小型平面超寬帶天線的理論與設(shè)計(jì).pdf

1、室內(nèi)短距離超寬帶無線通信具有傳輸速率高、功耗低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，因而成為近年來無線通信的研究熱點(diǎn)之一。作為超寬帶通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，小型超寬帶天線的特性將直接影響系統(tǒng)的傳輸性能，其分析與設(shè)計(jì)方法具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文對超寬帶天線的基本理論、分析與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究。 現(xiàn)有的寬帶和超寬帶天線種類不少，按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，這些天線大致可以分為兩大類：第一類是具有自相似結(jié)構(gòu)或自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的“頻率無關(guān)天線”，其典型代表包括對數(shù)周期

2、振子天線、對數(shù)周期螺旋天線等，它們的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)滿足拉姆塞原則(Rumsey’sprinciple)：第二類則特指專用于收發(fā)瞬時(shí)脈沖信號的“脈沖輻射天線(IRA)”，主要包括平板TEM角錐天線、帶有拋物反射面的TEM角錐天線、介質(zhì)錐天線等，這類天線多屬于端射特性的行波天線，一般具有龐大的體積。 上述的天線都是非平面三維結(jié)構(gòu)，對于面向室內(nèi)短距離接入、對設(shè)備成本和體積要求苛刻的超寬帶無線通信，這些天線不僅顯得過于笨重，還難以實(shí)現(xiàn)與

3、其它射頻前端電路的集成化設(shè)計(jì)。于是，如何開發(fā)和分析平面結(jié)構(gòu)的、特別是適用于脈沖體制超寬帶通信的可集成小型超寬帶天線具有非常迫切的現(xiàn)實(shí)意義，如何實(shí)現(xiàn)不同性能的小型平面超寬帶天線、如何有效提高其性能也迅速地成為了當(dāng)前微波與天饋技術(shù)領(lǐng)域中的一大熱點(diǎn)問題。 從這種技術(shù)背景出發(fā)，可見小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)理論、分析方法和實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)現(xiàn)新型高性能平面超寬帶天線是非常重要的。雖然現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些超寬帶天線的設(shè)計(jì)方案，但現(xiàn)成的設(shè)計(jì)方案仍然

4、存在體積較大、帶寬不足、輻射特性不穩(wěn)定等種種缺陷。基于如何實(shí)現(xiàn)高性能小型平面超寬帶天線的目的，論文作者斂力于新結(jié)構(gòu)小型平面超寬帶天線的分析與設(shè)計(jì)，開展了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究工作。采用了理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，首先借助電磁場數(shù)值分析方法，深入研究了小型平而超寬帶天線的基本理論和分析方法，在此基礎(chǔ)上提出了多種結(jié)構(gòu)、性能各異的新型天線的設(shè)計(jì)方案，例如漸變單極縫隙天線、反對稱雙面平衡結(jié)構(gòu)縫隙天線、Koch分形超寬帶縫隙天線等，對每種天線均進(jìn)

5、行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)還提出了一種實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真的方法，嘗試從系統(tǒng)的角度對天線的傳輸特性進(jìn)行研究和評價(jià)。全文的研究工作緊緊圍繞著“新型平面超寬帶天線的理論和設(shè)計(jì)方法”這一主題進(jìn)行展開，拓寬了小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)思路，填補(bǔ)了平面超寬帶天線分析和設(shè)計(jì)方法的空白，原創(chuàng)性的研究成果歸納如下： 1.作者首先在論文中詳細(xì)探討了超寬帶天線的概念、基本理論和分析方法，推導(dǎo)了基于等效原理和自由空間Green函數(shù)的積分方程分析法、用于超寬帶天線

6、的數(shù)值分析，然后以寬縫隙天線為研究對象，首次結(jié)合多模諧振腔理論，對寬縫隙天線進(jìn)行了本征模式分析，為解釋超寬帶縫隙天線工作機(jī)理、實(shí)現(xiàn)其具體設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 2.在理論研究的基礎(chǔ)上，作者仍然以縫隙天線為主要研究對象，借助全波電磁場分析軟件進(jìn)行大量的輔助計(jì)算和設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了多頻段加載縫隙天線、寬帶多縫隙天線、共面波導(dǎo)饋電小型縫隙天線、折線環(huán)天線、漸變單極縫隙天線和反對稱雙面平衡結(jié)構(gòu)縫隙天線等六種新結(jié)構(gòu)小型平面多頻段/超寬帶天線，

7、通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，充分考察了這些天線的實(shí)際性能，上述新型天線的研制得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和江蘇省研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目的支持(已通過鑒定驗(yàn)收)，其中的部分天線還已經(jīng)在脈沖超寬帶通信演示系統(tǒng)中得到了應(yīng)用；上述新型天線中，具有低交叉極化特性的反對稱雙面平衡結(jié)構(gòu)縫隙天線屬于全新的原創(chuàng)性設(shè)計(jì)，通過引入反對稱雙面結(jié)構(gòu)，顯著改善了天線的輻射特性，使之具有更為穩(wěn)定的輻射方向圖、更低的交叉特性和更為平坦的增益頻率特性。 3.在設(shè)計(jì)多種新型

8、超寬帶縫隙天線的基礎(chǔ)上，考慮到超寬帶通信的工作頻段內(nèi)還存在其他通信系統(tǒng)(如：無線局域網(wǎng))，為了降低不同系統(tǒng)之間的相互干擾，研制具有陷波(帶阻)特性的超寬帶縫隙天線非常重要。研究中，作者首次將分形理論應(yīng)用到陷波功能超寬帶天線的設(shè)計(jì)中，成功實(shí)現(xiàn)具有分形調(diào)諧枝節(jié)的超寬帶縫隙天線、Koch分形超寬帶縫隙天線等五種新型天線，并進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)分析。其中的Koch分形超寬帶縫隙天線利用了Koch分形的自填充結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了陷波功能和小巧的尺寸，是目

9、前公布的體積最小的陷波功能超寬帶縫隙天線。這些工作為陷波功能超寬帶天線的小型化、實(shí)用化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。 4.針對大部分陷波功能超寬帶縫隙天線阻帶抑制特性欠佳的缺陷，作者繼續(xù)研究了具有方環(huán)形諧振器的超寬帶縫隙天線，通過在天線的調(diào)諧枝節(jié)中引入方環(huán)形諧振器，利用環(huán)形諧振器的高Q特性，將縫隙天線在阻帶內(nèi)的抑制特性從低于10dB的數(shù)量級，提高到20－30dB的數(shù)量級，極大地提高了天線的陷波性能，該天線是目前公布的具有最佳阻帶抑制特性的陷波

10、功能縫隙天線，這項(xiàng)工作為研制具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型陷波功能縫隙天線打下基礎(chǔ)。 5.在研究單個(gè)超寬帶天線性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，作者還嘗試從系統(tǒng)的角度考察超寬帶天線的性能，以最簡單的單極子天線作為主要研究對象，首次提出了一套實(shí)驗(yàn)測量結(jié)合數(shù)值仿真的方法，用于天線傳輸性能的研究：首先在特定的室內(nèi)環(huán)境中，測量不同收發(fā)天線對之間的傳輸特性，然后構(gòu)建MB－OFDM體制的虛擬超寬帶通信平臺，將該傳輸特性函數(shù)作為該平臺的信道模塊，通過模擬系統(tǒng)的誤比特