宽带圆极化与超宽带印刷天线设计

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II宽带圆极化及超宽带印刷天线设计 AbstractIIIAbstractAsthedevelopmentofmodernradars,electronicwarfareandwirelesscommunicationsandtheupgradingofelectronicequipments,modernantennasarefacingmorechallenges,whichrequireantennasnotonlywithwide-bandandcircularlypolarizedcharacteristics,butalsowithsmallvolumeandlightweight.Printedantennasarewidelyusedinwirelessequipmentsfortheiradvantages,likelowprofile,lightweight,lowcost,andeasyfabrication.Inthisthesis,thedesignofbroadbandcircularlypolarizedandultra-widebandprintedantennasforwirelesscommunicationsystemsareaddressed.Twoprintedantennaswithultra-widebandlinearlypolarizedandbroadbandcircularlypolarizedcharacteristicsrespectivelyarestudiedbyAnsoftHighFrequencyStructureSimulator(HFSS)softwarebasedonfinite-elementmethod.Theprototypesofthesetwoantennasarealsofabricated.Themajorcontributionsofthisthesisareoutlinedasfollows:1.Onetypeofultra-widebandprintedantennasisdesigned.Byattachingarectangularstubtothecircularradiatingpatch,additionaltworesonantpointsforthedesiredbandcanbeexcited.Sothebandwidthoftheproposedopenslotantennaisgreatlyenhanced.Themeasuredimpedance-bandwidthisabout11.66GHz(139%)from2.57to14.23GHz.Theexperimentalresultsindicatethattheproposedantennahasgoodradiationcharacteristicsintheoperatingfrequencyband.2.Akindofbroadbandcircularlypolarizedprintedantennasisproposed.Thisantennaobtainstwoorthogonalelectricfieldvectorswithequalamplitudeand90°phasedifference(PD)byusinganasymmetricgroundplane.Alargeaxialradio(AR)bandwidthcanbereachedbyadjustingthedegreeofasymmetryofthegroundplane.Then,bycuttingasmallrectangularslotfromtheasymmetricgroundplane,thewideimpedance-bandwidthandbroadAR-bandwidthcanbeobtainedsimultaneously.Themeasuredimpedance-bandwidthandAR-bandwidthare5.96GHzfrom4.06to10.02GHzand2.64GHzfrom5.91to8.55GHz,respectively.Theexperimentalresultsindicatethattheantennahasgoodcircularlypolarizedradiationcharacteristics.Keywords:Ultra-wideband(UWB)CircularlyPolarizedPrintedAntennasWirelessCommunications IV宽带圆极化及超宽带印刷天线设计 目录V目录摘要....................................................................................................................................IAbstract...........................................................................................................................III目录..................................................................................................................................V第一章绪论..............................................................................................................1§1.1研究背景及意义................................................................................................1§1.2国内外研究现状................................................................................................2§1.3本文主要工作和内容安排................................................................................5第二章基本理论概述..............................................................................................7§2.1天线的主要参数................................................................................................7§2.2超宽带天线理论..............................................................................................11§2.3圆极化天线理论..............................................................................................19第三章超宽带印刷天线研究................................................................................25§3.1引言..................................................................................................................25§3.2开口缝隙天线设计.........................................................................................25§3.3小结..................................................................................................................31第四章宽带圆极化印刷天线研究........................................................................33§4.1引言..................................................................................................................33§4.2圆极化印刷天线设计......................................................................................33§4.3小结..................................................................................................................42第五章结束语........................................................................................................43§5.1论文研究的主要成果......................................................................................43§5.2需要进一步研究的问题..................................................................................43致谢.................................................................................................................................45参考文献.........................................................................................................................47研究成果.........................................................................................................................51 VI宽带圆极化及超宽带印刷天线设计 第一章绪论1第一章绪论[摘要]：本章阐述了论文的选题背景和研究意义；回顾了国内外超宽带天线和圆极化天线的发展现状；总结了天线的超宽带及圆极化技术；最后给出了本文所作的研究工作以及论文的组成结构。§1.1研究背景及意义通信、雷达、电视、广播等无线电技术设备，都是通过无线电波来传递信息的。在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置是天线。天线作为无线电技术设备的一个重要组成部分，对无线通信系统性能的优劣起着至关重要的作用。平面印刷天线具有体积小、剖面低、结构简单、易与电路集成、易于实现宽频带和圆极化等优点，被广泛应用于民用和军事领域。因此设计出能够满足目前多样化通信系统特定要求的高性能印刷天线具有十分重要的应用价值。超宽频带(Ultra-wideband,UWB)是一种新兴的无线传输技术，兴起于二十世纪四十年代，源于时域电磁学中用某类微波网络固有的冲激响应描述其瞬时特性的研究。采用该技术的无线通信系统，具有较强的抗干扰能力，可在较高链路丢失环境中提供存活通信手段，可在复杂的多路径环境中出色地完成定位和识别，能满足现代通信对数据、语音、视频和多媒体等信息的大容量和高质量传输要求。自2002年2月14日由美国联邦通信委员会(FCC)批准后，UWB成为一种新兴的商用无线电技术。超宽带天线是用来发射和接收超宽带信号的天线装置。早期的UWB天线结构都比较立体，如双锥天线、球形天线、矩形喇叭天线、同轴喇叭天线、椭圆偶极[1]子和单极子天线等，主要用于短脉冲雷达等军事系统。近几年来，随着短距离通信系统的快速发展，超宽带脉冲信号被越来越广泛地应用在室内通信系统。此外，无线通信系统小型化以及集成化的发展趋势要求超宽带天线具有易与系统集成、结构紧凑等优点。所以，超宽带印刷天线成为国内外学者研究的热点。发射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线。与线极化天线相比，圆极化天线具有如下一些优点：可以抗雨水和云雾的干扰；可以在任何状态下接收到信号；可以接收任意极化来波，其辐射波也可由任意极化天线接收；可以消除多径传播造成的信号衰落等。因此，圆极化天线在雷达、通信、遥感、遥测、广播、电视、[2]电子侦查和电子对抗等领域得到了广泛的应用。现代圆极化天线的设计，不仅要求天线的各项性能指标能够满足无线通信的 2宽带圆极化及超宽带印刷天线设计要求，而且在外观上应该尽量平面化、小型化。近年来，如何展宽天线阻抗带宽已取得了一定的研究成果，但是如何获得较宽的轴比带宽这个难题亟待解决。因此，宽带圆极化印刷天线在现代无线通信应用中受到越来越广泛的关注。本文将致力于研究超宽带和圆极化技术，设计两种平面印刷天线，分别实现超宽带特性和宽带圆极化特性。§1.2国内外研究现状[3]1.2.1超宽带天线研究现状超宽带技术由于具有众多优点，受到科技研究人员的广泛关注，迄今为止，人们对超宽带技术的研究已经颇有成果。相比而言，人们对超宽带天线的研究还处于不成熟阶段，超宽带天线尚有很大的发展空间，值得我们进一步研究、开发和利用。2000年起，我国的科研机构开始着手研究超宽带技术，2001年，将其列入国家863计划。2004年，超宽带技术的研究开始受到国家自然科学基金委员会的关注和支持。但总的来说，我国的超宽带天线研究起步较晚，成果和专利申请远不及其他国家，亟待开发具有自主知识产权的超宽带无线电技术以及相关产品。宽频带天线大致经历了以下几个发展历程：第一阶段：上个世纪50年代以前均为宽频带天线早期发展阶段，主要的宽频带天线形式有双锥天线、定向同轴喇叭天线及火山口烟雾形天线等。上述天线都具有立体结构，体积较大，不适合用于现代通信系统。第二阶段：上个世纪50年代到90年代期间，平面螺旋天线、对数周期天线等[4]非频变天线陆续出现。这类天线可实现大于10:1的阻抗带宽，同时改善了上个世纪50年代以前天线大都体积较大这个缺点。但是由于此类天线的超宽带辐射是通过转移辐射有效区来实现的，从而易造成超宽带发射信号以及接收信号的失真，故此类天线通常不适合用来发射及接收超宽带脉冲信号。第三阶段：从上个世纪90年代开始，对宽频带天线的研究进入到了超宽带天线研究阶段。很多新型的具有平面结构的超宽带天线相继出现，大体可归纳为以[5]下三类：第一类为超宽带平板单极天线，第二类为超宽带印刷单极天线，第三类为超宽带印刷缝隙天线。宽带平板单极天线由G.Dubost等人于1976年首次提出，典型平板单极天线的结构如图1.1所示。随着不断的发展，人们研究出了圆盘、椭圆盘、矩形、钻石形、[6-9]梯形等多种形式的平板单极子天线来满足UWB通信的要求。改善天线阻抗带宽[10][11]的方法通常有在单极子上开洞、改变馈电点位置、两点或多点同时馈电、短 第一章绪论3[12]路和切角技术相结合等。此外，平板单极子天线通常可以采用两个相同结构的正交组合，使H面的辐射方向图呈现好的全向辐射特性。平板单极子天线是一种比较古老的天线形式，其优点是结构简单，便于分析，容易实现UWB所需的阻抗带宽，同时在H面内全向辐射特性较好，其缺点是这类天线一般采用立体结构，需要一个与之垂直的导体地板，不适应UWB系统对天线集成化的要求。(a)(b)(c)图1.1典型的平板单极子天线结构图，(a)平板单极子，(b)短路平板单极子，(c)改进馈电方式的平板单极子(a)(b)(c)图1.2典型的单极子天线和偶极子天线结构图，(a)共面波导馈电单极子天线，(b)微带线馈电单极子天线，(c)微带线馈电偶极子天线(a)(b)图1.3典型的缝隙天线结构图，(a)共面波导馈电缝隙天线，(b)微带线馈电缝隙天线印刷单极子天线将平板单极子天线的地板和辐射单元都集成到印刷电路板上，通过位于地板中央的微带线或共面波导(CPW)进行馈电，可以看作是平板单极天线平面化的结构。图1.2给出了几种典型印刷单极子天线的结构图。为了展宽印刷单极天线的带宽，已研究出了各种形状的单极贴片，如圆形、环型、心形、 4宽带圆极化及超宽带印刷天线设计[13-16]椭圆形等。印刷单极天线容易实现超宽带、易于系统集成，同时具有较好的全向辐射特性，是目前UWB天线研究的一个重要方向。印刷缝隙天线采用宽缝结构来实现宽的阻抗带宽，通过微带线或共面波导(CPW)进行馈电，具有比微带天线相对更宽的带宽。通常，缝隙的形状对天线的[17-19]性能有较大影响，较常见的缝隙形状有矩形、圆形、椭圆形和三角形等。图1.3给出了一种典型的缝隙天线采用两种不同馈电方式的结构示意图。此外，人们对超宽带天线的研究呈现出以下三个趋势：趋势一：设计具有阻带特性的超宽带天线。超宽带系统与其他系统共享频率资源，会对其他系统造成一定干扰，在5.1GHz-5.8GHz上对无线局域网(WLAN)的干扰最为严重，解决这个问题最有效的办法就是设计具有阻带滤波特性的超宽带[20]天线，使其在5.1-5.8GHz频段上形成阻带从而降低干扰电平。UWB天线阻带的[21-23]实现方式如图1.4所示，主要有辐射体上开槽、加寄生单元等。(a)(b)图1.4典型的阻带超宽带天线结构图，(a)开槽实现阻带，(b)加枝节实现阻带趋势二：关注超宽带天线对超宽带脉冲波形的影响，将超宽带天线的频域响[24,25]应和时域响应结合起来进行研究。超宽带天线和窄带天线有很大不同，在超宽带系统中，超宽带天线相当于一个带通脉冲整形滤波器，仅仅关注其增益及阻抗特性这些常规特性参数是不够的，还应该从系统的角度衡量其特性。趋势三：平面化和小型化。平面化和小型化决定天线尺寸、加工成本及加工难易程度，间接影响天线的应用，为了拓展超宽带天线的应用，对其尺寸和结构提出一定要求是非常有必要的。[26]1.2.2宽带圆极化印刷天线研究现状圆极化天线具有线极化天线无法比拟的众多优点，抗干扰能力强，辐射效率高，被广泛应用于通信和雷达的极化分集工作，电子侦察和干扰以及电子对抗等领域。常见圆极化天线形式有微带圆极化天线、交叉阵子/缝隙天线、螺旋天线等。微带天线在结构和物理性能方面具有如下优点：剖面低、体积小、重量轻， 第一章绪论5具有平面结构，便于和空间飞行器的表面共形，适合用印刷电路技术大批量生产，容易实现圆极化、双极化、双频段等。然而，微带天线是一种谐振式天线，普通微带天线的相对带宽通常只有1%-6%，故其天生的窄频带特性限制了其进一步的[27-29]应用。传统的微带圆极化天线都是通过切片切角、正交馈电、表面开槽等方[30]法来实现的。新型圆极化微带天线主要包括共面波导馈电的圆极化微带天线、[31][32]容性探针耦合馈电圆极化微带天线以及孔径耦合馈电圆极化微带天线。最近，很多能够进一步提高微带天线圆极化带宽的方法被陆续提出，如采用C型馈[33][34]电的多层微带天线、带有寄生回路的缝隙回路天线、利用威尔金森功分器馈[35][36]电的圆形贴片天线以及L型探针激励的微带贴片天线。上述这些天线均有着大于10%的轴比带宽，但也均有着复杂的结构或馈电网络。[37,38]交叉振子/缝隙天线结构紧凑、易于赋形、工作可靠，能在较宽的频带内实现圆极化，但其馈电网络复杂，且在某些场合下其阻抗带宽和轴比带宽不能满足实际要求。螺旋天线是一种非频变天线，包括平面等角螺旋天线、圆锥螺旋天线以及阿[39-42]基米德(Archimedean)平面螺旋天线等。上述天线的成功研制将天线的带宽展宽到了40:1或更大，且均在短波和超短波等波段机载系统得到广泛应用。随后，[43]又出现了四臂螺旋天线。该天线可以通过选择合适的物理尺寸以形成特定的辐射方向图来满足实际应用的需求，此外它还具有结构简单、体积小、重量轻、受地面影响小、低仰角也能保持良好的圆极化特性等优点，故四臂螺旋天线在导航领域得到了广泛应用。然而，非频变天线往往方向性差、增益较低，这些缺点使得它无法适应很多实际应用。随着应用需求的无限扩展和科学技术的不断进步，以及人类对完美的执着追求，圆极化天线的宽频带和小型化永远是其发展方向，当前的研究热点也都围绕着这些方面展开。尽管圆极化技术相关文献数量巨大，在小型化和宽频带方面也取得了较大进展，但仍有欠缺，需要继续探索更加实用的方法。天线的小型化和极化性能以及天线的加工制作间往往相互牵制，因此必须权衡利弊，寻求能适合特定需求的最佳平衡点。§1.3本文主要工作和内容安排本文工作主要分为两部分：第一部分是对超宽带天线的研究；第二部分是对宽带圆极化天线的研究。全文共分为五章，具体内容安排如下：第一章为绪论。阐述了论文的选题背景和研究意义；回顾了国内外超宽带天线和圆极化天线的发展现状；总结了天线的超宽带及圆极化技术；最后给出了本文所作的研究工作以及论文的组成结构。 6宽带圆极化及超宽带印刷天线设计第二章概述了与本文工作相关的天线基础理论、常用超宽带技术和圆极化技术，为后续超宽带天线和圆极化天线的设计做好理论基础。第三章设计了一个小型超宽带印刷开口缝隙天线。着重讨论了增加的矩形辐射贴片对其频带特性的影响，并加工制做了天线实验模型。实验结果表明，该天线具有良好的电性能。第四章设计了一个宽带圆极化印刷天线。着重讨论了天线的结构和主要设计参数对其频带特性的影响，并加工制做了天线实验模型。实验结果表明，该天线具有良好的圆极化辐射特性。第五章作为结束语，对全文所做的工作进行了总结，并指出了需要进一步研究的问题。 第二章基本理论概述7第二章基本理论概述[摘要]：超宽带技术和圆极化技术作为天线领域的重要研究课题，近年来从理论到实际应用都受到国内外广泛关注。本章概述了天线的主要参数以及超宽带天线和圆极化天线的基本理论，为后继超宽带天线以及圆极化天线的设计做好理论基础。[44-46]§2.1天线的主要参数天线是无线电设备的重要组成部件，其性能的好坏直接影响无线电设备的性能。天线的基本作用是能量转换，此外人们还可以设计天线以形成所需要的方向性。描述天线能量转换、方向特性等的参数有许多个，他们能直接反映出天线的电性能。2.1.1辐射方向图天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布通常是不均匀的，这就形成了天线的方向性。所谓天线的辐射方向图是天线的辐射参量，如功率通量密度、场强、相位和极化，随空间方向的图形表示。其中，表征功率方向特性的图称为功率方向图，表征场强振幅方向特性的图称为场强振幅方向图，表征相位方向特性的图称为相位方向图，表征极化方向特性的图称为极化方向图。通常，人们最关心的是天线辐射能量的空间分布，所以在没有特别说明时，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布，有时指场强的空间分布。天线在,方向辐射的电场强度E,的大小可以写成：E,Af,(2-1)0其中，A是与方向无关的常数，f,是场强方向函数。用场强最大值E进行0M归一化，就得到天线的归一化方向图：E,F,(2-2)EM根据电场强度和功率通量密度的关系可以得到归一化的功率方向图：2p,F,(2-3)三维坐标系中，方向图描绘的是一个三维的曲面，称这样的方向图为空间方向图或立体方向图。三维方向图较为形象直观，但画起来较为复杂。因此，天线 8宽带圆极化及超宽带印刷天线设计方向图常用两个相互垂直的主平面内的方向图来表示，即为平面方向图。主平面因问题不同有着不同的取法，对超高频天线，通常采用的主平面是E面和H面，E面是最大辐射方向和电场矢量所在的平面，H面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。辐射方向图的形状还可以用方向图参数简单地定量表示。描述方向图的参数有副瓣电平、前后辐射比以及主瓣宽度等。副瓣电平是最大的副瓣最大值小于主瓣最大值的分贝数。前后辐射比是主瓣最大值与后瓣最大值之比的分贝数。主瓣宽度是天线主平面上辐射强度为最大值一半的两个方向之间的角度，是用来表征天线辐射集中程度的一个物理量。一般来说，主瓣宽度越窄，方向性越好，抗干扰能力越强。2.1.2辐射功率密度电磁波通过无导线的媒质或导波结构可将信息从一处传送到另一处，因此功率和能量与电磁场很自然地联系在一起。通常，我们用瞬时波印廷矢量来描述功率与电磁波的关系。然而，对于时变场，我们更希望求出平均功率密度，即：1SERe(H)(2-4)2上面定义和论述的天线功率方向图，就是天线辐射的平均功率密度的度量，它是方向的函数，通常要在远场半径恒定的大球面上进行观测。2.1.3辐射强度天线某方向辐射强度即为该方向上单位立体角内所辐射的功率：dPU,(2-5)d式中，d为立体角元，其单位为球面度Sr。球面度就是一个顶点在球心的立体角，其在球面上截得的面积为边长等于球半径的正方形的面积。球的面积元dA和立体角元d分别为：2dArsindd(2-6)dAdsindd(2-7)2r于是有：dAdP,U,(2-8)2r此外，设,方向的功率通量密度为S,，则通过面积元dA的辐射功率通量为： 第二章基本理论概述9dP,S,dA(2-9)于是我们得到下式：2US(,)(,)r(2-10)上式表明，辐射强度同空间方向间的关系就是辐射功率通量密度同空间方向2间的关系，两者的区别是，功率密度和r成反比，辐射强度却与r无关。因此辐射强度纯粹表示天线的辐射强弱和方向角度之间的关系。2.1.4方向性系数天线在某个方向的方向系数是该方向辐射强度与平均辐射强度之比，它是用一个数字来定量表示天线辐射能量集中程度以描述天线方向特性的一个参数。一般人们仅关心最大辐射方向(F,1)的方向系数，其计算公式如下：4D(2-11)22F(,)sindd00它与,方向的方向系数间的关系为：2D,DF,(2-12)式中，F(,)为天线的归一化场强方向函数。在未加说明时，天线的方向性系数通常是指最大辐射方向上的方向性系数。2.1.5效率和增益天线效率是天线非常重要的一个电参数。对于发射天线它是衡量天线把导波能量或高频电流转换成无线电波能量有效程度的一个物理量，定义为天线所辐射的总功率P与天线从馈线得到的净功率P之比：AP(2-13)APA式中，PPP，P为天线的损耗功率。通常天线的输入功率转化为辐射功率All和损耗功率，其中损耗功率即为天线系统中的介质损耗、热损耗以及感应损耗。其中，感应损耗是指大地以及天线的悬挂设备中由感应电流引起的那些损耗。所以提高天线效率，应尽量提高天线的辐射电阻，而降低损耗电阻。通常，超短波天线的辐射电阻较大，损耗较小，效率接近1；而长波和中波天线波长长，电尺寸小，辐射电阻较小，损耗较大，效率低，应该采取措施尽量提高辐射阻抗，降低损耗阻抗，提高天线的效率。一般情况下，天线上方加顶可以使天线的辐射区的电流分布更加均匀，因而能稍微提高天线的辐射电阻；天线底部的地面上加 10宽带圆极化及超宽带印刷天线设计网，可以降低地损耗。天线增益用一个数字表征了天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益，可定义为天线在该方向的辐射强度U,同天线以相同输入功率向空间均匀辐射的辐射强度PA/(4)之比：U,G,4D(2-14)APA式中，D为最大辐射方向的方向系数。2.1.6天线的带宽天线的频率宽度(简称带宽)是天线的某个或某几个性能参数(输入阻抗、方向图、波束宽度、旁瓣电平、增益等)满足设计要求的频率范围。由于天线的电参数都是频率的函数，即天线的电参数是随频率而变化的，所以天线带宽取决于各项电参数的频率特性。天线的主要电参数都有其各自定义的带宽，如方向图带宽、增益带宽、输入阻抗带宽和极化带宽。1.增益带宽增益带宽指天线增益下降为允许值的频带宽度。天线的3dB增益带宽通常定义为增益下降为工作频带中最大增益的一半时所对应的频带宽度。通常来说，频率降低，天线的电尺寸减小，增益下降。天线的增益指标通常限定了天线的最低工作频率。此外，天线的增益和带宽是一对相互矛盾的指标。通常，窄带天线增益相对较高，而宽带天线增益相对较低。提高天线增益，则天线带宽就会变窄，而要拓宽天线带宽就需要牺牲一定的增益。2.方向图带宽天线的方向图是描述天线方向性的一个重要方法。设计频率偏离工作频带的中心频率时，方向图就会发生恶化，如主瓣指向发生偏移以及主瓣萎缩等。当天线的方向图恶化到满足不了设计要求时，则会限制天线的可用带宽，通常称之为天线的方向图带宽。通常情况下，高频段方向图较易发生恶化，这通常是限制天线最高工作频率最为重要的因素。3.输入阻抗带宽输入阻抗带宽(简称阻抗带宽)，是输入阻抗满足一定指标的频带范围，可以用馈线上的电压驻波比来表示，它是超宽带天线的一个重要指标。通常情况下，取电压驻波比小于2的频带宽度为天线的阻抗带宽，它不仅能反映天线阻抗的频率特性，还能反映天线和馈线的匹配程度。4.极化带宽极化带宽是圆极化天线的一项重要技术指标，工程上常用最大辐射方向上或 第二章基本理论概述11主瓣半功率波瓣宽度内，轴比小于3dB时的频带宽度来确定天线的极化带宽。圆极化天线的极化特性通常是制约圆极化天线工作带宽最主要的因素。若同时对几项电参数都有指标要求，则天线带宽应以其中最窄的带宽定义，即在此带宽内天线的电参数均能达到指标要求，在带宽外天线的某个或某些电参数变坏，达不到指标要求。天线的带宽通常有两种表示方法，一种是“相对带宽”，一种是“倍频带宽”。天线的相对带宽定义为天线绝对带宽f和工作频带内中心频率f之比，即：0fmaxfminfR(2-15)ff00其中fff(2-16)maxminffmaxminf(2-17)02f和f分别为天线工作频带的上、下截止频率。天线的倍频带宽定义为天线maxmin工作频带的上截止频率和下截止频率之比，即：fmaxB(2-18)fmin天线倍频带宽大于或者等于1.5就认为是宽带天线。一般，窄带天线较多使用相对带宽表示，而宽带天线则较多使用倍频带宽表示。[3,47-50]§2.2超宽带天线理论超宽带无线电技术具有合理的图像解析、高传输速率和高安全性等诸多优点，而且能与其它现存的传统无线电技术共享频带，为解决目前日趋紧张的频谱资源提供了一个较好的解决方案，成为下一代短距离、高速率无线通信的最佳候选技术之一。天线作为UWB无线通信系统的关键部件，其特性的好坏直接决定着整个系统性能的优劣。由于UWB通信的特殊要求，天线的脉冲辐射特性和天线系统的传输特性成为衡量天线性能的重要指标，这对UWB天线的设计提出了更高的要求。2.2.1超宽带无线电技术超宽带是从信号带宽的角度来定义无线电信号的。1989年，美国国防高级研究计划局(DARPA)首次对其做出了明确的定义：若信号在-20dB处的绝对带宽 12宽带圆极化及超宽带印刷天线设计大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则称该信号为超宽带信号。2002年2月14日，美国联邦通信委员会(FCC)批准UWB技术用于民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为-10dB带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号。超宽带通信是一种不用载波，而通过对具有很陡上升和下降时间的脉冲进行调制(通常，脉冲宽度在0.2-1.5ns之间)的一种通信，故也称之为脉冲无线电、时域或无载波通信。2002年4月，FCC规定UWB通信系统可使用的频段为3.1GHz-10.6GHz。由于UWB与其它现存的传统无线电技术共享频带，因此为了避免UWB通信与其他现有通信系统(如WLAN、移动蜂窝系统、GPRS等)之间的相互干扰，FCC对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3dBm/MHz，具体如图2.1所示。图2.1FCC建议的UWB频谱模板图超宽带技术与常规无线通信技术(如窄带通信技术、常规扩频通信技术和OFDM技术等)有着本质的区别：超宽带技术以时域窄脉冲为信息载体，依赖于脉冲串传递信息，采用基带信号直接激励天线发射超短时宽冲激脉冲。超宽带技术的理论基础是香农信息理论：SCWlog21(2-19)NS即：在信噪比很低的情况下，只要传输带宽W足够宽，仍可以获得高信道容量NC。 第二章基本理论概述132.2.2高斯脉冲信号由于超宽带系统以窄脉冲为信息载体，因此脉冲信号的波形特征会直接影响信号的传递性，进而影响整个系统的性能。所以，对脉冲波形的研究成为设计超宽带天线的关键所在。通常，脉冲的选择和设计要从两个方面考虑：一是要使发射功率谱密度满足FCC频谱密度要求；二是要尽可能地提高频谱利用率。超宽带信号可以选择的窄脉冲形式有多种，如高斯脉冲、Hermite多项式脉冲、高斯包络正弦脉冲、三角包络正弦脉冲等，可以根据不同的实际需要，选择不同的脉冲形式。其中，高斯脉冲具有和实际脉冲极其相似的波形形状，同时高斯信号的时域波形及其对应的频谱分布都有明确的解析表达式，可使问题的分析大大简化并能实现仿真结果的定量分析，因此早期超宽带天线的激励大都采用单周期的高斯脉冲及其微分形式。高斯信号是超宽带无线电系统中一种非常重要的信号形式，其定义为nn!n2dt/2gte(2-20)nnn!dt式中，n0,1,2,，n是高斯信号的阶数，是衡量脉冲宽度的时间常数。对式(2-20)进行傅里叶变换可得高斯信号gt所对应的频谱函数G为nnnn!2n2/22Gje(2-21)nn!对上式进行微分运算，令dGnnn1/22nn/2220jneje/2(2-22)d由此可得高斯信号谱密度最大值对应的角频率和频率f分别为：cc2n(2-23)c2nf(2-24)c2若已知信号所占的频谱宽度和f，则能确定符合要求的高斯脉冲时间常数为c2n(2-25)2fc将式(2-21)中的信号频谱密度归一化后可得功率谱密度 14宽带圆极化及超宽带印刷天线设计2e/2n0nUe2(2-26)2n/2e42f2n0c图2.2中绘制了0.3ns时，高斯脉冲于不同阶数下的频谱图和信号波形，为了方便比较，图中的幅度经过了归一化处理。从图中可以看出，高斯信号的时域总宽度约为4，功率谱函数随着阶数n的增大，信号的高频功率谱密度也增大。高斯脉冲除了可以单独使用，在UWB系统的波形设计中，还可以利用高斯脉冲和其各阶导数的线性组合在全频段逼近FCC所规定的辐射掩蔽。(a)(b)图2.2高斯脉冲信号的时域波形及频谱图，(a)高斯脉冲及其各阶导数时域波形，(b)高斯脉冲及其各阶导数频谱图 第二章基本理论概述152.2.3UWB技术的特点与传统的无线通信技术相比，UWB通信技术具有以下特性：1.传输速率高超宽带系统使用超宽频带传输信号，即使发射信号的功率谱密度很低，信息速率仍可高达几十Mbps到几百Mbps。2.保密性好UWB系统采用跳时扩频，接收机只有在已知发送端扩频码时才能解出发射数据。此外，UWB系统的发射功率谱密度极低，使得UWB信号隐蔽性好，不易被截获，保密性高。3.系统容量大UWB通信系统所发送的冲激脉冲占空比很低，采用跳时(TH)地址码进行调制，易于组成类似于CDMA系统这样的移动通信网络，具有较高的处理增益和较强的多径分辨能力，用户的数量可以大大多于CDMA网络。4.共存性好由于超宽带无线通信系统具有极低的辐射谱密度，相对于传统窄带系统，超宽带信号的谱密度甚至低于背景噪声，超宽带信号对窄带系统的干扰可以当作宽带白噪声。所以超宽带系统和窄带系统的共存性好，这有益于提高日趋紧张的频谱资源利用率。5.抗干扰能力强UWB系统的处理增益较高，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声；在接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。所以在同等码速条件下，UWB的抗干扰性能更强。6.多径分辨能力强超宽带发射的是占空比较低的单周期脉冲，由于脉冲多径信号在时间上不重叠，所以容易将多径分量分离出来以提高发射信号能量的利用率。实验表明，在对常规信号多径衰落高达10-30dB的多径环境，超宽带信号的衰落小于5dB。7.穿透能力较强大量的实验证明，超宽带信号穿透障碍物和树叶的能力较强，有望改变以往短波信号不能在丛林中有效传播这个现状。此外，利用超宽带技术还能够实现隔墙成像。8.适合短距离通信根据FCC的规定，3.1-10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于窄带系统，而且随传播距离的增大，信号功率会不断衰减，高频信号会迅速衰落，这将 16宽带圆极化及超宽带印刷天线设计导致超宽带信号的失真，进而将严重地影响系统的性能。所以，超宽带系统尤其适用于短距离无线通信。9.定位精度高信号的定位精度与其带宽直接相关，超宽带信号的带宽一般在500MHz以上，远远高出一般的无线通信信号，因此超宽带系统的定位精度较高，穿透能力较强。所以，采用UWB无线通信将很容易把通信和定位合二为一，这是常规无线通信很难做到的。10.功耗低、辐射小UWB系统扩频增益大，系统设备发射功率低，系统功耗小，耗电量只有几十毫瓦，这样能大大延长电源工作时间。此外，较低的辐射功率能够有效降低电磁波对人体的辐射。11.系统结构实现较为简单超宽带通信通过发送脉冲传递数据信号，在发射端无需混频器和功率放大器，在接收端，也不需要进行中频处理。因此，超宽带系统结构实现起来较为简单。2.2.4超宽带天线及其两个特性参数超宽带天线顾名思义就是带宽很宽的天线，根据FCC的规定，只要相对带宽大于20%或绝对带宽大于500MHz的天线都称之为超宽带天线。超宽带天线不同于传统窄带天线，不应该仅仅从带宽角度来衡量它是否适合传输超宽带信号，要更多的从时域特性对其进行考虑。保真性是超宽带天线最为重要的一个时域特性，通常定义其为归一化的输入电压和远场区归一化电场的最大相关性。因此，对于超宽带天线来说，固定的相位中心和群时延是非常重要的两个电指标，他们决定着超宽带天线的性能。1.相位中心UWB通信系统采用纳秒至皮秒级的非正弦脉冲进行通信，因此UWB天线相位中心的微小抖动也会对远场区相位的一致性造成很大影响，从而导致时域波形的严重失真。要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。2.群时延群时延是指由于分布参数的存在，在信号的传输过程中，传输系统的特性参数不是纯阻的，而是由电感、电容和电阻组成的网络，是非线性的，因此信号在同一介质中传输时不同的频率分量到达的时间不同，即各频率分量存在相位差。在天线的工作频段内，波形失真随着相位差的增大而加剧，所以要求群时延特性稳定在某个恒定数值，只能在小范围内波动。综上，相位中心和群时延是UWB天线所特有的两个性能参数，他们都能表 第二章基本理论概述17征UWB天线不失真地收发时域短脉冲信号能力的强弱。2.2.5超宽带天线的辐射及传输特性1.辐射特性天线作为能量转换器，应具有较高的能量转换效率。为了研究天线的辐射特性，我们采用转换的方法，即把天线等效为内阻抗为Z的端口器件，将天线的转a换效率问题转化为天线的端口阻抗与传输特性阻抗的匹配问题。图2.3给出了天线的等效模型。图2.3天线的等效模型如图所示，天线的等效阻抗可表示为：ZaRajXaRrRljXa(2-27)式中，R为辐射电阻，R为损耗电阻，他们分别反映辐射和损耗的能量，X为rla电感和电容两部分的阻抗，反映天线的储能特性。如果导体的电阻损耗可以忽略不计，则天线端口匹配越好，天线辐射效率就越高。一般要求天线端口的反射损耗和电压驻波比满足如下关系：S10dBorVSWR2.0(2-28)11此外，假设天线在远区场的辐射传递函数为H,,，则它与电流信号和rad空间场的频谱应满足如下关系：Er,Hrrad,,(2-29)I2.传输特性信号传输系统由信号源、收发天线及信号匹配传输电路组成，天线的辐射、接收过程可分为馈入、辐射、传播、接收及激励终端负载几个过程，每个过程的传输函数分别如图2.4所示。 18宽带圆极化及超宽带印刷天线设计图2.4天线的辐射接收过程则整个系统的传输函数可表示如下：jHHeHHHHHfeedradproprecload(2-30)式中，H为系统的幅频响应，为系统的相频响应。已知自由空间传播函数jr/ceH(2-31)propr由图2.3天线的等效模型可得馈入函数1H(2-32)feedZZsa负载输出函数1H(2-33)loadZZLa为保证信号无失真传输，必须使馈入和输出传递函数的幅频响应为常数，相频响应为频率的线性函数。在实际的超宽带系统中，激励源的内阻和负载阻抗通常为纯电阻，即Z和ZSL满足如下关系：ZZR(2-34)SL且激励源内阻、天线的等效阻抗、负载阻抗满足下列关系：**ZZ，ZZ(2-35)saaL将式(2-34)和(2-35)带入式(2-32)和(2-33)得：1HH(2-36)feedload2R上式表明，Hfeed和Hload的幅频响应为常数。此时，激励电压的波形和天线上电流、负载上电流以及电动势的波形一致，负载获得最大的输入功率，从而使系统获得高的传输效率。系统的传输效率具有如下表示形式： 第二章基本理论概述1922PIZIV2lLLLsZLHZsZaZL(2-37)PVIVIsssss对上式在整个频域内积分，并将信号无失真条件式(2-34)和(2-35)带入，化简得：2P1H,,H,,lradrec(2-38)2P8Rrs如果H和H的值也为常数，即也满足信号无失真传输条件，则可进一步radrec保证UWB信号的无失真传输。此外，H和H是角度的函数，要想UWB信radrec号在任意空间方向上都能无失真传输，H和H需要与角度无关，缩小天线尺radrec寸使天线小型化有助于改善这个问题。[46,51,52]§2.3圆极化天线理论极化是天线的一项重要特性，关系到无线电设备的性能，实际使用天线常常要对极化方式提出要求。圆极化天线由于具有众多线极化天线不可比拟的优点，被广泛应用于无线通信系统。2.3.1天线的极化天线在某个方向的极化对于发射天线来说是指天线在该方向所辐射电波的极化，对于接收天线来说是天线在该方向接收获得最大接收功率，即极化匹配时入射平面波的极化。天线的极化与所论空间有关，我们通常所说的极化是天线在最大接收方向或最大辐射方向上的极化。波的极化指的是无线电波的特定场矢量的极化，工程上通常用电场矢量端点每周期内在空间描绘的轨迹来表示波的极化。沿z方向传播的无衰减均匀平面波的瞬时电场可表示为：jtkzzt,ReEe(2-39)可将其在垂直于传播方向的平面(极化平面)内分解为两个垂直的分量，即：zt,,,xxyztyzt(2-40)其中jtkzxzt,ReEexmExmcostkzx(2-41)jtkzyyzt,ReEemyEmcostkzy(2-42)E和E分别是电场的x分量和y分量的复振幅值，和是初始相位。由互xmymxy相垂直的两个场分量的相位和振幅之间的关系，可将极化分为线极化、圆极化以 20宽带圆极化及超宽带印刷天线设计及椭圆极化。1.线极化当nn0,1,2,时yxzt,cxExmxostkzyEymycostkz(2-43)此时合成场的振幅为：22zt,cExmyEmostkzx(2-44)合成场的矢量方向与x轴夹角为：Eymarctan(2-45)Exm由此可见，该合成电场矢量的方向与x轴夹角是一个不随时间变化的常数，故其电场矢量端点的轨迹是一条直线，我们称这种极化波为线极化波。辐射线极化波的天线称为线极化天线，电基本振子、对称振子等线天线都是线极化天线。此外，根据线极化电场和反射面或地面的关系，或线极化电场与入射面(入射线与反射面法线所构成的平面)的关系，线极化波又可分为垂直极化波(电场矢量在入射平面内)和水平极化波(电场矢量垂直于入射平面)。2.圆极化12n右旋2当，EEE，n0,1,2,时，合成xmym0yx12n左旋2电场矢量的方向与x轴夹角：yarctantkzx(2-46)x由此可见，该合成电场矢量的方向与x轴夹角是一个随时间变化的变量，故其电场矢量端点的轨迹是一个圆，我们称这种极化波为圆极化波。辐射圆极化波的天线称为圆极化天线，如轴向模螺旋天线。3.椭圆极化12n右旋2当，EE且，n0,1,2,xmymyx12n左旋2或 第二章基本理论概述21n0右旋yx，n0,1,2,20左旋不管E是否等于E，合成电场矢量端点的轨迹都是一个倾斜的椭圆，如xmym图2.5所示，我们称这种极化波为椭圆极化波。辐射椭圆极化波的天线称为椭圆极化天线。图2.5电场矢量的极化椭圆2.3.2圆极化波的参数1.圆极化波的旋向圆极化波是指两个矢量的合成矢量端点描绘的轨迹是个圆或是椭圆度不大的椭圆，由于该合成矢量是旋转的，所以必须对圆极化波的旋向做出规定。对于圆极化波的旋向是这样规定的：沿传播方向观察，电场矢量顺时针方向旋转，称为右旋圆极化波，电场矢量反时针方向旋转，称为左旋圆极化波。此外，合成矢量的旋转方向总是从超前矢量方向转向落后矢量方向。对椭圆极化波电场矢量端点轨迹旋向的规定与圆极化波相同。2.椭圆极化波的倾角椭圆极化波的倾角定义为极化椭圆的长轴与平行于地面的x轴的夹角，用来表示：12EExmymarctancos()(2-47)222EExmym3.椭圆极化波的轴比椭圆极化波的轴比定义为极化椭圆的长轴与短轴之比，用AR来表示： 22宽带圆极化及超宽带印刷天线设计OAAR1AR(2-48)OB其中1224422OAEEEE2EEcos(2)(2-49)2xmymxmymxmym1224422OBEEEE2EEcos(2)(2-50)2xmymxmymxmym圆极化和线极化是椭圆极化的两个特例。当n(n0,1,2,)时，长轴22OAEE，短轴OB0,轴比AR,椭圆极化退化为线极化，极化方xmym1向与x轴的夹角。当EE，(2n)时，OAOB，轴比AR1，xmym2椭圆极化退化成圆极化。2.3.3圆极化波的产生使天线产生圆极化波常用的方法有：1.直接产生法：靠天线本身的结构产生圆极化波，例如螺旋天线。2.线-圆极化转换器法：靠微波元器件形成圆极化导波，然后馈入天线辐射出圆极化波。3.线-圆极化转换罩法：在线极化天线的辐射部分通过极化转换天线罩，将线极化的电磁波转换为圆极化的辐射波。4.双线极化正交激励法：采用将一个线极化信号通过90°电桥的方法将其分配成幅度相等相位相差90°的两路信号，然后分别激励一个双线极化天线的两个正交极化的输入端，从而形成圆极化辐射。2.3.4圆极化波的特性圆极化波的主要性质有：1.圆极化波的场是一个等幅的瞬时旋转场。2.任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波，例如：一个线极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。所以任意极化形式的来波都能由圆极化天线收到，圆极化天线辐射的圆极化波也能由任意极化的天线收到，故圆极化天线被普遍应用于电子侦察和电子对抗。3.一个圆极化波可以分解为两个在时间和空间上均正交的等幅线极化波。由此可知，实现圆极化的基本原理是：产生两个在空间上正交、振幅相等、相位相差90°的线极化电场分量。 第二章基本理论概述234.圆极化天线具有旋向正交性：天线若辐射左旋圆极化波则它只能接收左旋圆极化波，而不能接收右旋圆极化波；相反，天线若辐射右旋圆极化波则它只能接收右旋圆极化波，而不能接收左旋圆极化波。5.圆极化波入射到对称目标(如球面、平面)时，反射波变为反旋向的(右旋变左旋，左旋变右旋)。故圆极化天线不能接收到由对称目标反射回来的自身的反射信号。6.当圆极化波辐射到非对称目标(如飞机、导弹)时，其反射波通常是椭圆极化波，可以分解为两个幅度不同，旋向相反的圆极化波或两个幅度和相位均不同的正交线极化波。故圆极化天线只能接收到同旋向的反射圆极化波分量，而线极化接收天线则只能接收到相应的线极化分量。鉴于以上特性，圆极化天线已获得了广泛应用，也正是这些应用的需要推动着天线圆极化技术的不断发展。 24宽带圆极化及超宽带印刷天线设计 第三章超宽带印刷天线研究25第三章超宽带印刷天线研究[摘要]：本章对适用于无线通信系统的超宽带印刷天线进行了研究，设计了一个超宽带印刷开口缝隙天线。着重讨论了增加的矩形辐射贴片对其频带特性的影响，并加工制做了天线实验模型。实验结果表明，天线的实测结果与仿真结果吻合良好，可满足超宽带无线通信系统的应用要求。§3.1引言近几十年来，随着科学的进步，各种新技术和新发明不断涌现，现代无线通信系统得以快速发展，天线作为无线通信系统不可或缺的关键部件，面临着不断提出的各种要求。一方面天线不仅需要满足越来越苛刻的几何尺寸要求，另一方面还必须能工作在很宽的频带上，以顺应电子设备小型化和宽频带的发展趋势。因此，设计结构紧凑、易与终端共形、具有良好电性能的超宽带天线成为天线设计领域的一个热点。本章设计了一种超宽带印刷天线，该天线结构紧凑，工作带宽较宽，可以完全覆盖UWB应用所需要的3.1-10.6GHz频段，能够满足多种无线通信终端设备的使用要求。§3.2开口缝隙天线设计本章设计了一种印刷开口缝隙天线，该天线通过在圆形辐射贴片上增加一个矩形贴片获得了较宽的阻抗带宽，实现了UWB频段的有效覆盖，天线在整个工作频段内具有良好的辐射性能，适合应用于短距离无线通信领域。3.2.1天线结构模型与设计文献[53]中提出一种结构如图3.1所示的天线，其阻抗带宽相对较窄，不能完全覆盖UWB频段。为了展宽其阻抗带宽，在它的圆形辐射贴片上增加一个矩形贴片(L×W)，得到一个新的印刷开口缝隙天线，该天线经过优化设计，其阻抗带宽能完全覆盖UWB频段。图3.2给出了该印刷开口缝隙天线的结构示意图。如图所示，天线的整体尺寸为35mm×20mm，选用的介质基板的相对介电常数为4.4，厚度为0.8mm。r该天线采用微带线馈电，微带线的长度和宽度分别为19.5mm和1.53mm，微带线的一端与辐射贴片相连以改善阻抗匹配，另一端与一个50的SMA型同轴连接 26宽带圆极化及超宽带印刷天线设计器相连。图3.1文献[53]中的天线结构图38L43519.5图3.2印刷开口缝隙天线结构图图3.3给出了该印刷开口缝隙天线在2.6GHz、4.0GHz、7.5GHz和9.2GHz频点处的表面电流分布。图3.4给出了该印刷开口缝隙天线在有矩形贴片和无矩形贴片时回波损耗随频率的变化曲线。如图所示，天线在无矩形贴片时的阻抗带宽为4.00-8.10GHz，相对带宽为68%，天线在有矩形贴片时的阻抗带宽为2.57-14.23GHz，相对带宽为139%。在整个天线设计中，L和W是影响天线阻抗带宽最为重要的两个设计参数，通过合理选择L和W的值，能有效展宽天线的阻抗带宽。图3.5给出了参数L和W对印刷开口缝隙天线回波损耗的影响曲线。如图所示，当W的取值固定时，随L取值的增大，高频段的回波损耗出现了恶化，随L取值的减小，低频段和高频段的回波损耗同时出现了恶化；当L的 第三章超宽带印刷天线研究27取值固定时，随W取值的增大，高频段的回波损耗出现了恶化，随W取值的减小，低频段的回波损耗出现了恶化。通过参数分析可知，L=7mm，W=5mm时，天线获得最宽的阻抗带宽。-图3.3印刷开口缝隙天线在不同频点的表面电流分布0510152025ReturnLoss(dB)3035SimulatedwitharectangularstubSimulatedwithoutarectangularstub4023456789101112131415Frequency(GHz)图3.4天线在有矩形贴片和无矩形贴片时回波损耗随频率的变化曲线 28宽带圆极化及超宽带印刷天线设计0510152025ReturnLoss(dB)30W=3mmW=5mm35W=7mm4023456789101112131415Frequency(GHz)(a)0510152025ReturnLoss(dB)L=5mm30L=7mmL=9mm354023456789101112131415Frequency(GHz)(b)图3.5参数L和W对印刷开口缝隙天线回波损耗的影响，(a)参数W对天线回波损耗的影响(L=7mm)，(b)参数L对天线回波损耗的影响(W=5mm)3.2.2实验验证根据设计结果加工制作了天线模型，图3.6给出了该超宽带印刷天线模型的照片。天线模型制作在厚度为0.8mm、相对介电常数4.4的介质基片上，微带r线终端与一个SMA连接器相连。对该天线模型，我们用矢量网络分析仪进行了实测。图3.7给出了该印刷开口缝隙天线反射系数的实测结果，也给出了AnsoftHFSS的仿真结果进行对比。可以看出，天线反射系数的实测曲线与仿真曲线基本吻合，两者存在的偏差可能由加工误差、测量环境和环氧树脂板的介电常数不恒定等引起。实测结果表明， 第三章超宽带印刷天线研究29天线模型的工作频带为2.57-14.23GHz，相对带宽为139%，满足UWB通信系统对工作带宽的基本要求。图3.6印刷开口缝隙天线的实物照片0-5SimulatedwitharectangularstubMeasuredwitharectangularstub-10-15-20S11(dB)-25-30-35-4023456789101112131415Frequency(GHz)图3.7印刷开口缝隙天线的反射系数曲线87654Gain(dBi)321023456789101112131415Frequency(GHz)图3.8印刷开口缝隙天线的增益曲线 30宽带圆极化及超宽带印刷天线设计图3.8给出了该印刷开口缝隙天线的增益曲线。可以看出，在整个工作频带内，天线模型的最小增益为1.58dBi，最大增益为5.12dBi，增益的变化量小于等于3.54dBi。图3.9给出了该印刷开口缝隙天线的群时延曲线，由图可知，天线具有较好的群时延特性。543210GroupDelay(ns)-1SidetosideFacetoface-2-323456789101112131415Frequency(GHz)图3.9印刷开口缝隙天线的群时延曲线0000-1031545-1031545-20-20-30-30-4027090-4027090-30-303GHz3GHz6GHz6GHz-209GHz-209GHz-10225135-1022513500180180(a)(b)00-1031545-20-30-4027090-303GHz6GHz-209GHz-102251350180(c)图3.10印刷开口缝隙天线的辐射方向图，(a)xoy面，(b)xoz面，(c)yoz面 第三章超宽带印刷天线研究31图3.10分别给出了该印刷开口缝隙天线在3GHz、6GHz和9GHz频点处的远场辐射方向图。可以看出，天线的E面方向图具有不对称性，这是由天线本身不对称结构决定的，H面方向图低频近似全向，高频受到一定影响。以上结果表明，该印刷开口缝隙天线具有良好的电性能。§3.3小结本章设计了一种适用于无线通信系统的超宽带印刷天线，着重分析了增加的矩形辐射贴片对天线频带特性的影响。实验结果表明，本章设计的超宽带印刷天线具有良好的频带和辐射特性，满足UWB系统对终端天线的要求。 32宽带圆极化及超宽带印刷天线设计 第四章宽带圆极化印刷天线研究33第四章宽带圆极化印刷天线研究[摘要]：本章主要研究天线的圆极化技术，针对圆极化天线在无线通信系统中的应用，本章设计了一个微带线馈电的宽带圆极化印刷天线。着重讨论了天线的结构和主要设计参数对其频带特性的影响，并加工制做了天线实验模型。实验结果表明，所设计的天线性能良好，满足设计要求。§4.1引言天线作为无线电系统的关键部件，对通信系统性能的优劣起着至关重要的作用。随着卫星通信、雷达、遥测、遥控技术的发展，单一极化方式已很难满足要求，圆极化天线的应用显得越来越重要。此外，在实际应用中不仅要求圆极化天线满足足够的阻抗带宽和轴比带宽，还要求其具有小型化等特点，以使系统集成度更高，结构更为紧凑。因此，设计尺寸小、结构简单、易与终端共形的宽带圆极化天线成为当前国内外天线领域的重要研究课题之一。本章针对现代无线通信应用，设计了一种宽带圆极化印刷天线，该天线结构紧凑，具有宽的轴比带宽以及良好的圆极化辐射特性。§4.2圆极化印刷天线设计本章设计了一种圆极化印刷天线，该天线采用不对称地板获得了较宽的轴比带宽，通过在不对称地板上蚀刻一个小矩形槽，使天线的阻抗带宽得到较大改善，进而使天线同时具有宽的阻抗带宽和轴比带宽，且在整个轴比带宽内天线的回波损耗小于10dB。4.2.1天线结构模型与设计图4.1给出了该宽带圆极化印刷天线的结构示意图。如图所示，该天线由一个馈线和一个地板构成，天线的整体尺寸为22mm×16mm，选用的介质基板的相对介电常数为4.6，厚度为1mm。该天线采用微带线馈电，馈线的一端与一个r50的SMA型同轴连接器相连。该天线通过在矩形地板(对称地板)左上角蚀刻一个矩形槽Notch-B，即不对称地板获得了圆极化辐射波。图4.2给出了一个参考天线采用对称地板和不对称地板时轴比随频率的变化曲线，由图可知通过采用不对称地板，参考天线的圆极化特性得到了较大改善。 34宽带圆极化及超宽带印刷天线设计图4.1宽带圆极化印刷天线结构图7060a:symmetricgroundplane50b:asymmetricgroundplane4030AxialRatio(dB)201005.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.2参考天线采用对称地板和不对称地板时轴比随频率的变化曲线(a)(b)图4.3参考天线采用对称地板和不对称地板时在7GHz频点处的表面电流分布(a)对称地板，(b)不对称地板 第四章宽带圆极化印刷天线研究35图4.3给出了参考天线采用对称地板和不对称地板时在7GHz频点处的表面电流分布。图4.4给出了宽带圆极化印刷天线在7GHz频点处，t0,90,180,270时的表面电流分布。如图所示，对称地板上的电流可分解为水平和垂直分量，其中垂直分量电流方向相同，水平分量可分解为电流方向反向的左向和右向水平分量，水平分量因反向抵消而大大衰减，使其电流幅度远小于垂直分量电流幅度，所以对称地板不能产生圆极化辐射波；不对称地板上的水平分量电流方向相同，垂直分量电流方向也相同，因此可以通过调节地板的不对称程度获得两个相互正交、幅度相等、相位相差90°的电流分量，所以不对称地板能产生圆极化辐射波。图4.4宽带圆极化印刷天线在7GHz频点处的表面电流分布图4.5和图4.6分别给出了参数c和d对参考天线(采用不对称地板)轴比的影响曲线。由图可知，通过调节天线地板的不对称程度，即合理选择c和d的取值可以获得宽的圆极化带宽。 36宽带圆极化及超宽带印刷天线设计9c=6mm6c=7mmc=8mmAxialRatio(dB)305.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.5参数c对参考天线(采用不对称地板)轴比的影响(d=6mm)96d=5mmd=6mmd=7mmAxialRatio(dB)305.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.6参数d对参考天线(采用不对称地板)轴比的影响(c=7mm)该圆极化印刷天线通过采用不对称地板获得了较宽的轴比带宽，但其阻抗带宽相对较窄，不能完全覆盖其轴比带宽。为了展宽其阻抗带宽，在该不对称地板左上角蚀刻一个小矩形槽Notch-A。图4.7给出了宽带圆极化印刷天线在有Notch-A和无Notch-A时回波损耗随频率的变化曲线。由图可知，通过在不对称地板上蚀刻小矩形槽Notch-A，天线原有谐振频点附近形成了两个新的谐振频点，由于谐振交叠，天线阻抗带宽得到较大改善并能完全覆盖轴比带宽。图4.8和图4.9分别给出了参数m和n对宽带圆极化印刷天线回波损耗的影响曲线。由图可知，通过合理选择m和n的取值可以获得宽的阻抗带宽。图4.10给出了宽带圆极化印刷天线在有Notch-A和无Notch-A时轴比随频率的变化曲线。由图可知，通过在不对称地板上蚀刻小矩形槽Notch-A，天线轴比带宽也得到了一定改善。 第四章宽带圆极化印刷天线研究3705101520Returnloss(dB)25a:withnotch-Ab:withoutnotch-A30353.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.5Frequency(GHz)图4.7天线在有Notch-A和无Notch-A时回波损耗随频率的变化曲线05101520Returnloss(dB)25m=1mm30m=2mmm=3mm353.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.5Frequency(GHz)图4.8参数m对宽带圆极化印刷天线回波损耗的影响(n=4mm)05101520Returnloss(dB)25n=3mmn=4mm30n=5.5mm353.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.5Frequency(GHz)图4.9参数n对宽带圆极化印刷天线回波损耗的影响(m=2mm) 38宽带圆极化及超宽带印刷天线设计96a:withnotch-Ab:withoutnotch-AAxialRatio(dB)305.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.10天线在有Notch-A和无Notch-A时轴比随频率的变化曲线05101520ReturnLoss(dB)25W=1.5mm130W=2.0mm1W=2.5mm1353.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.5Frequency(GHz)图4.11参数W1对宽带圆极化印刷天线回波损耗的影响96W1=1.5mmW=2.0mm1W=2.5mm1AxialRatio(dB)305.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.12参数W1对宽带圆极化印刷天线轴比的影响 第四章宽带圆极化印刷天线研究3905101520ReturnLoss(dB)25L=20mm130L=21mm1L=22mm1353.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.5Frequency(GHz)图4.13参数L1对宽带圆极化印刷天线回波损耗的影响96L=20mm1L=21mm1L=22mm1AxialRatio(dB)305.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.14参数L1对宽带圆极化印刷天线轴比的影响除了设计参数c、d、m和n，馈线长度L1及宽度W1对天线性能的影响也较大。如图4.11、4.12、4.13和4.14所示，馈线宽度W1对宽带圆极化印刷天线轴比有较强影响，而馈线长度L1对天线回波损耗有较强影响。表4.1宽带圆极化印刷天线结构参数(单位:mm)WW1LL1Hmncd1622221112476天线经过建模、仿真及参数分析，优化设计出的最佳天线结构尺寸如表4.1所示。 40宽带圆极化及超宽带印刷天线设计4.2.2实验验证根据设计结果加工制作了天线模型，图4.15给出了该宽带圆极化印刷天线模型的照片。天线模型制作在厚度为1mm、相对介电常数4.6的介质基片上，r微带线终端与一个SMA连接器相连。对该天线模型，我们用矢量网络分析仪进行了实测。图4.16给出了该宽带圆极化印刷天线回波损耗的实测结果和仿真结果。如图所示，天线的实测阻抗带宽为4.06-10.02GHz，相对带宽为85%。图4.17给出了宽带圆极化印刷天线轴比的实测结果和仿真结果。由图可知，天线的实测轴比带宽为5.91-8.55GHz，相对带宽为37%。天线回波损耗和轴比的实测曲线与仿真曲线基本吻合，两者存在的偏差可能由加工误差、测量环境以及环氧树脂板的介电常数不恒定等引起。实测结果表明，天线模型同时具有宽的阻抗带宽和轴比带宽。图4.15宽带圆极化印刷天线的实物照片05101520Returnloss(dB)25Simulated30Measured353.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.010.5Frequency(GHz)图4.16宽带圆极化印刷天线的回波损耗曲线 第四章宽带圆极化印刷天线研究419Simulated6MeasuredAxialRatio(dB)305.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.17宽带圆极化印刷天线的轴比曲线0000-1031545-1031545-20-20-30-30-4027090-4027090-30-30-20-20-10225135-10225135001801800000-1031545-1031545-20-20-30-30-4027090-4027090-30-30-20-20-10225135-1022513500180180图4.18宽带圆极化天线在XZ面和YZ面的辐射方向图，(a)6GHz，(b)7GHz图4.18分别给出了宽带圆极化印刷天线在6GHz和7GHz频点处XZ面和YZ面实测和仿真辐射方向图。图4.19给出了宽带圆极化印刷天线在﹢Z方向和 42宽带圆极化及超宽带印刷天线设计﹣Z方向的增益曲线。如图所示，天线在Z﹤0的平面内辐射左旋圆极化波，在Z﹥0的平面内辐射右旋圆极化波，且天线的极化纯度较高，左旋圆极化波和右旋圆极化波的隔离度保持在较高的水平(大于15dB)。以上结果表明，该圆极化印刷天线在整个工作频段内具有良好的圆极化辐射特性。65inthe-Zdirectioninthe+Zdirection43Gain(dBi)2105.05.56.06.57.07.58.08.59.0Frequency(GHz)图4.19宽带圆极化印刷天线在﹢Z和﹣Z方向的增益曲线§4.3小结本章设计了一种宽带圆极化印刷天线，着重研究了天线的结构以及主要设计参数对天线性能的影响。该天线的实测阻抗带宽和轴比带宽分别为5.96GHz(4.06-10.02GHz)和2.64GHz(5.91-8.55GHz)，相对带宽分别达到85%和37%。该天线在整个工作频带内具有良好的圆极化辐射特性。 第五章结束语43第五章结束语[摘要]：本章对全文所做的工作进行了概括和总结，并指出了需要进一步研究的问题。§5.1论文研究的主要成果论文针对现代无线通信应用，设计了一个超宽带天线和一个宽带圆极化天线。文中详细阐述了天线的设计思想，并通过高频电磁仿真软件HFSSv11对天线进行了仿真分析和优化设计，得到了天线的最佳结构尺寸和最优性能指标。论文的研究工作和成果具体体现在以下几个方面：1.对超宽带天线进行了研究，设计了一款微带线馈电的超宽带开口缝隙天线，制作了天线模型并进行了测量。该天线通过在圆形辐射贴片上增加一个矩形贴片有效地展宽了天线的阻抗带宽，其实测阻抗带宽为2.57-14.23GHz，相对带宽达到了139%，在整个工作频带内天线具有良好的辐射性能。2.对圆极化天线进行了研究，设计了一款微带线馈电的宽带圆极化印刷天线，制作了天线模型并进行了测量。该天线采用不对称地板获得了较宽的轴比带宽，通过在不对称地板上蚀刻一个小矩形槽，天线的阻抗带宽获得较大改善，进而使天线同时具有宽的阻抗带宽和轴比带宽，其实测阻抗带宽和轴比带宽分别为5.96GHz(4.06-10.02GHz)和2.64GHz(5.91-8.55GHz)，相对带宽分别达到85%和37%。该天线在阻抗匹配良好的情况下实现了宽带圆极化辐射。§5.2需要进一步研究的问题尽管本文完成了相关课题的研究工作，对宽带圆极化及超宽带印刷天线的研究和设计取得了一定的成果，但相对于射电天文、现代雷达等电子设备对天线的高性能要求来说，本文的工作尚处于初级阶段，有待于深入研究。对此，下一步可展开如下研究工作：文中设计的超宽带天线适用于室内短距离无线通信系统。针对现代无线通信系统对终端天线小型化的要求，如何在减小空间占用的同时提高天线的辐射效率值得深入研究。文中设计的宽带圆极化天线具有双向辐射的方向图特性，且增益相对较低，如何设计定向高增益宽带圆极化天线是下一步要展开的工作。 44宽带圆极化及超宽带印刷天线设计 致谢45致谢回首我在西电攻读硕士的这三年时光，充满着欢欣鼓舞，伴随着苦闷彷徨，幸而有诸位良师益友的无私帮助和父母家人的默默支持，在此一一向他们表示深深的感谢。首先由衷地感谢导师焦永昌教授。感谢他过去三年在我学习上的指导以及生活上的关怀。本论文是在焦老师的耐心指导下才得以完成的，论文取得的每一点进展以及每一项研究成果都凝聚着焦老师的汗水和心血。焦老师为人正直、知识渊博、学风严谨，是我今后学习和工作中的榜样！与焦老师的相处虽然只有短暂的三年时间，但从他那我学习到了很多东西，都是我受用终生的财富。同时，衷心地感谢张福顺教授。张老师学识广博，平易近人，对工作具有极高的热情和高度的责任感，感谢张老师一直以来对我的关心、帮助和鼓励。感谢实验室的翁子彬、赵钢、张凡、王小明、林晨、谢欢欢、陈丽娜、张铮、冯聪、丁阳、费鹏、朱扬、弓金刚、李帆、陈月盈、任立石和邹荣等师兄和师姐对我的帮助和支持。感谢我的同学李维梅、张馨倩、叶冰、尼涛、周雷、韩雷、赵亮、权婷、张思明、任凤朝等对我的关心、帮助和支持，与他们相处的日子，值得我永远怀念。同时，感谢电子工程学院研2-109班的全体同学。感谢我的爱人张立，感谢他一直以来对我的关怀、理解和支持，给我不断前进的动力，使我在轻松愉快的氛围中顺利完成了论文。感谢所有认识我、关心我的人！最后，谨将本文献给我的父母，感谢他们多年来对我无微不至的关怀和教育，祝愿他们健康长寿。 46宽带圆极化及超宽带印刷天线设计