中心論題：

分析超寬帶天線性能和設計要求

介紹幾種常用新型超寬帶天線

解決方案：

要求超寬帶天線頻帶寬，傳輸速率高、功率低、功耗小、定位準確、抗多徑能力強

在色散，體積和方向性等方面對超寬帶天線要求高

近幾年來，超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術領域極大的重視。它起源于20世紀40年代，最初形式為脈沖無線通信，主要用于軍事領域，20世紀90年代之后逐漸用于民用領域。所謂超寬帶信號，就是要求任意相對帶寬高出20%或者絕對帶寬大于0.5GHz（FCC定義），其傳輸速率可超過100Mbit/s，并且滿足FCC功率譜密度限制要求的信號，它的工作頻段定義在3.1～10.6GHz。超寬帶基帶窄脈沖信號通信與通常的載波通信或擴頻通信相比，超寬帶無線通信系統除了具有高通信速率和超寬通信帶寬外，還具有高保密性，耗電量低，抗多徑衰落能力強，多址和穿透能力強等特點［1，2］。因此，超寬帶技術在雷達跟蹤、無線通信、穿透障礙物成像、武器控制系統、測距、精確定位等領域具有廣闊的應用前景。

由于超寬帶無線接入系統的輻射信號具有超寬頻帶和極低功率譜密度兩大特點，這對超寬帶無線系統接收系統性能要求非常高，其關鍵技術包括脈沖波形設計、調制/解調與多址技術、窄脈沖的快速捕獲、同步與檢測等。另外，超寬帶（UWB）線的研究也是一個很重要的部分。UWB天線與常規意義上的寬帶天線還是有著顯著區別的。常規的寬帶天線大都是非頻變天線，因而并不適合于發射和接收UWB信號。對于UWB天線來說，固定的相位中心和低駐波電壓比是非常重要的兩個電指標，它們決定著UWB天線的性能。

本文將對超寬帶天線的設計要求，性能作一一分析，并對現有的幾種常用的超寬帶天線和新型天線作簡單的介紹。

天線的基本參數

天線作為發射和接受得能量轉換器，有一系列的性能參數，其中有一些是比較基本的。

輸入阻抗

天線饋電端口電壓和電流之比稱為天線的輸入阻抗。定義為，

（1）

其中，Pin是天線的輸入功率，Iin是輸入電流，Rin是輸入電阻，Xin是為輸入電抗。

天線帶寬

在該頻率范圍內，一個選定的天線參數或者一組天線參數的改變是可以接受的。有方向帶寬、增益帶寬、輸入阻抗帶寬等，用的較多的是輸入阻抗帶寬。它指的是天線與傳輸阻抗相匹配，反射功率小于10%時的帶寬。對于超寬帶天線，其阻抗帶寬要求7.5GHz。

方向系數、效率和增益

在相同的輸入功率下，某天線產生于某點的電場強度的平方（ ）與無耗理想點源天線產生在同一點的電場強度的平方（ ）的比值，稱為在該點方向的增益，通常用G表示：

（2）

天線的方向系數是指在相同的輻射功率下，某天線的產生于某點的電場強度的平方與點源天線產生在同一點的電場強度的平方的比值，通常用D來表示：

（3）

通常以天線在最大輻射方向的增益作為這一天線的增益，以天線在最大輻射方向的方向性系數作為這一天線的方向性系數。天線增益（G）和方向性系數（D）是兩個相互緊密聯系的物理量，其關系為

G=η.D　（4）

其中η是天線的效率，它是天線輻射功率和輸入功率的比值，即

（5）

天線的效率表示天線在能量變換上的效能。

超寬帶天線的要求和研究

UWB脈沖通信和傳統的無線通信的調制傳輸技術有著根本的區別。首先要求其頻帶寬，傳輸速率高；其次是要求功率低，功耗小；再次要求它定時定位準確，抗多徑能力強。除此以外，由于超寬帶系統的特點，對超寬帶天線的特性又提出了不同于一般天線的要求：

（1）根據FCC的要求，天線要能覆蓋3.1～10.6GHz的頻帶寬度。

（2）它不是一種簡單接受單頻帶信號的天線，而是一種典型的多個窄頻帶天線。

（3）對天線的色散要求很高。

（4）主要應用在短距離通信中，對體積和方向性有較高的要求。

為實現天線的寬帶化，已有許多成熟的技術措施，這些技術有些適合線天線，有些適合面天線，有些兩者都適用：機電結合的方法、加載的方法、阻抗匹配網絡、綜合方法。

目前，人們在研究設計超寬帶時往往是先想辦法展寬其頻帶，從而設計出普通的寬帶天線，然后再去分析其頻域和時域特性，以驗證其性能是否優良，進而適用于超寬帶系統。人們采用這些基于傳統理論的方法也設計出了許多性能優良的超寬帶天線。

幾種超寬帶天線

目前超寬帶天線主要有TEM喇叭、偶極子、螺旋天線、雙錐天線、Vivaldi天線等等，他們性能各異，原理不同。下面對其中幾個做簡單的介紹。

偶極子天線

偶極子天線是最基本的天線，本質上是窄帶天線，但是可以通過加載等技術措施顯著展寬它的工作頻帶。偶極子加載可以是阻抗加載，也可以是電抗加載，可以連續加載，也可以離散加載，目的是使天線單位長度上的阻抗沿天線臂按指定規律變化。1965年，Wu和King提出對偶極子天線進行連續阻性加載，并因此在很寬一個頻段內獲得了天線上的外向行波，該天線被稱為Wu-King偶極子天線。一般偶極子天線只作接受天線。

TEM喇叭天線

TEM喇叭天線的基本結構是由相互間有一張角的兩個三角形金屬板組成。TEM喇叭天線廣泛的被使用在UWB應用中。它具有良好的阻抗特性和波形保真性。可以通過增加喇叭長度，加大喇叭張角，喇叭的波阻抗就更接近自由空間波阻抗，口面的反射將減小，脈沖波形的失真亦隨之減小。TEM喇叭天線的增益范圍5～15dB，這個范圍使用于定向基站天線的應用［3］。

雙錐形天線

1943年，Schelkunoff提出了如圖1所示的雙錐形天線［4］。雙錐形天線及其他的變形的天線，包括盤錐形線廣泛的應用在超寬帶領域。

雙錐形天線的振子直徑與其相應的兩臂間的距離保持為一個常數，可使沿線各點的特性阻抗不變，當天線無限長時，其輸入阻抗就等于振子的特性阻抗，這時天線電特性與頻率無關。雙錐形天線的阻抗僅與錐角的大小有關。當錐角接近90°時，天線的輸入電阻近似為50Ω，天線可以獲得很寬的阻抗帶寬。

Vavaldi天線

Vivaldi天線是由較窄的槽線過渡到較寬的槽線構成的，由Gibson于1979年提出［5］。它的槽線呈指數規律變化，將介質板上的槽線寬度逐漸加大，形成喇叭口向外輻射或向內接收的電磁波。在不同的頻率上，它的不同部分發射或接收電磁波，而各個輻射部分相對于對應的不同頻率信號的波長的電長度是不變的。在設計頻段內具有相同的波束寬度。此外，它還具有良好的時域特性，時域接收波形具有非色散特性，因此它是一種非常有潛力的超寬帶天線。

超寬帶新型天線

隨著UWB系統的民用化，越來越多的UWB設備用于短距離無線通信，這種設備通常體積小，要求天線的結構簡單、尺寸小、成本低。近年來對應用在短距離無線通信的天線研究比較多，出現了很多新型的UWB天線。

微帶天線

微帶天線具有小尺寸、易于加工、易于有源器件集成等優點，但是它具有一個最明顯的不足就是它的窄帶特性。為了滿足超寬帶天線的要求，發展了特殊的微帶天線。

采用微帶天線來實現UWB天線，基本的方法是采用印刷單極子天線或者變形的印刷偶極子天線。

印刷單極子天線有多種結構，如三角形、圓形、橢圓形等，還有一些分形結果的特殊形狀。變形的偶極子天線的阻抗和帶寬與振子的寬度有很大的關系，采用印刷偶極子天線，可以將天線的振子做成平面的，同時控制天線與饋線之間的連接部分，進行阻抗的匹配，達到展寬頻帶的目的。采用這種方法可以得到方向圖和反射系數都比較滿意的結果。文獻［6］提出了一種矩形單極子形式的微帶天線。

縫隙UWB天線

縫隙天線是一種基本的天線形式，是在金屬上刻槽，采用同軸線。微帶線、波導等方法進行激勵，從而產生輻射。縫隙天線在微波斷代替振子天線解決振子太小，制作和饋電困難的缺點。

通過縫隙天線來實現UWB帶寬，它的基本原理是，使用橢圓、圓、矩形等特殊的寬縫隙，采用寬帶饋電的方法，實現超寬帶性能。縫隙天線的帶寬和縫隙的性狀大小有很大的關系。當使用寬矩形縫隙的時候，縫隙的長寬比對天線的帶寬有很多的影響，而橢圓縫隙的長短軸比對帶寬的影響較大。

總結和展望

通過對超寬帶天線的研究可以知道，其中還存在一些困難。如在超短脈沖發射中，如何避免振鈴現象。另外，超寬帶天線種如何保持整個帶寬的恒定增益、提高天線效率、提高天線增益、展寬天線工作頻段也是具有挑戰性的工作。

雖然目前超寬帶天線的發展面臨諸多挑戰，但是，我們有理由相信，在未來幾年將會有更大的突破。在民用超寬帶和移動式通信設備種超短帶天線的發展也會朝著小型化、高效率、穩定增益、寬頻帶、超短快速脈沖響應的方向發展。