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。超(chao)寬(kuan)帶(dai)基(ji)帶(dai)窄(zhai)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)通(tong)信(xin)與(yu)通(tong)常(chang)的(de)載(zai)波(bo)通(tong)信(xin)或(huo)擴(kuo)頻(pin)通(tong)信(xin)相(xiang)比(bi)
，超(chao)寬(kuan)帶(dai)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)除(chu)了(le)具(ju)有(you)高(gao)通(tong)信(xin)速(su)率(lv)和(he)超(chao)寬(kuan)通(tong)信(xin)帶(dai)寬(kuan)外(wai)，還(hai)具(ju)有(you)高(gao)保(bao)密(mi)性(xing)，耗(hao)電(dian)量(liang)低(di)，抗(kang)多(duo)徑(jing)衰(shuai)落(luo)能(neng)力(li)強(qiang)，多(duo)址(zhi)和(he)穿(chuan)透(tou)能(neng)力(li)強(qiang)等(deng)特(te)點(dian)[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）

天(tian)線(xian)的(de)方(fang)向(xiang)係(xi)數(shu)是(shi)指(zhi)在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)輻(fu)射(she)功(gong)率(lv)下(xia)，某(mou)天(tian)線(xian)的(de)產(chan)生(sheng)於(yu)某(mou)點(dian)的(de)電(dian)場(chang)強(qiang)度(du)的(de)平(ping)方(fang)與(yu)點(dian)源(yuan)天(tian)線(xian)產(chan)生(sheng)在(zai)同(tong)一(yi)點(dian)的(de)電(dian)場(chang)強(qiang)度(du)的(de)平(ping)方(fang)的(de)比(bi)值(zhi)

，通(tong)常(chang)用(yong)D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。

shuangzhuixingtianxiandezhenzizhijingyuqixiangyingdeliangbijiandejulibaochiweiyigechangshu，keshiyanxiangediandetexingzukangbubian，dangtianxianwuxianchangshi，qishuruzukangjiudengyuzhenzidetexingzukang，zheshitianxiandiantexingyupinlvwuguan。shuangzhuixingtianxiandezukangjinyuzhuijiaodedaxiaoyouguan。dangzhuijiaojiejin90°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]。它(ta)的(de)槽(cao)線(xian)呈(cheng)指(zhi)數(shu)規(gui)律(lv)變(bian)化(hua)
，將(jiang)介(jie)質(zhi)板(ban)上(shang)的(de)槽(cao)線(xian)寬(kuan)度(du)逐(zhu)漸(jian)加(jia)大(da)
，形(xing)成(cheng)喇(la)叭(ba)口(kou)向(xiang)外(wai)輻(fu)射(she)或(huo)向(xiang)內(nei)接(jie)收(shou)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)。在(zai)不(bu)同(tong)的(de)頻(pin)率(lv)上(shang)，它(ta)的(de)不(bu)同(tong)部(bu)分(fen)發(fa)射(she)或(huo)接(jie)收(shou)電(dian)磁(ci)波(bo)，而(er)各(ge)個(ge)輻(fu)射(she)部(bu)分(fen)相(xiang)對(dui)於(yu)對(dui)應(ying)的(de)不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)信(xin)號(hao)的(de)波(bo)長(chang)的(de)電(dian)長(chang)度(du)是(shi)不(bu)變(bian)的(de)。在(zai)設(she)計(ji)頻(pin)段(duan)內(nei)具(ju)有(you)相(xiang)同(tong)的(de)波(bo)束(shu)寬(kuan)度(du)。此(ci)外(wai)，它(ta)還(hai)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)時(shi)域(yu)特(te)性(xing)，時(shi)域(yu)接(jie)收(shou)波(bo)形(xing)具(ju)有(you)非(fei)色(se)散(san)特(te)性(xing)
，因(yin)此(ci)它(ta)是(shi)一(yi)種(zhong)非(fei)常(chang)有(you)潛(qian)力(li)的(de)超(chao)寬(kuan)帶(dai)天(tian)線(xian)。

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、tuoyuanxingdeng，haiyouyixiefenxingjieguodeteshuxingzhuang。bianxingdeoujizitianxiandezukanghedaikuanyuzhenzidekuanduyouhendadeguanxi，caiyongyinshuaoujizitianxian，keyijiangtianxiandezhenzizuochengpingmiande，tongshikongzhitianxianyukuixianzhijiandelianjiebufen，jinxingzukangdepipei
，dadaozhankuanpindaidemude。caiyongzhezhongfangfakeyidedaofangxiangtuhefanshexishudoubijiaomanyidejieguo。wenxian[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

、juxingdengteshudekuanfengxi

，caiyongkuandaikuidiandefangfa
，shixianchaokuandaixingneng。fengxitianxiandedaikuanhefengxidexingzhuangdaxiaoyouhendadeguanxi。dangshiyongkuanjuxingfengxideshihou
，fengxidechangkuanbiduitianxiandedaikuanyouhenduodeyingxiang
，ertuoyuanfengxidechangduanzhoubiduidaikuandeyingxiangjiaoda。

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。