超宽带天线设计研究(2)

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随着技术的快速发展，现在所处的时代已经是信息时代，在这个时代信息的传送量是巨大的，信息的快速传递也是这个时代的重要特征。在时代进步的同时无线通信的发展跟无线通信设备的大范围应用，电子设备的性能越来越好，带宽也变得越来越宽，人类开始进入宽带甚至是超宽带通信的时代。

超宽带通信具有其良好的性能而在通信中发挥着重要的作用，它的特点主要是有：

（1）超宽带通信有极高的通信数据率[5];由于超宽带通信信号本身的脉冲比原来的通信信号的脉冲窄很多，通常可以达到亚秒级别，所以它本身的通信速率就很快，远远高于原先的通信信号;（2）低复杂度，低成本;超宽带通信由于其本身在通信时不需要变频器，本地振荡器，混频器等一些器件，所以相比较原先传统的通信系统，它的体积更小且更方便简单;同时由于超宽带通信信号本身的信号处理比较简单，只需要很少的微波器件就可以实现通信，且射频设计也比较简单，这就带来了集成的方便化，可以把脉冲发射机跟接收机集成在一个芯片上;（3）超宽带通信具有较高的时域分辨率;超宽带通信的输入信号是时域的，且窄脉冲的时域信号有很好的穿透力，在未来的探测领域有很好的前景，同时根据雷达信号的相关知识，可以知道窄脉冲时域信号有很好的信号分辨率，它的精度可以达到厘米级别;（4）超宽带信号的能量密度低;通过公式可以知道在总能量一定的情况下，频带越大，那么信号的能量密度就越小，小的能量密度对于人体是不会有很大的伤害，所以超宽带通信信号在室内也适合通信;（5）超宽带通信信号有着和噪声特性相类似的特点，包括好的抗多径衰落跟阻塞特性;因为其低功率谱密度与伪随机性质，所以可以使得信号难以被截获，同时由于其频率多样性，再结合间断信号传输方式，所以可以在多径干扰的情况下有很好的通信质量[4]。

随着超宽带通信的不断发展与广泛应用，天线也开始向着宽带化、超宽带化的方向发展，于是就有了超宽带天线的概念。

1.1.2 超宽带天线发展

1898年英国洛奇(Lodge)研制出世界上最早的宽带双锥天线。该天线具有良好的输入阻抗，改输入阻抗具有宽频带特性。随后科学家卡特(Carter)对该天线进行改进，研制出改进型的双锥天线和单锥天线。在1941年，科学家谢昆诺夫(Schelkunoff)研制出球形天线，1945年科学家坎多伊恩( Kan-doian)研制出盘锥天线，在1948年科学家布里渊(Brillouin)研制出全向和定向同轴喇叭天线。

但是这些结构的天线都存在物理尺寸太大，实际工程难以适用的问题。在上个世纪五、六十年代，出现了实现超过10:1的阻抗带宽且体积较小的天线。美国伊利诺伊大学提出非频变天线，如对数周期天线，平面等角螺旋天线等。但是这些天线都存在发射脉冲波形失真的问题，也不满足UWB技术的要求，直到七十年代后，出现新的超宽带天线，其主要类型可以分为三类：一是超宽带平板单极子天线，二是超宽带印刷缝隙天线，三是超宽带印刷单极子天线。

1. 超宽带平板单极子天线

早在1976年，G.Dubost等人就已经提出了宽带平板单极子天线，随后出现一些新的改进型天线，如如圆盘或椭圆盘单极子天线、梯形单极子天线、倒锥单极子天线、叶片形平板单极子天线等，这些都是通过优化平板单极子结构来展宽阻抗带宽。而后S.Y.Suh等人设计了原理与单圆锥天线类似，但阻抗带宽超过10∶1的倒锥单极子天线。这种天线方向图带宽只有4:1。后来又对改天线进行进一步改进，在平板上开两个圆孔，将有效地改变天线的表面电流，从而展宽天线的方向图带宽。X F Bai等设计了一副叶片形平板单极子天线[8]还天线阻抗带宽超过20∶1，覆盖频率范围1.3~29.7GHz。矩形平板单极子天线具有稳定的方向图且结构最为简单，但是其阻抗带宽太小。为了解决这个问题，提出很多解决方式，如偏置馈电、两点或多点同时馈电、短路和切角技术相结合等。P.V.Anob等研发出阻抗带宽提高到约6∶1的矩形平板单极子天线[12]。M.J .Ammann等采用短路和切角技术相结合[14]，将矩形平板单极子天线的带宽扩展到10:1。论文网