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超宽带天线及其阵列研究

张金平  
【摘要】: 超宽带(Ultra-wideband,UWB)无线通信系统中的天线技术是本文的研究内容。UWB技术是目前短距高速无线通信系统实现的有力竞争方案,该技术固有的特点及其特定的应用场合决定了UWB天线在电特性和物理特性上均有别于传统的窄带和宽带天线。作为有效完成极窄时域脉冲信号辐射和接收的关键性部件,UWB天线的性能也直接制约着整个UWB系统的性能。因此,开展UWB天线设计理论及其技术实现的研究不仅具有较高的学术价值,同时也有相当的实际意义。 本文的研究围绕UWB天线单元及其阵列设计展开,研究内容集中于天线设计的基本理论、新型天线结构、分形与天线设计的结合方法以及UWB天线阵列四个方面,主要贡献如下: 本文通过深入分析脉冲信号辐射的基本理论,提炼出UWB天线的设计要求,并给出消除脉冲振铃、实现较好端口匹配的天线设计思路。通过对宽带脉冲信号和窄带信号辐射特性的分析,掌握辐射和接收过程中脉冲波形畸变和振铃的产生机理以及制约高性能UWB天线实现的各项因素,并定义相关参数以量化波形的失真性能。通过综合考虑UWB系统对天线的电性能和物理性能要求,指出UWB天线应当着重研究其在极大阻抗带宽、线性相频响应以及低剖面小型化三个方面的实现问题。 本文解决了椭圆类偶极天线在宽带馈电方面存在的问题。提出的宽带扇形-槽线耦合结构,可有效克服这类偶极天线在带宽和馈电方面的局限,从而让平面椭圆偶极天线能有效应用于工程实现。在此基础上发展了新型的微带耦合馈电平面椭圆UWB天线,并给出相应的设计方法。该型天线馈电简单,工作带宽可完全覆盖UWB应用所需的3.1-10.6GHz频段,并在较大空域内具有良好的波形保真特性。作为对该结构的改进,进一步提出微带馈电半椭圆偶极天线,在保证相同电性能的基础上尺寸由最低工作频率波长的约二分之一减小至约三分之一;此外,通过对辐射单元的简单修剪,还可得到5.0-6.0GHz频段的带阻特性。这类新型平面椭圆UWB天线性能优异,能灵活应用于不同的UWB通信系统,具有很高的实用价值。 本文将分形引入UWB天线的设计,探索利用分形结构实现UWB天线的若干方法。对特定分形结构的分析结果表明,分形天线具有降低谐振频率、缩小天线尺寸的特点,指出若结合分形和常规的馈电结构来设计分形UWB天线,则存在进一步减小天线尺寸的潜力,由此相应的天线性能也可得到提升。依据这一结论,提出UWB微带耦合馈电平面Koch分形槽天线,在工作带宽覆盖3-6GHz频段的同时,其尺寸仅为最低工作频率波长的四分之一左右,可有效集成在UWB系统内。 本文提出针对UWB应用的二维Y形和三维锥形阵列结构,以解决现有阵结构中最大辐射指向的模糊性问题,并给出了锥形阵对来波信号的定位算法。通过详细分析Y型阵和锥形阵的空间时域和频域辐射特性,指出时域UWB天线阵的副瓣较低,而且阵元间距的变化对副瓣影响很小;另一方面,构建单元位于不同平面内的三维阵列结构是实现空间辐射波束指向唯一性的必要条件。锥形天线阵采用简单的馈电时延分配方案,可保证辐射波束的唯一性和最大辐射指向的任意性;接收时结合来波定位算法,则能够实现对多路信号的实时定位跟踪。锥形阵结构在单波束、高增益和可控性三个方面可取得较好折中。


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