中心論題：

• 分析超寬帶天線性能和設計要求
• 介紹幾種常用新型超寬帶天線

解決方案：

• 要求超寬帶天線頻帶寬，傳輸速率高、功率低、功耗小、定位準確
  、抗多徑能力強
• 在色散，體積和方向性等方麵對超寬帶天線要求高

近幾年來，超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術領域極大的重視。它起源於20世紀40年代，最初形式為脈衝無線通信，主要用於軍事領域，20世紀90年代之後逐漸用於民用領域。所謂超寬帶信號，就是要求任意相對帶寬高出20%或者絕對帶寬大於0.5GHz（FCC定義），其傳輸速率可超過100Mbit/s，並且滿足FCC功率譜密度限製要求的信號，它的工作頻段定義在3.1～10.6GHz。chaokuandaijidaizhaimaichongxinhaotongxinyutongchangdezaibotongxinhuokuopintongxinxiangbi
，chaokuandaiwuxiantongxinxitongchulejuyougaotongxinsulvhechaokuantongxindaikuanwai
，haijuyougaobaomixing，haodianliangdi，kangduojingshuailuonengliqiang
，duozhihechuantounengliqiangdengtedian[1,2]。因此，超寬帶技術在雷達跟蹤、無線通信、穿透障礙物成像


、武器控製係統、測距、精確定位等領域具有廣闊的應用前景。

由you於yu超chao寬kuan帶dai無wu線xian接jie入ru係xi統tong的de輻fu射she信xin號hao具ju有you超chao寬kuan頻pin帶dai和he極ji低di功gong率lv譜pu密mi度du兩liang大da特te點dian，這zhe對dui超chao寬kuan帶dai無wu線xian係xi統tong接jie收shou係xi統tong性xing能neng要yao求qiu非fei常chang高gao，其qi關guan鍵jian技ji術shu包bao括kuo脈mai衝chong波bo形xing設she計ji、調製/解調與多址技術、窄脈衝的快速捕獲、同步與檢測等。另外
，超寬帶（UWB）線的研究也是一個很重要的部分。UWB天線與常規意義上的寬帶天線還是有著顯著區別的。常規的寬帶天線大都是非頻變天線
，因而並不適合於發射和接收UWB信號。對於UWB天線來說，固定的相位中心和低駐波電壓比是非常重要的兩個電指標，它們決定著UWB天線的性能。

本文將對超寬帶天線的設計要求，性能作一一分析
，並對現有的幾種常用的超寬帶天線和新型天線作簡單的介紹。

天線的基本參數
天線作為發射和接受得能量轉換器，有一係列的性能參數，其中有一些是比較基本的。

輸入阻抗
天線饋電端口電壓和電流之比稱為天線的輸入阻抗。定義為，

 （1）

其中
，Pin是天線的輸入功率，Iin是輸入電流
，Rin是輸入電阻

，Xin是為輸入電抗。

天線帶寬
在該頻率範圍內，一個選定的天線參數或者一組天線參數的改變是可以接受的。有方向帶寬、增益帶寬

、輸入阻抗帶寬等

，用的較多的是輸入阻抗帶寬。它指的是天線與傳輸阻抗相匹配，反射功率小於10%時的帶寬。對於超寬帶天線，其阻抗帶寬要求7.5GHz。

方向係數、效率和增益
在相同的輸入功率下，某天線產生於某點的電場強度的平方（ ）與無耗理想點源天線產生在同一點的電場強度的平方（ ）的比值，稱為在該點方向的增益
，通常用G表示：

 （2）

tianxiandefangxiangxishushizhizaixiangtongdefushegonglvxia
，moutianxiandechanshengyumoudiandedianchangqiangdudepingfangyudianyuantianxianchanshengzaitongyidiandedianchangqiangdudepingfangdebizhi
，tongchangyongD來表示：
 

（3）

通常以天線在最大輻射方向的增益作為這一天線的增益
，以天線在最大輻射方向的方向性係數作為這一天線的方向性係數。天線增益（G）和方向性係數（D）是兩個相互緊密聯係的物理量，其關係為

G=η.D　（4）

其中η是天線的效率
，它是天線輻射功率和輸入功率的比值，即
 

（5）

天線的效率表示天線在能量變換上的效能。

超寬帶天線的要求和研究
UWB脈衝通信和傳統的無線通信的調製傳輸技術有著根本的區別。首先要求其頻帶寬
，傳輸速率高；其次是要求功率低，功耗小；再次要求它定時定位準確，抗多徑能力強。除此以外，由於超寬帶係統的特點
，對超寬帶天線的特性又提出了不同於一般天線的要求：

（1）根據FCC的要求，天線要能覆蓋3.1～10.6GHz的頻帶寬度。

（2）它不是一種簡單接受單頻帶信號的天線，而是一種典型的多個窄頻帶天線。

（3）對天線的色散要求很高。

（4）主要應用在短距離通信中，對體積和方向性有較高的要求。

為實現天線的寬帶化
，已有許多成熟的技術措施，這些技術有些適合線天線

，有些適合麵天線，有些兩者都適用：機電結合的方法、加載的方法、阻抗匹配網絡、綜合方法。

目mu前qian，人ren們men在zai研yan究jiu設she計ji超chao寬kuan帶dai時shi往wang往wang是shi先xian想xiang辦ban法fa展zhan寬kuan其qi頻pin帶dai，從cong而er設she計ji出chu普pu通tong的de寬kuan帶dai天tian線xian，然ran後hou再zai去qu分fen析xi其qi頻pin域yu和he時shi域yu特te性xing


，以yi驗yan證zheng其qi性xing能neng是shi否fou優you良liang，進jin而er適shi用yong於yu超chao寬kuan帶dai係xi統tong。人ren們men采cai用yong這zhe些xie基ji於yu傳chuan統tong理li論lun的de方fang法fa也ye設she計ji出chu了le許xu多duo性xing能neng優you良liang的de超chao寬kuan帶dai天tian線xian。

幾種超寬帶天線
目前超寬帶天線主要有TEM喇叭
、偶極子、螺旋天線
、雙錐天線
、Vivaldi天線等等，他們性能各異
，原理不同。下麵對其中幾個做簡單的介紹。

偶極子天線
oujizitianxianshizuijibendetianxian，benzhishangshizhaidaitianxian，danshikeyitongguojiazaidengjishucuoshixianzhuzhankuantadegongzuopindai。oujizijiazaikeyishizukangjiazai，yekeyishidiankangjiazai
，keyilianxujiazai
，yekeyilisanjiazai，mudeshishitianxiandanweichangdushangdezukangyantianxianbianzhidingguilvbianhua。1965年，Wu和King提出對偶極子天線進行連續阻性加載，並因此在很寬一個頻段內獲得了天線上的外向行波，該天線被稱為Wu-King偶極子天線。一般偶極子天線隻作接受天線。

TEM喇叭天線
TEM喇叭天線的基本結構是由相互間有一張角的兩個三角形金屬板組成。TEM喇叭天線廣泛的被使用在UWB應(ying)用(yong)中(zhong)。它(ta)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)阻(zu)抗(kang)特(te)性(xing)和(he)波(bo)形(xing)保(bao)真(zhen)性(xing)。可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)喇(la)叭(ba)長(chang)度(du)
，加(jia)大(da)喇(la)叭(ba)張(zhang)角(jiao)，喇(la)叭(ba)的(de)波(bo)阻(zu)抗(kang)就(jiu)更(geng)接(jie)近(jin)自(zi)由(you)空(kong)間(jian)波(bo)阻(zu)抗(kang)，口(kou)麵(mian)的(de)反(fan)射(she)將(jiang)減(jian)小(xiao)，脈(mai)衝(chong)波(bo)形(xing)的(de)失(shi)真(zhen)亦(yi)隨(sui)之(zhi)減(jian)小(xiao)。TEM喇叭天線的增益範圍5～15dB，這個範圍使用於定向基站天線的應用[3]。

雙錐形天線
1943年
，Schelkunoff提出了如圖1所示的雙錐形天線[4]。雙錐形天線及其他的變形的天線，包括盤錐形線廣泛的應用在超寬帶領域。

雙shuang錐zhui形xing天tian線xian的de振zhen子zi直zhi徑jing與yu其qi相xiang應ying的de兩liang臂bi間jian的de距ju離li保bao持chi為wei一yi個ge常chang數shu，可ke使shi沿yan線xian各ge點dian的de特te性xing阻zu抗kang不bu變bian，當dang天tian線xian無wu限xian長chang時shi，其qi輸shu入ru阻zu抗kang就jiu等deng於yu振zhen子zi的de特te性xing阻zu抗kang，這zhe時shi天tian線xian電dian特te性xing與yu頻pin率lv無wu關guan。雙shuang錐zhui形xing天tian線xian的de阻zu抗kang僅jin與yu錐zhui角jiao的de大da小xiao有you關guan。當dang錐zhui角jiao接jie近jin90°時
，天線的輸入電阻近似為50Ω，天線可以獲得很寬的阻抗帶寬。

Vavaldi天線
Vivaldi天線是由較窄的槽線過渡到較寬的槽線構成的，由Gibson於1979年提出[5]。tadecaoxianchengzhishuguilvbianhua，jiangjiezhibanshangdecaoxiankuanduzhujianjiada
，xingchenglabakouxiangwaifushehuoxiangneijieshoudediancibo。zaibutongdepinlvshang
，tadebutongbufenfashehuojieshoudiancibo，ergegefushebufenxiangduiyuduiyingdebutongpinlvxinhaodebochangdedianchangdushibubiande。zaishejipinduanneijuyouxiangtongdeboshukuandu。ciwai，tahaijuyoulianghaodeshiyutexing，shiyujieshouboxingjuyoufeisesantexing，yincitashiyizhongfeichangyouqianlidechaokuandaitianxian。

超寬帶新型天線
隨著UWB係統的民用化，越來越多的UWB設備用於短距離無線通信
，這種設備通常體積小，要求天線的結構簡單、尺寸小、成本低。近年來對應用在短距離無線通信的天線研究比較多，出現了很多新型的UWB天線。

微帶天線
微帶天線具有小尺寸、易於加工、易於有源器件集成等優點，但是它具有一個最明顯的不足就是它的窄帶特性。為了滿足超寬帶天線的要求
，發展了特殊的微帶天線。

采用微帶天線來實現UWB天線
，基本的方法是采用印刷單極子天線或者變形的印刷偶極子天線。

印刷單極子天線有多種結構，如三角形、圓形、橢tuo圓yuan形xing等deng
，還hai有you一yi些xie分fen形xing結jie果guo的de特te殊shu形xing狀zhuang。變bian形xing的de偶ou極ji子zi天tian線xian的de阻zu抗kang和he帶dai寬kuan與yu振zhen子zi的de寬kuan度du有you很hen大da的de關guan係xi
，采cai用yong印yin刷shua偶ou極ji子zi天tian線xian
，可ke以yi將jiang天tian線xian的de振zhen子zi做zuo成cheng平ping麵mian的de
，同tong時shi控kong製zhi天tian線xian與yu饋kui線xian之zhi間jian的de連lian接jie部bu分fen，進jin行xing阻zu抗kang的de匹pi配pei，達da到dao展zhan寬kuan頻pin帶dai的de目mu的de。采cai用yong這zhe種zhong方fang法fa可ke以yi得de到dao方fang向xiang圖tu和he反fan射she係xi數shu都dou比bi較jiao滿man意yi的de結jie果guo。文wen獻xian[6]提出了一種矩形單極子形式的微帶天線。

縫隙UWB天線
縫隙天線是一種基本的天線形式，是在金屬上刻槽，采用同軸線。微帶線
、波導等方法進行激勵
，從而產生輻射。縫隙天線在微波斷代替振子天線解決振子太小
，製作和饋電困難的缺點。

通過縫隙天線來實現UWB帶寬，它的基本原理是，使用橢圓
、圓
、矩ju形xing等deng特te殊shu的de寬kuan縫feng隙xi，采cai用yong寬kuan帶dai饋kui電dian的de方fang法fa，實shi現xian超chao寬kuan帶dai性xing能neng。縫feng隙xi天tian線xian的de帶dai寬kuan和he縫feng隙xi的de性xing狀zhuang大da小xiao有you很hen大da的de關guan係xi。當dang使shi用yong寬kuan矩ju形xing縫feng隙xi的de時shi候hou，縫feng隙xi的de長chang寬kuan比bi對dui天tian線xian的de帶dai寬kuan有you很hen多duo的de影ying響xiang
，而er橢tuo圓yuan縫feng隙xi的de長chang短duan軸zhou比bi對dui帶dai寬kuan的de影ying響xiang較jiao大da。

總結和展望
通tong過guo對dui超chao寬kuan帶dai天tian線xian的de研yan究jiu可ke以yi知zhi道dao
，其qi中zhong還hai存cun在zai一yi些xie困kun難nan。如ru在zai超chao短duan脈mai衝chong發fa射she中zhong
，如ru何he避bi免mian振zhen鈴ling現xian象xiang。另ling外wai，超chao寬kuan帶dai天tian線xian種zhong如ru何he保bao持chi整zheng個ge帶dai寬kuan的de恒heng定ding增zeng益yi、提高天線效率、提高天線增益、展寬天線工作頻段也是具有挑戰性的工作。

雖(sui)然(ran)目(mu)前(qian)超(chao)寬(kuan)帶(dai)天(tian)線(xian)的(de)發(fa)展(zhan)麵(mian)臨(lin)諸(zhu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)，但(dan)是(shi)，我(wo)們(men)有(you)理(li)由(you)相(xiang)信(xin)
，在(zai)未(wei)來(lai)幾(ji)年(nian)將(jiang)會(hui)有(you)更(geng)大(da)的(de)突(tu)破(po)。在(zai)民(min)用(yong)超(chao)寬(kuan)帶(dai)和(he)移(yi)動(dong)式(shi)通(tong)信(xin)設(she)備(bei)種(zhong)超(chao)短(duan)帶(dai)天(tian)線(xian)的(de)發(fa)展(zhan)也(ye)會(hui)朝(chao)著(zhe)小(xiao)型(xing)化(hua)
、高效率、穩定增益、寬頻帶、超短快速脈衝響應的方向發展。