小型平面超寬帶天線的理論與設計.pdf

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

2、振子天線、對數周期螺旋天線等，它們的共同特點是結構滿足拉姆塞原則(Rumsey’sprinciple)：第二類則特指專用于收發(fā)瞬時脈沖信號的“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構，對于面向室內短距離接入、對設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，還難以實現與

3、其它射頻前端電路的集成化設計。于是，如何開發(fā)和分析平面結構的、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實意義，如何實現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前微波與天饋技術領域中的一大熱點問題。 從這種技術背景出發(fā)，可見小型平面超寬帶天線的設計理論、分析方法和實驗研究，對實現新型高性能平面超寬帶天線是非常重要的。雖然現在已經出現了一些超寬帶天線的設計方案，但現成的設計方案仍然

4、存在體積較大、帶寬不足、輻射特性不穩(wěn)定等種種缺陷?；谌绾螌崿F高性能小型平面超寬帶天線的目的，論文作者斂力于新結構小型平面超寬帶天線的分析與設計，開展了大量的理論分析和實驗研究工作。采用了理論和實驗相結合的手段，首先借助電磁場數值分析方法，深入研究了小型平而超寬帶天線的基本理論和分析方法，在此基礎上提出了多種結構、性能各異的新型天線的設計方案，例如漸變單極縫隙天線、反對稱雙面平衡結構縫隙天線、Koch分形超寬帶縫隙天線等，對每種天線均進

5、行了詳細的實驗研究，同時還提出了一種實驗結合仿真的方法，嘗試從系統(tǒng)的角度對天線的傳輸特性進行研究和評價。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計方法”這一主題進行展開，拓寬了小型平面超寬帶天線的設計思路，填補了平面超寬帶天線分析和設計方法的空白，原創(chuàng)性的研究成果歸納如下： 1.作者首先在論文中詳細探討了超寬帶天線的概念、基本理論和分析方法，推導了基于等效原理和自由空間Green函數的積分方程分析法、用于超寬帶天線

6、的數值分析，然后以寬縫隙天線為研究對象，首次結合多模諧振腔理論，對寬縫隙天線進行了本征模式分析，為解釋超寬帶縫隙天線工作機理、實現其具體設計提供了理論依據。 2.在理論研究的基礎上，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行大量的輔助計算和設計，分別設計了多頻段加載縫隙天線、寬帶多縫隙天線、共面波導饋電小型縫隙天線、折線環(huán)天線、漸變單極縫隙天線和反對稱雙面平衡結構縫隙天線等六種新結構小型平面多頻段/超寬帶天線，

7、通過大量的實驗研究，充分考察了這些天線的實際性能，上述新型天線的研制得到了國家自然科學基金重點項目和江蘇省研究生創(chuàng)新計劃項目的支持(已通過鑒定驗收)，其中的部分天線還已經在脈沖超寬帶通信演示系統(tǒng)中得到了應用；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構縫隙天線屬于全新的原創(chuàng)性設計，通過引入反對稱雙面結構，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.在設計多種新型

8、超寬帶縫隙天線的基礎上，考慮到超寬帶通信的工作頻段內還存在其他通信系統(tǒng)(如：無線局域網)，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用到陷波功能超寬帶天線的設計中，成功實現具有分形調諧枝節(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，并進行了詳細的參數分析。其中的Koch分形超寬帶縫隙天線利用了Koch分形的自填充結構，同時實現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、實用化設計打下了基礎。 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的抑制特性從低于10dB的數量級，提高到20－30dB的數量級，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，這項工作為研制具有實際應用價值的新型陷波功能縫隙天線打下基礎。 5.在研究單個超寬帶天線性能指標的基礎上，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，首次提出了一套實驗測量結合數值仿真的方法，用于天線傳輸性能的研究：首先在特定的室內環(huán)境中，測量不同收發(fā)天線對之間的傳輸特性，然后構建MB－OFDM體制的虛擬超寬帶通信平臺，將該傳輸特性函數作為該平臺的信道模塊，通過模擬系統(tǒng)的誤比特