超寬帶天線及其陣列研究.pdf

1、超寬帶(Ultra-wideband UWB)無(wú)線通信系統(tǒng)中的天線技術(shù)是本文的研究?jī)?nèi)容。UWB技術(shù)是目前短距高速無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有力競(jìng)爭(zhēng)方案，該技術(shù)固有的特點(diǎn)及其特定的應(yīng)用場(chǎng)合決定了UWB天線在電特性和物理特性上均有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶天線。作為有效完成極窄時(shí)域脈沖信號(hào)輻射和接收的關(guān)鍵性部件，UWB天線的性能也直接制約著整個(gè)LJWB系統(tǒng)的性能。因此，開(kāi)展UWB天線設(shè)計(jì)理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)的研究不僅具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值，同時(shí)也有相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義

2、。 本文的研究圍繞UWB天線單元及其陣列設(shè)計(jì)展開(kāi)，研究?jī)?nèi)容集中于天線設(shè)計(jì)的基本理論、新型天線結(jié)構(gòu)、分形與天線設(shè)計(jì)的結(jié)合方法以及UWB天線陣列四個(gè)方面，主要貢獻(xiàn)如下： 本文通過(guò)深入分析脈沖信號(hào)輻射的基本理論，提煉出UWB天線的設(shè)計(jì)要求，并給出消除脈沖振鈴、實(shí)現(xiàn)較好端口匹配的天線設(shè)計(jì)思路。通過(guò)對(duì)寬帶脈沖信號(hào)和窄帶信號(hào)輻射特性的分析，掌握輻射和接收過(guò)程中脈沖波形畸變和振鈴的產(chǎn)生機(jī)理以及制約高性能UWB天線實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)因素，并定

3、義相關(guān)參數(shù)以量化波形的失真性能。通過(guò)綜合考慮UWB系統(tǒng)對(duì)天線的電性能和物理性能要求，指出UWB天線應(yīng)當(dāng)著重研究其在極大阻抗帶寬、線性相頻響應(yīng)以及低剖面小型化三個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 本文解決了橢圓類偶極天線在寬帶饋電方面存在的問(wèn)題。提出的寬帶扇形-槽線耦合結(jié)構(gòu)，可有效克服這類偶極天線在帶寬和饋電方面的局限，從而讓平面橢圓偶極天線能有效應(yīng)用于工程實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了新型的微帶耦合饋電平面橢圓UWB天線，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。該型天線

4、饋電簡(jiǎn)單，工作帶寬可完全覆蓋UWB應(yīng)用所需的3.1-10.6GHz頻段，并在較大空域內(nèi)具有良好的波形保真特性。作為對(duì)該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，進(jìn)一步提出微帶饋電半橢圓偶極天線，在保證相同電性能的基礎(chǔ)上尺寸由最低工作頻率波長(zhǎng)的約二分之一減小至約三分之一；此外，通過(guò)對(duì)輻射單元的簡(jiǎn)單修剪，還可得到5.0-6.0GHz頻段的帶阻特性。這類新型平面橢圓UWB天線性能優(yōu)異，能靈活應(yīng)用于不同的UWB通信系統(tǒng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。 本文將分形引入U(xiǎn)WB天線

5、的設(shè)計(jì)，探索利用分形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)UWB天線的若干方法。對(duì)特定分形結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明，分形天線具有降低諧振頻率、縮小天線尺寸的特點(diǎn)，指出若結(jié)合分形和常規(guī)的饋電結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)分形UWB天線，則存在進(jìn)一步減小天線尺寸的潛力，由此相應(yīng)的天線性能也可得到提升。依據(jù)這一結(jié)論，提出UWB微帶耦合饋電平面Koch分形槽天線，在工作帶寬覆蓋3-6GHz頻段的同時(shí)，其尺寸僅為最低工作頻率波長(zhǎng)的四分之一左右，可有效集成在UWB系統(tǒng)內(nèi)。 本文提出針對(duì)UWB應(yīng)用

6、的二維Y形和三維錐形陣列結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有陣結(jié)構(gòu)中最大輻射指向的模糊性問(wèn)題，并給出了錐形陣對(duì)來(lái)波信號(hào)的定位算法。通過(guò)詳細(xì)分析Y型陣和錐形陣的空間時(shí)域和頻域輻射特性，指出時(shí)域UWB天線陣的副瓣較低，而且陣元間距的變化對(duì)副瓣影響很?。涣硪环矫?，構(gòu)建單元位于不同平面內(nèi)的三維陣列結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)空間輻射波束指向唯一性的必要條件。錐形天線陣采用簡(jiǎn)單的饋電時(shí)延分配方案，可保證輻射波束的唯一性和最大輻射指向的任意性：接收時(shí)結(jié)合來(lái)波定位算法，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多路信