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应用于UWB的对数周期天线分析与设计

蒋晓虞  
【摘要】: 自从20世纪50年代末对数周期天线(Log-Periodic Antenna--- LPA)问世以来,其卓越的宽带性能使其获得广泛应用。针对所需频段不同要求,以及随着材料工艺的发展,对数周期天线发展出多种形式。同时,美国FCC(联邦通讯委员会)2002年2月批准将一直应用于军事雷达的UWB部分频段开放民用之后,UWB技术成为个人无线区域网及其它超短波无线通讯研究的新宠。目前开放的频段为3.1~10.6GHz,所以研究在这个倍频段中可以有效辐射时域短脉冲的天线亦成为此项研究的相当重要的一个方面。相应的,对数周期天线以其本身固有卓越的宽带特性成为UWB天线的候选方案之一。 本文首先对UWB技术发展、UWB信号及对天线作简要介绍;而后介绍多种形式的对数周期天线及其应用;并且仿真分析了适用于UWB天线的对数周期天线结构,讨论了其色散问题及解决途径;由于UWB的特殊要求,而后采用FDTD(时域有限差分)方法分析了天线发送、接收的时域波形及其谱域分析;最后为得到更好的性能,以改变天线的结构参数及开缝措施进行改进,并针对UWB系统所希望的小型化,从改变天线结构以及增加介电常数两个方面来缩小天线尺寸。 从分析结果可以看到,所得对数周期天线S11参数(即回波损耗:Return Loss)、辐射方向图等都符合UWB对天线的要求。众所周知,对数周期天线有色散效应,而色散效应将直接导致短脉冲的失真,但采用长振子端馈入、短振子端辐射的馈电方式可改善这一问题,本文的FDTD分析验证了这一点。虽然从天线的工作原理而言,对数周期天线是一种用结构换取频带的天线,但仍可通过多种措施缩小尺寸,从而达到应用于小型移动通信设备的目的。综上所述,将对数周期天线运用于UWB系统是可行的。


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