超宽带天线特性分析.pdf

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1、竺可桢学院02混合1班李立言3023001028超宽带天线特性分析关键词宽频带非频变CST仿真S参数超宽带天线VSWR摘要超宽带天线设计是为了使它能够接收或发送电磁能的脉冲。UWB天线设计中一个很大的问题是天线要在一个较宽的频带内保持阻抗基本不变。本文主要分析了几种理论上的UWB电振子天线的设计，并且针对V形天线、平面椭圆偶极子天线的特性特别是领结天线的理论模型和一种实际设计进行仿真，给出其S参数特性，并比较分析产生变化的可能原因。简介一、超宽带天线天线是一种将传输线中传导的电磁能转化为空间辐射的电磁能的转换器，也可以看作是一种匹配传输线阻抗和空间阻抗的阻抗变换

2、器。在实用中，AM波天线就可以看作是一种超宽频天线。常用的AM波天线的频带覆盖了从535到1705kHz的频率范围，其比例带宽超过了100%。AM波用于广播发送的选择性主要是依靠接收天线的窄带特性。在UWB天线设计中，最主要的要求就是要使天线能够要在所有的频率范围内同时接收到信号。这就要求天线在整个频带上有着恒定的或者时可预测的阻抗特性。UWB天线首先是非频变的，有固定的相位中心的。对数周期天线是一种频变天线。从右图可以看出，对数周期天线在低频是辐射的强度较大，辐射强度随频率的升高而衰减。相对的就是非频变天线。右图下侧的平面椭圆偶极子天线就是一种非频变天线，它辐

3、射的波形接近于高斯脉冲。这一时域波形在频域上具有极宽的带宽，而且在各频率点上的幅度相近。UWB天线特点：与传统通信系统相1竺可桢学院02混合1班李立言3023001028比，UWB技术的第1个特点就是其系统结构实现的简单化。U册通信系统省略了传统连续波的载波产生和频谱搬移电路，当发射功率要求不很高，能用CMOS电路直接驱动天线时，就可以采用软件无线电技术实现整个系统，避开传统无线系统至今仍无法避开的复杂的射频通道部分，从而使全数字化通信系统得以实现。UWB技术的第2个特点是支持高速的数据传输。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

4、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。UWB技术的第3个特点是功耗很低。采用脉冲方式传输信息的时候，发射机只是间歇性地发射脉冲信号，虽然峰值功率可能有几W，但平均功率一般只需要几十mW的电源功率，甚至更低。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1／2

5、0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。UWB技术的第4个特点是具有低截获和低检测概率，作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。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。UWB技术的第5个特点是抗多径干扰。由于UWB脉冲宽度一般在亚纳米量级-1(10nm)，发送方式为突发

6、式发送，接收端的匹配滤波器(或者相关器)工作在一个很窄的时间窗口，所以多径信号大多落在窗外，和直达信号的碰撞概率很小(视距条件下、非视距条件下均有类似的结论)，也即多径可以被独立地分辨。因此UWB技术对多径有很强的抵抗能力。UWB技术的第6个特点是可以用来精确定位。由于UWB脉冲是亚纳米量级脉冲，并且可以分辨多径，所以可以利用收发信机的信号延时来测量收发信机之间的距离。如果多个收发信机配合，可以实现精确定位，其精度可达cm量级，优于GPS(全球定位系统)。此外，UWB技术还可以动态地调整数据率。当传输距离增加时，UWB可以用几个脉冲发送1bit，以提高在接收端的

7、SNR(信噪比)。还可以根据传输距离和数据速率要求，动态地调整功耗，大大地方便了军事通信中电台的节能。二、宽频带天线原理根据宽频带特性的要求，宽带天线必须在其频带范围内是具有恒定的阻抗Z的传输线，若长度L达到一个波长以上，则外向波的大部分能量被辐射而只k有很少的能量被反射。V形天线是非谐振的、具有低Q值的辐射器，其输入阻抗在很宽的频率范围内基本维持不变。此外，这种天线与空间有良好的匹配，提供了从输入传输线的导行波到自由空间波的光滑过渡，大部分能流被辐射而很少被反射回去。与之相反，短偶极子具有从传输线上的导行波到空间波的突变转换，造成很大的能量反射，在偶极子附近往

8、返振荡。这种天线是谐振的