超宽带天线
超宽带天线
一、研究背景
在当今世界，无线通信技术不断的改变着我们的生活，它把我们从有线的束缚中解放出来。2002，美国联邦委员会（FCC ）通过了超宽带技术规范且允许其商用，超宽带技术被视为一个拥有无线前景的无线通信技术。
超宽带天线（UWB ）是一种为了与超宽带系统集成并且满足超宽带信号的收发，将电信号和空间电磁波相互转化的装置。超宽带技术的发展有着悠久的历史，最早可以追溯到1886年赫兹的第一个无线通信系统，同时他也是提出超宽带的第一人。而赫兹所提的产生超宽带信号的方式使用了20多年，而后马可尼将调谐电路引入到赫兹的无线系统中，之后就产生了无线通信服务。但由于当时硬件条件困难。超宽带理论也建立不成熟等造成了超宽带技术研究停滞不前。而随着相关理论的成熟和硬件设施的各种发明应用，20世纪50年代到20世纪末超宽带技术发展趋势稳定。
由于超宽带天线有着独一无二的优势，UWB 的应用领域十分广阔，其中包括通信、传感器、定位、雷达等等。
二、超宽带天线的设计
2.1、用HFSS 对天线的设计与仿真结果
下图为天线设计的正反两个面：
材料的厚度为1.6mm ，介电常数为4.4的FR4,30mm*35mm 经过优化得微带线的宽度为3.1mm
天线设计中各个参数分别为：W1=30mm,L1=12mm,r=5mm，L=16mm,a=2mm 背面H=15mm,b=4mm,圆的高度为22.5mm 。 仿真后的结果为：
图2-1 微带线的特性阻抗
图2-2 电压驻波比
图2-3 s（1，1）参数
图2-4 史密斯圆图
图2-5 中心频率为6GHz 时的天线方向图
2.2、仿真过程与分析
2.2.1、天线锯齿线的有无对带宽的影响
若不存在锯齿结构天线呈下图所示
图2-6
S （1，1）参数仿真结果
图2-7
天线渐变存在边长为2mm 的正方形
图2-8
S(1,1)参数仿真结果
图2-9
改变渐变结构大小如图
图2-10
S(1,1)参数仿真结果：
图2-11
经过仿真结果对比可以看出，有锯齿结构比没有锯齿结构效果更好，表现在高频区域很好的实现了阻抗匹配。
2.2.2、渐变结构的形状对带宽的影响
将渐变结构改为阶梯型，高度为1mm, 长度为2mm
图2-12
S （1，1）参数仿真如下：
图2-13
将边缘锯齿改为正方形：
图2-14
S （1，1）参数仿真如下：
图2-15
经上述仿真可以发现：
锯齿状结构很好的提高了带宽；
正方形结构比矩形结构更能改善带宽性能；
规则形状比不规则形状在低频段产生更好的匹配；
综合考虑高度与锯齿对带宽的影响，我们采用倾斜形状。
2.2.3、背面开槽对带宽的影响
当背面不开槽时：
图2-16
S （1，1）参数仿真图
图2-17
当背面开槽时：
图2-18
S(1,1)参数仿真如下：
图2-19
天线地有无开槽对带宽尤其是高频带带宽影响巨大，凹槽可以改变电流的流向。从图中可以看出当极板正面完全一样时，背面开槽可以将带宽几乎扩大一倍，带宽可以达到3-18GHz 。 2.3、仿真结论:
通过对超宽带天线的设计，并且从结构对带宽的影响角度进行参数分析，分析出锯齿状结构的确可以增大带宽，而其中正方形结构的性能普遍要比矩形结构的低频性能要好。之后对背板进行凹槽设计可以得出结论:背板的凹槽对带宽的贡献十分巨大，可以使-10dB 带宽扩大到18GHz 。探讨了天线锯齿结构对超宽带天线带宽的影响，并得出结论。
三、超宽带天线的性能指标
3.1、天线的阻抗带宽
天线有多种形式的带宽，方向图带宽﹑增益带宽﹑输入阻抗带宽等，用得较多的是天线输入阻抗带宽。
大多数天线的输入阻抗都是和频率相关的，即非频率独立的，这就引起了传输线与天线之间的阻抗适配从而使天线的辐射效率降低。和阻抗带相关的两个参数为电压驻波比(VSWR)和回波损耗(Returen loss) ，回波损耗即为S （11），而终端的电压反射系数T 直接决定了这两个参数。
输入阻抗：
3.2、天线的方向系数、效率和增益
天线的方向性系数(Directive Factor)和增益(Gain)是选用天线的最主要参数之一。天线增益被定义为天线最大方向性增益与天线效率的乘积。天线的射束宽度(Beamwidth)是指在天线垂直面(电场E 面) 或水平面(磁场H 面)
方向性图主波瓣上，其幅度比主瓣峰值低3dB 的两点之间的加角角度。
(1)方向图：
在特定的频率点上，天线的远区辐射场可以表示为
令的最大值为1，可以画出天线归一化方向图。
（2）方向性系数
相同条件下，天线方向图上最大功率密度与点源天线之比
（3）增益：
相同输入功率条件下，天线方向图上最大功率密度与理想
全向天线功率密度之比
（4）天线效率：
其中
3.3、极化方向
天线最大辐射方向上电场矢量随时间变化在空间描出的轨迹；天线的极化形式分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。
四、结论
通过对超宽带天线的设计，并且从结构对带宽的影响角度进行参数分析，分析出锯齿状结构的确可以增大带宽，而其中正方形结构的性能普遍要比矩形结构的低频性能要好。之后对背板进行凹槽设计可以得出结论:背板的凹槽对带宽的贡献十分巨大，可以使-10dB 带宽扩大到18GHz 。探讨了天线锯齿结构对超宽带天线带宽的影响，并得出结论。
f (f ( 分别表示天线的辐射、损耗、输入功率。
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