《天线与电波传播I-4-1教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天线与电波传播I-4-1教材（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、天线与电波传播（I） 1 超宽带技术-Ultra-wideband, UWB IR-UWB通信系统： 传统UWB技术采用的是具有极宽频谱的极窄时域脉冲， 而不是连续的波形来作为信息的载体，同时信号在传 输过程中也没有用到射频调制。已在雷达系统中有广 泛应用，称为脉冲无线电(Impulse Radio, IR)技术。 适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和复杂环 境下的可靠通信应用。这些应用包括支持多媒体业务 的个人局域网、替代信号电缆线、无线穿戴式设备、 短距离探测和定位雷达、野外单兵通信和无线传感器 组网等。 2 超宽带技术-Ultra-wideband, UWB 与传统窄带技术的区别：
2、1.极大的系统带宽。带宽常常达数GHz，比任何现有的 无线通信技术的带宽都大得多； 2.典型的UWB信号是无载波窄脉冲。与当今通信系统中 广泛采用的载波调制技术不同，IR-UWB技术使用上升 沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为 基带传输技术或无载波技术 典型的IR-UWB信号的时域波形 3 UWB优势 n极高的通信数据率。UWB信号的脉冲宽度通常在亚纳秒量级 ，由此可实现达100MbpslGbps的通信速率。 n低复杂度、低成本。IR-UWB系统直接利用极窄脉冲来进行信 息传输，信号不需要上变频以及功放，因此可省去射频混频以 及功率放大模块；在接收端也可以省去相对应的混频模块、复
3、杂的时延和相位跟踪环等； n信号具有类噪声性。UWB信号具有极低的功率谱密度和伪随 机特性，这使其具有类似噪声的性质难以被截获，同时对其它 现有的无线系统干扰较小。 n时域特性好。时域窄脉冲具备良好的材料穿透能力，因此在 探测方面具有很好的应用；极窄的时域脉冲同时还意味着UWB 技术具有提供比GPS和其他无线系统更高精度的定时潜力。 4 1989年，美国国防高级研究计划局(DARPA)对超宽带UWB的概念下了明确 定义。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)规定民用通信允许的超宽 带(Ultra-wideband,简写为UWB)可利用波段为3.1-10.6 GHz，突破了以 前仅用于雷达
4、和军事项目的瓶颈，为实现短距离高速度传输、低功耗和 低成本运行商用通信系统打下了基础，并且对超宽带调整了定义。 其中，fH和fL为频段的上、下截止频率，DARPA对超宽带的规定比FCC规 定的要严格一些。 UWB通信 从频域上对UWB进行定义也表明UWB的含义已不再局限于IR技术，对实际 通信系统而言只要能满足上面对带宽的要求并工作于FCC开放的应用频段 即可称之为UWB系统 5 UWB技术 FCC规定，超宽带通信除用于雷达和安全应用外，还能够用于机载 和车载雷达系统，数字通信和成像系统等领域。目前在现有UWB定 义下，除传统的IR-UWB方式外，还存在多频带正交频分复用(MB- OFDM)和
5、直接序列码分多址(DS-CDMA)等两种方案。从调制方式上 看，MB-UWB和DS-UWB方案均基于传统的载波调制技术，但具有UWB 技术的特点，符合FCC的相关规定。 技术体制工作频段频谱利用方式信号特点 IR-UWB3.1-10.6GHz全频段同时利用时域脉冲信号，无载 波调制，极宽频谱 DS-UWB3.1-5.15GHz和 5.825-10.6GHz 分为高低两个频段， 分别利用 时域脉冲信号，载波 调制，极宽频谱 MB-UWB3.1-10.6GHz划分为14个子频带， 并进行分组。每个子 频带稍大于500MHz 时域连续信号，多载 波调制，极宽频谱 6 超宽带天线的特殊性 阻抗带宽：按
6、照FCC对超宽带的带宽的规定，超宽带天线的工 作带宽达到7.5GHz，给设计带来了极大的挑战，而目前的天线 理论主要针对窄带天线，超宽带设计方面理论设计方面较少。 线性相位：超宽带对相位的要求主要希望在理想的情况下，天 线在整个频带内对时域信号的传输不发生畸变，保持线性相位 。 在UWB天线设计过程中，所有的常规性能指标如驻波比、 增益、方向图等都要考虑。但是超宽带天线与传统的窄带 天线的通信方面有着本质的不同，因此带来独特的要求与 挑战： 7 超宽带天线的特殊性 方向图的稳定性和较高的辐射效率：在现实通信中，要求 超宽带天线在某个方向上保持全向性，且要求在较宽的频带内 保持方向图的稳定性。除
7、方向图的要求外，通常要求超宽带天 线的辐射效率要高，因此在设计中需要减少天线的损耗。 天线的体积：由于目前UWB技术的外部设备体积越来越小，超 宽带天线作为超宽带系统的一部分，也必须朝着小型化、轻型 化的方向发展，使之更好的与系统集成。因此在超宽带的设计 中，除了满足超宽带天线性能指标外，还必须使天线向着平面 化、小型化的方向发展，使之更好的满足军用和民用的需要。 8 超宽带天线 随着近年来通信技术的不断发展，对通信系统的带宽 要求也越来越宽，由此促进了超宽带天线的发展。近 年来，宽带天线基本上包括以下几种形式： 频率无关天线：螺旋天线，对数周期天线 双锥天线 V锥天线 喇叭天线 超宽带平板单
8、极子天线 超宽带印刷单极子天线 超宽带印刷缝隙天线 具有阻带功能的超宽带平面天线。 9 超宽带天线 频率无关天线：螺旋天线 自补平面等角螺旋天线 螺旋天线就是天线的一支 为螺旋曲线的天线，最为 常见的一种螺旋天线就是 平面等角螺旋天线。 对于典型的螺旋天线，天线工作频率的上限值由馈电结构 决定，螺旋的最小半径大约取为上限频率所对应波长的四 分之一；工作频率的下限值由螺旋的末端半径决定。 10 超宽带天线 频率无关天线：对数周期天线 对数周期天线 对数周期偶极天线(Log-Periodic Dipole Arrays)简称LPDA，通常由许 多平行排列的谐振振子组成，当工作 频率改变时，谐振振子
9、的位置就可以 沿着天线的集合线向前或向后移动， 同时，还能始终保持谐振点的电尺寸 不变，从而使天线的电特性可以基本 保持不变。 对数周期天线具有极宽的阻抗特性，达到10:1或更宽，且具有 较高的增益，因此在短波、超短波、微波等频段获得了广泛的 应用。 11 超宽带天线 双锥天线 双圆锥结构 双圆锥天线就是在两个金 属双圆锥的相互绝缘的、 相距h为无限小的顶点接入 射频信号，在金属圆锥面 上产生电流，并向空间辐 射电磁波。 双锥天线在锥形天线中最具代表性。一个理想的无限长度的双锥 形具有非频变特性，从理论上来说，它非常适合作为超宽带系统 天线。实际中，需要用适当的方式将无限长双圆锥天线截断，形
10、成有限长双圆锥天线。在截断处会产生反射，出现了输入电抗， 使输入阻抗为复数，这就需要进行补偿，来实现超宽带的匹配。 12 超宽带天线 V锥天线 V锥结构 V锥天线结构简单，具有良好的超 宽带性能，也是少数几个能够严格 求解的天线之一。V锥天线中心部 分的结构如图所示。整个天线的结 构由极角0和方位角0两个角参 数确定。可以证明，当从顶点馈电 、边界条件只与角坐标(, )有 关时，空间电磁场是TEM模。 还有一些由圆V锥天线演变而来的非对称结构圆V锥天线、椭圆V 锥天线、三角板天线(也叫蝴蝶结天线)等。 13 超宽带天线 喇叭天线 喇叭天线的研究由来已久。喇叭天线 具有良好的时域和频域特性，在超
11、宽 带天线中占有重要的位置，特别是近 年来经常作为标准天线测量待测天线 的增益，以及作为冲激脉冲的收发天 线，但是对于超宽带系统来说，其体 积较为庞大。 14 超宽带天线 虽然上述天线在早期的工程应用较广，但它们为三维结 构，体积笨重，使之应用范围受到一定程度的限制。而 目前大量的工程应用当中，特别是需要天线的小型化设 计时，采用平面结构的天线在尺寸以及系统集成上都比 三维结构更有吸引力。从上世纪九十年代以来，随着军 用以及民用无线通信技术的不断发展，平面化、小型化 是目前超宽带天线的发展的一个趋势。 超宽带平面天线不断涌现，主要包括以下几类：超宽带 平板单极子天线、超宽带印刷单极子天线、超宽
12、带印刷 缝隙天线以及具有阻带功能的超宽带平面天线。 15 超宽带天线 平板单极子天线 平板结构是早期超宽带平 面单极子天线的主要形式 ，可以认为是由传统的三 维结构天线演变而来，主 要有椭圆形、环形、圆形 、水滴形等多种变形。 早期单级子天线辐射面虽然是印刷式平面结构，但是接地面与金 属辐射面垂直，其馈电方式是由SMA接头的探针经由接地面上的 导通孔连接到天线的辐射体上，而辐射体与接地面间的距离为影 响阻抗带宽的重要因素之一，但在整个天线来说，仍然为三维的 结构。 16 超宽带天线 印刷单极子天线 二维的单极子天线利用印 刷电路板蚀刻而成，不需 要从接地面打一个导通孔 ，在工程应用中方便许多
13、，大多数采用的是微带线 或是共面波导馈电。 辐射体为圆形的单极子天线设计较为简单，调整圆形半径大小， 就能决定天线的最低工作频率。通过将辐射体形状改为漏斗形、 领结形、十字形、U形、心形、扇形、椭圆形等结构，则会进一 步增加天线的阻抗带宽平面单极子天线结构简单、体积小、制作 容易，最重要的是具有全向辐射特性。 17 超宽带天线 印刷缝隙天线 印刷式缝隙天线由于其较好的辐射特性、加工简单、易于集成 等特，在无线通信系统中获得了广泛的应用。 印刷式缝隙天线相比微带天线 而言，有较大的阻抗带宽及全 向的辐射，体积不因频带变宽 而增加。缝隙天线在馈电端将 能量传递至金属馈源，再由金 属馈源将能量耦合至宽槽孔中 ，通常金属馈源与槽形具有类 似的形状，使能量可有效的耦 合至缝隙。 18 超宽带天线 有阻带功能的超宽带平面天线 由于超宽带的频谱范围覆盖了3.1- 10.6 GHz，与现有的WLAN的5.15- 5.35 GHz和IEEE802.a的5.725- 5.825 GHz的频谱重叠，因此需要对 超宽带天线的前端另加带通滤波器 来避免相互影响。在不增加系统的 复杂性和体积的前提下，研究人员 相继提出了一些具有阻带特性的超 宽带天线。在设计中，通常在天线 结构中添加12波长谐振槽或14 波长短截线使之具有阻带特性。 19
