前大量的工程應用當中，特別是需要天線的小型化設目前大量的工程應用當中，特別是需要天線的小型化設計時，采用計時，采用平面結構平面結構的天線在尺寸以及系統(tǒng)集成上都比的天線在尺寸以及系統(tǒng)集成上都比三維結構更有吸引力。從上世紀九十年代以來，隨著軍三維結構更有吸引力。從上世紀九十年代以來，隨著軍用以及民用無線通信技術的不斷發(fā)展，用以及民用無線通信技術的不斷發(fā)展，平面化、

21、小型化平面化、小型化是目前超寬帶天線的發(fā)展的一個趨勢。是目前超寬帶天線的發(fā)展的一個趨勢。超寬帶平面天線超寬帶平面天線不斷涌現(xiàn)，主要包括以下幾類：超寬帶不斷涌現(xiàn)，主要包括以下幾類：超寬帶平板單極子天線、超寬帶印刷單極子天線、超寬帶印刷平板單極子天線、超寬帶印刷單極子天線、超寬帶印刷縫隙天線以及具有阻帶功能的超寬帶平面天線?？p隙天線以及具有阻帶功能的超寬帶平面天線。16超寬帶天線超寬帶天線平板單極子天線平板單極子天線平板結構是早期超寬帶平平板結構是早期超寬帶平面單極子天線的主要形式，面單極子天線的主要形式，可以認為是由傳統(tǒng)的三維可以認為是由傳統(tǒng)的三維結構天線演變而來，主要結構天線演變而來，主要有橢

22、圓形、環(huán)形、圓形、有橢圓形、環(huán)形、圓形、水滴形等多種變形。水滴形等多種變形。早期單級子天線輻射面雖然是印刷式平面結構，但是早期單級子天線輻射面雖然是印刷式平面結構，但是接地面與金接地面與金屬輻射面垂直屬輻射面垂直，其饋電方式是由，其饋電方式是由SMASMA接頭的探針經由接地面上的接頭的探針經由接地面上的導通孔連接到天線的輻射體上，而輻射體與接地面間的距離為影導通孔連接到天線的輻射體上，而輻射體與接地面間的距離為影響阻抗帶寬的重要因素之一，但在整個天線來說，仍然為三維的響阻抗帶寬的重要因素之一，但在整個天線來說，仍然為三維的結構。結構。17超寬帶天線超寬帶天線印刷單極子天線印刷單極子天線二維的單

23、極子天線利用印二維的單極子天線利用印刷電路板蝕刻而成，不需刷電路板蝕刻而成，不需要從接地面打一個導通孔，要從接地面打一個導通孔，在工程應用中方便許多，在工程應用中方便許多，大多數(shù)采用的是大多數(shù)采用的是微帶線或微帶線或是共面波導饋電是共面波導饋電。輻射體為圓形的單極子天線設計較為簡單，調整圓形半徑大小，輻射體為圓形的單極子天線設計較為簡單，調整圓形半徑大小，就能決定天線的最低工作頻率。通過將輻射體形狀改為漏斗形、就能決定天線的最低工作頻率。通過將輻射體形狀改為漏斗形、領結形、十字形、領結形、十字形、U形、心形、扇形、橢圓形等結構，則會進一形、心形、扇形、橢圓形等結構，則會進一步增加天線的阻抗帶寬平面單極子天線結構簡單、體積小、制作步增加天線的阻抗帶寬平面單極子天線結構簡單、體積小、制作容易，最重要的是具有全向輻射特性