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1、UWB简介,UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。,UWB技术特点,UWB(Ultra Wideband)无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式，也称做脉冲无线电( Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比，UWB方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲，因此这种通信方式占用带宽非常之宽，且由于
2、频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。,UWB技术的应用,UWB（UltraWideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百兆bit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。,UWB技术特点,(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状
3、态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。 (2)高速的数据传输：民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而
4、是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。,(3)功耗低：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百W几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。 (4)安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。
5、由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。 (5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时
6、间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10 30 dB 的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。,(6)定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。,天线,天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传
7、播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。,电磁波的辐射,导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；
8、将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。 必须指出，当导线的长度 L 远小于波长 时，辐射很微弱；导线的长度 L 增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。,对称振子,对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。,对称振子的电流,对称振子的辐射场,天线的输入阻抗,定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 输入阻抗具有电阻分量 Rin 和
9、电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线 ，其输入阻抗为 Zin = 73.1+j42.5 (欧) 。当把其长度缩短（35）%时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为 Zin = 73.1 (欧) ,（标称 75 欧） 。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言
10、的。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即 Zin = 280 (欧) ,（标称300欧）。,天线的基本情况,微带天线,微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。 按结构特征
11、把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。,微带天线,下图是圆形微带天线和矩形微带天线的HFSS仿真模型,微带天线的分析方法,微带天线进行工程设计时，要对天线的性能参数(例如方向图、方向性系数、效率、输入阻抗、极化和频带等)预先估算，这将大大提高天线研制的质量和效率，降低研制的成本。这种理论工作的开展，带来了多种分析微带天线的方法，例如
12、传输线、腔模理论、格林函数法、积分方程法和矩量法等。用上述各种方法计算微带天线的方向图，其结果是一致的，特别是主波束。 传输线模型理论，主要用于矩形微带天线；腔膜理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况；积分方程法，也叫全波理论，从原理上说，积分方程法可应用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度的限制；格林函数法是来自于对积分方程法的简化而得到的。,微带天线的分析方法,当前圆极化微带天线的设计方法大致分为一下三类： 1.单馈法。这种方法基于腔膜理论，利用简并模分离元产生两个辐射正交极化的简并模工作模式。 优点：结构简单，成本低，适合小型化； 缺点：轴比带宽
13、窄，极化性能较差。 2.多馈法。这种方法采用多个馈电馈电，通过精心设计T型分支或3dB电桥等馈电网络保证圆极化辐射。 优点：可提高驻波比带宽及圆极化带宽，抑制交叉极化，提高轴比； 缺点：馈电网络复杂，成本较高，尺寸也较大。 3.多元法。这种方法使用多个线极化辐射单元，原理与多馈法相似，将每一馈点都分别对一个线极化辐射单元馈电，可用并馈或串馈方式的各种多元组合。 优点：具备多馈法的优点，而且馈电网络较为简化，增益高； 缺点：结构复杂，成本较高，尺寸大。,极化,天线的极化是指天线所辐射的电磁波的极化，电磁波的极化是指电磁波在传播过程中其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态。波的极化分为线极化、圆极
14、化和椭圆极化。 一般情况下一个沿z方向传播的平面波的电场强度有两个分量 电场的模值 电场矢量的方向与x轴的夹角 线极化：当电场的x分量和y分量同相或反相，即 或 由上面的公式可以得出，电场的模值随时间做余弦变化，电场与x轴的夹角为与时间无关的常数。因此，随着时间的变化，在空间某一点观察，电场与x轴的夹角不变，电场矢量端点运动的轨迹是一条与x轴夹角为的直线。因此，此计划为线极化。,极化,圆极化：当 由上面的公式可得，此时电场的模值是一与时间无关的常数。 当 可以得出 对于空间一点，z为常数，当时间t增大时，增大，当沿着波传播方向（z）的反方向看时，电场沿着逆时针方向旋转。波的传播方向与电场的旋转
15、方向符合右手法则，此时的波为右旋圆极化波。 类似的当 时，对于空间一点，z为常数，当时间t增大时，减小，当沿着波传播方向（z）的反方向看时，电场沿着顺时针方向旋转。波的传播方向与电场的旋转方向符合左手法则，此时的波为左旋圆极化波。,圆极化微带天线,微带天线的圆极化：辐射或接受圆极化波的天线称为圆极化天线，圆极化天线的主要意义： 1.圆极化天线可接收任意线极化来波，并且圆极化天线辐射波可由任意线极化天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线； 2.由于圆极化天线的极化正交性，即天线若辐射左旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波，反之亦然，所以在通信领域雷达的极化分极和电子对抗等
16、应用中圆极化天线被广泛应用； 3.圆极化波入射到对称目标时旋向逆转，因此圆极化天线应用于移动通信GPS等能印制雨雾干扰和抗多径反应。,圆极化微带天线,微带天线的优点之一就是便于实现圆极化。通常，矩形或圆形微带天线是线极化的，若采用特殊的极化方式，在贴片中激起两个简并的正交模式，并使这两种模式幅度相等，相位相差90，便可实现圆极化。通过对矩形贴片进行角馈电，或通过矩形贴片相邻正交边相位差90的馈电，以及采用五边形贴片等方法都可以得到圆极化。,缩减微带天线尺寸的主要途径,一是采用高介质的PCB 板材，根据微带天线谐振理论，当天线的谐振频率固定时，尺寸与板材的介电常数成反比，介电常数越大，天线的尺寸越小。但与此同时，天线的功率增益和带宽也随的增大而减小，此方法具有一定的局限性； 二是采用加载短路探针法，在介质板中附加短路探针并使其靠近馈电探针，可以在很大程度上缩减贴片尺寸。其原理是利用短路探针和同轴探针之间形成强耦合，等效于一个电容加载，进行阻抗补偿，但是短路探针和馈电探针之间距离很近（通常为1 mm），这对输入阻抗的特性影响非常
