超宽带通信中的天线技术详细解析

电子工程师 2018-05-16 8405

RF/无线

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描述

中心论题：

分析超宽带天线性能和设计要求

介绍几种常用新型超宽带天线

解决方案：

要求超宽带天线频带宽，传输速率高、功率低、功耗小、定位准确、抗多径能力强

在色散，体积和方向性等方面对超宽带天线要求高

近几年来，超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。它起源于20世纪40年代，最初形式为脉冲无线通信，主要用于军事领域，20世纪90年代之后逐渐用于民用领域。所谓超宽带信号，就是要求任意相对带宽高出20%或者绝对带宽大于0.5GHz（FCC定义），其传输速率可超过100Mbit/s，并且满足FCC功率谱密度限制要求的信号，它的工作频段定义在3.1～10.6GHz。超宽带基带窄脉冲信号通信与通常的载波通信或扩频通信相比，超宽带无线通信系统除了具有高通信速率和超宽通信带宽外，还具有高保密性，耗电量低，抗多径衰落能力强，多址和穿透能力强等特点［1，2］。因此，超宽带技术在雷达跟踪、无线通信、穿透障碍物成像、武器控制系统、测距、精确定位等领域具有广阔的应用前景。

由于超宽带无线接入系统的辐射信号具有超宽频带和极低功率谱密度两大特点，这对超宽带无线系统接收系统性能要求非常高，其关键技术包括脉冲波形设计、调制/解调与多址技术、窄脉冲的快速捕获、同步与检测等。另外，超宽带（UWB）线的研究也是一个很重要的部分。UWB天线与常规意义上的宽带天线还是有着显著区别的。常规的宽带天线大都是非频变天线，因而并不适合于发射和接收UWB信号。对于UWB天线来说，固定的相位中心和低驻波电压比是非常重要的两个电指标，它们决定着UWB天线的性能。

本文将对超宽带天线的设计要求，性能作一一分析，并对现有的几种常用的超宽带天线和新型天线作简单的介绍。

天线的基本参数

天线作为发射和接受得能量转换器，有一系列的性能参数，其中有一些是比较基本的。

输入阻抗

天线馈电端口电压和电流之比称为天线的输入阻抗。定义为，

天线技术

（1）

其中，Pin是天线的输入功率，Iin是输入电流，Rin是输入电阻，Xin是为输入电抗。

天线带宽

在该频率范围内，一个选定的天线参数或者一组天线参数的改变是可以接受的。有方向带宽、增益带宽、输入阻抗带宽等，用的较多的是输入阻抗带宽。它指的是天线与传输阻抗相匹配，反射功率小于10%时的带宽。对于超宽带天线，其阻抗带宽要求7.5GHz。

方向系数、效率和增益

在相同的输入功率下，某天线产生于某点的电场强度的平方（）与无耗理想点源天线产生在同一点的电场强度的平方（）的比值，称为在该点方向的增益，通常用G表示：

天线技术

（2）

天线的方向系数是指在相同的辐射功率下，某天线的产生于某点的电场强度的平方与点源天线产生在同一点的电场强度的平方的比值，通常用D来表示：

天线技术

（3）

通常以天线在最大辐射方向的增益作为这一天线的增益，以天线在最大辐射方向的方向性系数作为这一天线的方向性系数。天线增益（G）和方向性系数（D）是两个相互紧密联系的物理量，其关系为

G=η.D　（4）

其中η是天线的效率，它是天线辐射功率和输入功率的比值，即

天线技术

（5）

天线的效率表示天线在能量变换上的效能。

超宽带天线的要求和研究

UWB脉冲通信和传统的无线通信的调制传输技术有着根本的区别。首先要求其频带宽，传输速率高；其次是要求功率低，功耗小；再次要求它定时定位准确，抗多径能力强。除此以外，由于超宽带系统的特点，对超宽带天线的特性又提出了不同于一般天线的要求：

（1）根据FCC的要求，天线要能覆盖3.1～10.6GHz的频带宽度。

（2）它不是一种简单接受单频带信号的天线，而是一种典型的多个窄频带天线。

（3）对天线的色散要求很高。

（4）主要应用在短距离通信中，对体积和方向性有较高的要求。

为实现天线的宽带化，已有许多成熟的技术措施，这些技术有些适合线天线，有些适合面天线，有些两者都适用：机电结合的方法、加载的方法、阻抗匹配网络、综合方法。

目前，人们在研究设计超宽带时往往是先想办法展宽其频带，从而设计出普通的宽带天线，然后再去分析其频域和时域特性，以验证其性能是否优良，进而适用于超宽带系统。人们采用这些基于传统理论的方法也设计出了许多性能优良的超宽带天线。

几种超宽带天线

目前超宽带天线主要有TEM喇叭、偶极子、螺旋天线、双锥天线、Vivaldi天线等等，他们性能各异，原理不同。下面对其中几个做简单的介绍。

偶极子天线

偶极子天线是最基本的天线，本质上是窄带天线，但是可以通过加载等技术措施显著展宽它的工作频带。偶极子加载可以是阻抗加载，也可以是电抗加载，可以连续加载，也可以离散加载，目的是使天线单位长度上的阻抗沿天线臂按指定规律变化。1965年，Wu和King提出对偶极子天线进行连续阻性加载，并因此在很宽一个频段内获得了天线上的外向行波，该天线被称为Wu-King偶极子天线。一般偶极子天线只作接受天线。

TEM喇叭天线

TEM喇叭天线的基本结构是由相互间有一张角的两个三角形金属板组成。TEM喇叭天线广泛的被使用在UWB应用中。它具有良好的阻抗特性和波形保真性。可以通过增加喇叭长度，加大喇叭张角，喇叭的波阻抗就更接近自由空间波阻抗，口面的反射将减小，脉冲波形的失真亦随之减小。TEM喇叭天线的增益范围5～15dB，这个范围使用于定向基站天线的应用［3］。

双锥形天线

1943年，Schelkunoff提出了如图1所示的双锥形天线［4］。双锥形天线及其他的变形的天线，包括盘锥形线广泛的应用在超宽带领域。

双锥形天线的振子直径与其相应的两臂间的距离保持为一个常数，可使沿线各点的特性阻抗不变，当天线无限长时，其输入阻抗就等于振子的特性阻抗，这时天线电特性与频率无关。双锥形天线的阻抗仅与锥角的大小有关。当锥角接近90°时，天线的输入电阻近似为50Ω，天线可以获得很宽的阻抗带宽。

Vavaldi天线

Vivaldi天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，由Gibson于1979年提出［5］。它的槽线呈指数规律变化，将介质板上的槽线宽度逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收的电磁波。在不同的频率上，它的不同部分发射或接收电磁波，而各个辐射部分相对于对应的不同频率信号的波长的电长度是不变的。在设计频段内具有相同的波束宽度。此外，它还具有良好的时域特性，时域接收波形具有非色散特性，因此它是一种非常有潜力的超宽带天线。

超宽带新型天线

随着UWB系统的民用化，越来越多的UWB设备用于短距离无线通信，这种设备通常体积小，要求天线的结构简单、尺寸小、成本低。近年来对应用在短距离无线通信的天线研究比较多，出现了很多新型的UWB天线。

微带天线

微带天线具有小尺寸、易于加工、易于有源器件集成等优点，但是它具有一个最明显的不足就是它的窄带特性。为了满足超宽带天线的要求，发展了特殊的微带天线。

采用微带天线来实现UWB天线，基本的方法是采用印刷单极子天线或者变形的印刷偶极子天线。

印刷单极子天线有多种结构，如三角形、圆形、椭圆形等，还有一些分形结果的特殊形状。变形的偶极子天线的阻抗和带宽与振子的宽度有很大的关系，采用印刷偶极子天线，可以将天线的振子做成平面的，同时控制天线与馈线之间的连接部分，进行阻抗的匹配，达到展宽频带的目的。采用这种方法可以得到方向图和反射系数都比较满意的结果。文献［6］提出了一种矩形单极子形式的微带天线。

缝隙UWB天线

缝隙天线是一种基本的天线形式，是在金属上刻槽，采用同轴线。微带线、波导等方法进行激励，从而产生辐射。缝隙天线在微波断代替振子天线解决振子太小，制作和馈电困难的缺点。

通过缝隙天线来实现UWB带宽，它的基本原理是，使用椭圆、圆、矩形等特殊的宽缝隙，采用宽带馈电的方法，实现超宽带性能。缝隙天线的带宽和缝隙的性状大小有很大的关系。当使用宽矩形缝隙的时候，缝隙的长宽比对天线的带宽有很多的影响，而椭圆缝隙的长短轴比对带宽的影响较大。

总结和展望

通过对超宽带天线的研究可以知道，其中还存在一些困难。如在超短脉冲发射中，如何避免振铃现象。另外，超宽带天线种如何保持整个带宽的恒定增益、提高天线效率、提高天线增益、展宽天线工作频段也是具有挑战性的工作。

虽然目前超宽带天线的发展面临诸多挑战，但是，我们有理由相信，在未来几年将会有更大的突破。在民用超宽带和移动式通信设备种超短带天线的发展也会朝着小型化、高效率、稳定增益、宽频带、超短快速脉冲响应的方向发展。

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