中心論題：
- 分析超寬帶天線(xiàn)性能和設計要求
- 介紹幾種常用新型超寬帶天線(xiàn)
解決方案：
- 要求超寬帶天線(xiàn)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，體積和方向性等方面對超寬帶天線(xiàn)要求高
近幾年來(lái)，超寬帶短距離無(wú)線(xiàn)通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。它起源于20世紀40年代，最初形式為脈沖無(wú)線(xiàn)通信，主要用于軍事領(lǐng)域，20世紀90年代之后逐漸用于民用領(lǐng)域。所謂超寬帶信號，就是要求任意相對帶寬高出20%或者絕對帶寬大于0.5GHz（FCC定義），其傳輸速率可超過(guò)100Mbit/s，并且滿(mǎn)足FCC功率譜密度限制要求的信號，它的工作頻段定義在3.1～10.6GHz。超寬帶基帶窄脈沖信號通信與通常的載波通信或擴頻通信相比，超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統除了具有高通信速率和超寬通信帶寬外，還具有高保密性，耗電量低，抗多徑衰落能力強，多址和穿透能力強等特點(diǎn)[1,2]。因此，超寬帶技術(shù)在雷達跟蹤、無(wú)線(xiàn)通信、穿透障礙物成像、武器控制系統、測距、精確定位等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
由于超寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統的輻射信號具有超寬頻帶和極低功率譜密度兩大特點(diǎn)，這對超寬帶無(wú)線(xiàn)系統接收系統性能要求非常高，其關(guān)鍵技術(shù)包括脈沖波形設計、調制/解調與多址技術(shù)、窄脈沖的快速捕獲、同步與檢測等。另外，超寬帶（UWB）線(xiàn)的研究也是一個(gè)很重要的部分。UWB天線(xiàn)與常規意義上的寬帶天線(xiàn)還是有著(zhù)顯著(zhù)區別的。常規的寬帶天線(xiàn)大都是非頻變天線(xiàn)，因而并不適合于發(fā)射和接收UWB信號。對于UWB天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，固定的相位中心和低駐波電壓比是非常重要的兩個(gè)電指標，它們決定著(zhù)UWB天線(xiàn)的性能。
本文將對超寬帶天線(xiàn)的設計要求，性能作一一分析，并對現有的幾種常用的超寬帶天線(xiàn)和新型天線(xiàn)作簡(jiǎn)單的介紹。
天線(xiàn)的基本參數
天線(xiàn)作為發(fā)射和接受得能量轉換器，有一系列的性能參數，其中有一些是比較基本的。
輸入阻抗
天線(xiàn)饋電端口電壓和電流之比稱(chēng)為天線(xiàn)的輸入阻抗。定義為，
（1）
其中，Pin是天線(xiàn)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(xiàn)帶寬
在該頻率范圍內，一個(gè)選定的天線(xiàn)參數或者一組天線(xiàn)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(xiàn)與傳輸阻抗相匹配，反射功率小于10%時(shí)的帶寬。對于超寬帶天線(xiàn)，其阻抗帶寬要求7.5GHz。
方向系數、效率和增益
在相同的輸入功率下，某天線(xiàn)產(chǎn)生于某點(diǎn)的電場(chǎng)強度的平方（
）與無(wú)耗理想點(diǎn)源天線(xiàn)產(chǎn)生在同一點(diǎn)的電場(chǎng)強度的平方（ 
）的比值，稱(chēng)為在該點(diǎn)方向的增益，通常用G表示：
（2）
天線(xiàn)的方向系數是指在相同的輻射功率下，某天線(xiàn)的產(chǎn)生于某點(diǎn)的電場(chǎng)強度的平方與點(diǎn)源天線(xiàn)產(chǎn)生在同一點(diǎn)的電場(chǎng)強度的平方的比值，通常用D來(lái)表示：
（3）
通常以天線(xiàn)在最大輻射方向的增益作為這一天線(xiàn)的增益，以天線(xiàn)在最大輻射方向的方向性系數作為這一天線(xiàn)的方向性系數。天線(xiàn)增益（G）和方向性系數（D）是兩個(gè)相互緊密聯(lián)系的物理量，其關(guān)系為
G=η.D?。?）
其中η是天線(xiàn)的效率，它是天線(xiàn)輻射功率和輸入功率的比值，即
（5）
天線(xiàn)的效率表示天線(xiàn)在能量變換上的效能。
超寬帶天線(xiàn)的要求和研究
UWB脈沖通信和傳統的無(wú)線(xiàn)通信的調制傳輸技術(shù)有著(zhù)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??；再次要求它定時(shí)定位準確，抗多徑能力強。除此以外，由于超寬帶系統的特點(diǎn)，對超寬帶天線(xiàn)的特性又提出了不同于一般天線(xiàn)的要求：
（1）根據FCC的要求，天線(xiàn)要能覆蓋3.1～10.6GHz的頻帶寬度。
（2）它不是一種簡(jiǎn)單接受單頻帶信號的天線(xiàn)，而是一種典型的多個(gè)窄頻帶天線(xiàn)。
（3）對天線(xiàn)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(shí)現天線(xiàn)的寬帶化，已有許多成熟的技術(shù)措施，這些技術(shù)有些適合線(xiàn)天線(xiàn)，有些適合面天線(xiàn)，有些兩者都適用：機電結合的方法、加載的方法、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )、綜合方法。
目前，人們在研究設計超寬帶時(shí)往往是先想辦法展寬其頻帶，從而設計出普通的寬帶天線(xiàn)，然后再去分析其頻域和時(shí)域特性，以驗證其性能是否優(yōu)良，進(jìn)而適用于超寬帶系統。人們采用這些基于傳統理論的方法也設計出了許多性能優(yōu)良的超寬帶天線(xiàn)。
幾種超寬帶天線(xiàn)
目前超寬帶天線(xiàn)主要有TEM喇叭、偶極子、螺旋天線(xiàn)、雙錐天線(xiàn)、Vivaldi天線(xiàn)等等，他們性能各異，原理不同。下面對其中幾個(gè)做簡(jiǎn)單的介紹。
偶極子天線(xiàn)
偶極子天線(xiàn)是最基本的天線(xiàn)，本質(zhì)上是窄帶天線(xiàn)，但是可以通過(guò)加載等技術(shù)措施顯著(zhù)展寬它的工作頻帶。偶極子加載可以是阻抗加載，也可以是電抗加載，可以連續加載，也可以離散加載，目的是使天線(xiàn)單位長(cháng)度上的阻抗沿天線(xiàn)臂按指定規律變化。1965年，Wu和King提出對偶極子天線(xiàn)進(jìn)行連續阻性加載，并因此在很寬一個(gè)頻段內獲得了天線(xiàn)上的外向行波，該天線(xiàn)被稱(chēng)為Wu-King偶極子天線(xiàn)。一般偶極子天線(xiàn)只作接受天線(xiàn)。
TEM喇叭天線(xiàn)
TEM喇叭天線(xiàn)的基本結構是由相互間有一張角的兩個(gè)三角形金屬板組成。TEM喇叭天線(xiàn)廣泛的被使用在UWB應用中。它具有良好的阻抗特性和波形保真性?？梢酝ㄟ^(guò)增加喇叭長(cháng)度，加大喇叭張角，喇叭的波阻抗就更接近自由空間波阻抗，口面的反射將減小，脈沖波形的失真亦隨之減小。TEM喇叭天線(xiàn)的增益范圍5～15dB，這個(gè)范圍使用于定向基站天線(xiàn)的應用[3]。
雙錐形天線(xiàn)
1943年，Schelkunoff提出了如圖1所示的雙錐形天線(xiàn)[4]。雙錐形天線(xiàn)及其他的變形的天線(xiàn)，包括盤(pán)錐形線(xiàn)廣泛的應用在超寬帶領(lǐng)域。
雙錐形天線(xiàn)的振子直徑與其相應的兩臂間的距離保持為一個(gè)常數，可使沿線(xiàn)各點(diǎn)的特性阻抗不變，當天線(xiàn)無(wú)限長(cháng)時(shí)，其輸入阻抗就等于振子的特性阻抗，這時(shí)天線(xiàn)電特性與頻率無(wú)關(guān)。雙錐形天線(xiàn)的阻抗僅與錐角的大小有關(guān)。當錐角接近90°時(shí)，天線(xiàn)的輸入電阻近似為50Ω，天線(xiàn)可以獲得很寬的阻抗帶寬。
Vavaldi天線(xiàn)
Vivaldi天線(xiàn)是由較窄的槽線(xiàn)過(guò)渡到較寬的槽線(xiàn)構成的，由Gibson于1979年提出[5]。它的槽線(xiàn)呈指數規律變化，將介質(zhì)板上的槽線(xiàn)寬度逐漸加大，形成喇叭口向外輻射或向內接收的電磁波。在不同的頻率上，它的不同部分發(fā)射或接收電磁波，而各個(gè)輻射部分相對于對應的不同頻率信號的波長(cháng)的電長(cháng)度是不變的。在設計頻段內具有相同的波束寬度。此外，它還具有良好的時(shí)域特性，時(shí)域接收波形具有非色散特性，因此它是一種非常有潛力的超寬帶天線(xiàn)。
超寬帶新型天線(xiàn)
隨著(zhù)UWB系統的民用化，越來(lái)越多的UWB設備用于短距離無(wú)線(xiàn)通信，這種設備通常體積小，要求天線(xiàn)的結構簡(jiǎn)單、尺寸小、成本低。近年來(lái)對應用在短距離無(wú)線(xiàn)通信的天線(xiàn)研究比較多，出現了很多新型的UWB天線(xiàn)。
微帶天線(xiàn)
微帶天線(xiàn)具有小尺寸、易于加工、易于有源器件集成等優(yōu)點(diǎn)，但是它具有一個(gè)最明顯的不足就是它的窄帶特性。為了滿(mǎn)足超寬帶天線(xiàn)的要求，發(fā)展了特殊的微帶天線(xiàn)。
采用微帶天線(xiàn)來(lái)實(shí)現UWB天線(xiàn)，基本的方法是采用印刷單極子天線(xiàn)或者變形的印刷偶極子天線(xiàn)。
印刷單極子天線(xiàn)有多種結構，如三角形、圓形、橢圓形等，還有一些分形結果的特殊形狀。變形的偶極子天線(xiàn)的阻抗和帶寬與振子的寬度有很大的關(guān)系，采用印刷偶極子天線(xiàn)，可以將天線(xiàn)的振子做成平面的，同時(shí)控制天線(xiàn)與饋線(xiàn)之間的連接部分，進(jìn)行阻抗的匹配，達到展寬頻帶的目的。采用這種方法可以得到方向圖和反射系數都比較滿(mǎn)意的結果。文獻[6]提出了一種矩形單極子形式的微帶天線(xiàn)。
縫隙UWB天線(xiàn)
縫隙天線(xiàn)是一種基本的天線(xiàn)形式，是在金屬上刻槽，采用同軸線(xiàn)。微帶線(xiàn)、波導等方法進(jìn)行激勵，從而產(chǎn)生輻射?？p隙天線(xiàn)在微波斷代替振子天線(xiàn)解決振子太小，制作和饋電困難的缺點(diǎn)。
通過(guò)縫隙天線(xiàn)來(lái)實(shí)現UWB帶寬，它的基本原理是，使用橢圓、圓、矩形等特殊的寬縫隙，采用寬帶饋電的方法，實(shí)現超寬帶性能?？p隙天線(xiàn)的帶寬和縫隙的性狀大小有很大的關(guān)系。當使用寬矩形縫隙的時(shí)候，縫隙的長(cháng)寬比對天線(xiàn)的帶寬有很多的影響，而橢圓縫隙的長(cháng)短軸比對帶寬的影響較大。
總結和展望
通過(guò)對超寬帶天線(xiàn)的研究可以知道，其中還存在一些困難。如在超短脈沖發(fā)射中，如何避免振鈴現象。另外，超寬帶天線(xiàn)種如何保持整個(gè)帶寬的恒定增益、提高天線(xiàn)效率、提高天線(xiàn)增益、展寬天線(xiàn)工作頻段也是具有挑戰性的工作。
雖然目前超寬帶天線(xiàn)的發(fā)展面臨諸多挑戰，但是，我們有理由相信，在未來(lái)幾年將會(huì )有更大的突破。在民用超寬帶和移動(dòng)式通信設備種超短帶天線(xiàn)的發(fā)展也會(huì )朝著(zhù)小型化、高效率、穩定增益、寬頻帶、超短快速脈沖響應的方向發(fā)展。
