具有带陷性能的超宽带天线分析与设计

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1、具有带陷性能的超宽带天线分析与设计通常定义带宽在1．5GHz以上或相对带宽超过0．2以_lztl】的信号为UWB信号。相对带宽=≯竽—粤弋式(1．1)(华j例如一个信号的带宽为6MHz，它的中心频率为12MHz，那么也认为该信号为UWB信号。UWB脉冲通信可追溯到一百多年前波波夫和马可尼试验越洋无线电通信获得成功，这可看作早期的粗糙的脉冲无线电。1942年，DeRosa提交了随机脉冲系统的专利，但因为二战的影响直N50年代予以发表。1960年以后，学术界才逐渐认识到用作无线传输和雷达的信号，并不一定必须具有近似正弦函数的时间变化规律。UWB信号于上世

2、纪60年代在科学研究、仪器和检测领域开始应用，并在70年代被雷达信号处理领域的研究人员所关注。20世纪80年代通信领域的研究人员开始研制UWB无线电通信系统，但由于受到当时技术条件的限制，未能得到快速的发展和广泛应用。1993年，美国南加州大学通信科学研究所的R．A．Scholtz在国际军事通信会议(Milcom’93)发表论文，论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，从而开辟了将冲激脉冲作为无线电通信信息载体的新途径。传统的无线通信技术为了划分频带而使用载波。载波的频率和功率在一定范围内变化，人们利用载波的状态变化来传输信息。而UWB技术则与这种

3、方式截然不同。它的信号不使用载波，而是由一系列间歇式脉冲组成。通过改变脉冲的幅值、极性、时长或其他特性，将信息编码到数据流中。脉冲时域宽度越窄，其频谱范围越宽。这项技术称为冲击无线电(IR)。由于UWB发送的脉冲非常短，因而它具有GHz量级的带宽。美国联邦通信委员会FCC在2002年发布的报告中【列，将3．1．10．6GHz频带对作为短距离通信用途的UWB无线技术向民用产品开放。这是FCC迄今为止所做的最大的频率分配。FCC对UWB定义如下：UWB指在3．1．10．6GHz的频段内占据至少500MHz带宽，或相对带宽超过0．2，且符合功率辐射掩蔽的信

4、号。根据FCC的规定，UWB的概念不局限于IR，而是只要发射信号带宽大于500MHz即可。由此，主要的芯片公N(女IITI，Motorola，Intel，IBM)等展开了基于IR和传统连续载波调制传输的争论。提出了以Motorola为代表的DS．UWB和以Imel为代表的MB(Multi．Band)物理层协议。至今DS．UWB标准提案与MB．OFDM标准提案的争论依然十分激烈。由于UWB独特的工作原理，使其具有一些其他通信系统没有的优点：(1)系统结构实现简单，实现成本低。由于UWB不使用载波，不需要传统收发器所需的上、下变频，也不需要本地振荡器、功

5、用放大器和混频器等，所以在结构上，系统实现较为简单；另外，UWB系统可实现全数字化，它只需要以一种数第一章绪论字方式产生脉冲，并对其进行调制，所以调制电路可以全部集成在一块芯片上，可大大降低设备的体积。(2)传输速率高。UWB以宽频带来获得高速率，在10米范围内，根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可以达31U500Mbps，是实现个人通信与无线局域网的理想选择。(3)功耗低。UWB只在需要传输数据时才发送脉冲，信号的功率谱密度极低，发射系统比现有的传统无线电技术功耗低得多。在高速通信时系统的耗电量仅为几百laW至几十mW。民用的UWB移动设备的功

6、率一般是传统移动电话设备所需功率的1／100左右，是蓝牙设备所需功率的1／20左右。军用的UWB电台耗电量也很低。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射方面，相对于传统无线设备有着很大的优越性。(4)保密性好。由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到1GHz以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增加了系统的安全性。(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

7、据传输速率。由于超宽带无线通信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"--30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落不NSdB。(6)系统容量大。UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于UWB无线通信信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。1．3

8、超宽带天线的发展与特点对于超宽带无线通信系统，一个很重要的问题就是超宽带天线的研究。因为相对于传统的窄带天线