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超寬帶通信中的天線技術(shù)

發(fā)布時間:2008-11-02 來源:泰安網(wǎng)

中心論題:

  • 分析超寬帶天線性能和設(shè)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(zhǔn)確、抗多徑能力強(qiáng)
  • 在色散,體積和方向性等方面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(shù)領(lǐng)域極大的重視。它起源于20世紀(jì)40年代,最初形式為脈沖無線通信,主要用于軍事領(lǐng)域,20世紀(jì)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100Mbit/s,并且滿足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(kuò)頻通信相比,超寬帶無線通信系統(tǒng)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(qiáng),多址和穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1,2]。因此,超寬帶技術(shù)在雷達(dá)跟蹤、無線通信、穿透障礙物成像、武器控制系統(tǒng)、測距、精確定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于超寬帶無線接入系統(tǒng)的輻射信號具有超寬頻帶和極低功率譜密度兩大特點(diǎn),這對超寬帶無線系統(tǒng)接收系統(tǒng)性能要求非常高,其關(guān)鍵技術(shù)包括脈沖波形設(shè)計、調(diào)制/解調(diào)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)線的研究也是一個很重要的部分。UWB天線與常規(guī)意義上的寬帶天線還是有著顯著區(qū)別的。常規(guī)的寬帶天線大都是非頻變天線,因而并不適合于發(fā)射和接收UWB信號。對于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(biāo),它們決定著UWB天線的性能。

本文將對超寬帶天線的設(shè)計要求,性能作一一分析,并對現(xiàn)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(shù)
天線作為發(fā)射和接受得能量轉(zhuǎn)換器,有一系列的性能參數(shù),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
在該頻率范圍內(nèi),一個選定的天線參數(shù)或者一組天線參數(shù)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,反射功率小于10%時的帶寬。對于超寬帶天線,其阻抗帶寬要求7.5GHz。

方向系數(shù)、效率和增益
在相同的輸入功率下,某天線產(chǎn)生于某點(diǎn)的電場強(qiáng)度的平方( )與無耗理想點(diǎn)源天線產(chǎn)生在同一點(diǎn)的電場強(qiáng)度的平方( )的比值,稱為在該點(diǎn)方向的增益,通常用G表示:


 (2)


天線的方向系數(shù)是指在相同的輻射功率下,某天線的產(chǎn)生于某點(diǎn)的電場強(qiáng)度的平方與點(diǎn)源天線產(chǎn)生在同一點(diǎn)的電場強(qiáng)度的平方的比值,通常用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系數(shù)作為這一天線的方向性系數(shù)。天線增益(G)和方向性系數(shù)(D)是兩個相互緊密聯(lián)系的物理量,其關(guān)系為

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脈沖通信和傳統(tǒng)的無線通信的調(diào)制傳輸技術(shù)有著根本的區(qū)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(zhǔn)確,抗多徑能力強(qiáng)。除此以外,由于超寬帶系統(tǒng)的特點(diǎn),對超寬帶天線的特性又提出了不同于一般天線的要求:

(1)根據(jù)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(yīng)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(xiàn)天線的寬帶化,已有許多成熟的技術(shù)措施,這些技術(shù)有些適合線天線,有些適合面天線,有些兩者都適用:機(jī)電結(jié)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(shè)計超寬帶時往往是先想辦法展寬其頻帶,從而設(shè)計出普通的寬帶天線,然后再去分析其頻域和時域特性,以驗(yàn)證其性能是否優(yōu)良,進(jìn)而適用于超寬帶系統(tǒng)。人們采用這些基于傳統(tǒng)理論的方法也設(shè)計出了許多性能優(yōu)良的超寬帶天線。

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。下面對其中幾個做簡單的介紹。

偶極子天線
偶極子天線是最基本的天線,本質(zhì)上是窄帶天線,但是可以通過加載等技術(shù)措施顯著展寬它的工作頻帶。偶極子加載可以是阻抗加載,也可以是電抗加載,可以連續(xù)加載,也可以離散加載,目的是使天線單位長度上的阻抗沿天線臂按指定規(guī)律變化。1965年,Wu和King提出對偶極子天線進(jìn)行連續(xù)阻性加載,并因此在很寬一個頻段內(nèi)獲得了天線上的外向行波,該天線被稱為Wu-King偶極子天線。一般偶極子天線只作接受天線。

TEM喇叭天線
TEM喇叭天線的基本結(jié)構(gòu)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(yīng)用中。它具有良好的阻抗特性和波形保真性。可以通過增加喇叭長度,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喇叭天線的增益范圍5~15dB,這個范圍使用于定向基站天線的應(yīng)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(yīng)用在超寬帶領(lǐng)域。

雙錐形天線的振子直徑與其相應(yīng)的兩臂間的距離保持為一個常數(shù),可使沿線各點(diǎn)的特性阻抗不變,當(dāng)天線無限長時,其輸入阻抗就等于振子的特性阻抗,這時天線電特性與頻率無關(guān)。雙錐形天線的阻抗僅與錐角的大小有關(guān)。當(dāng)錐角接近90°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(gòu)成的,由Gibson于1979年提出[5]。它的槽線呈指數(shù)規(guī)律變化,將介質(zhì)板上的槽線寬度逐漸加大,形成喇叭口向外輻射或向內(nèi)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,而各個輻射部分相對于對應(yīng)的不同頻率信號的波長的電長度是不變的。在設(shè)計頻段內(nèi)具有相同的波束寬度。此外,它還具有良好的時域特性,時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。

超寬帶新型天線
隨著UWB系統(tǒng)的民用化,越來越多的UWB設(shè)備用于短距離無線通信,這種設(shè)備通常體積小,要求天線的結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低。近年來對應(yīng)用在短距離無線通信的天線研究比較多,出現(xiàn)了很多新型的UWB天線。

微帶天線
微帶天線具有小尺寸、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(fā)展了特殊的微帶天線。

采用微帶天線來實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu),如三角形、圓形、橢圓形等,還有一些分形結(jié)果的特殊形狀。變形的偶極子天線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,可以將天線的振子做成平面的,同時控制天線與饋線之間的連接部分,進(jìn)行阻抗的匹配,達(dá)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(shù)都比較滿意的結(jié)果。文獻(xiàn)[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(dǎo)等方法進(jìn)行激勵,從而產(chǎn)生輻射。縫隙天線在微波斷代替振子天線解決振子太小,制作和饋電困難的缺點(diǎn)。

通過縫隙天線來實(shí)現(xiàn)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(xiàn)超寬帶性能。縫隙天線的帶寬和縫隙的性狀大小有很大的關(guān)系。當(dāng)使用寬矩形縫隙的時候,縫隙的長寬比對天線的帶寬有很多的影響,而橢圓縫隙的長短軸比對帶寬的影響較大。

總結(jié)和展望
通過對超寬帶天線的研究可以知道,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(xiàn)象。另外,超寬帶天線種如何保持整個帶寬的恒定增益、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(zhàn)性的工作。

雖然目前超寬帶天線的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn),但是,我們有理由相信,在未來幾年將會有更大的突破。在民用超寬帶和移動式通信設(shè)備種超短帶天線的發(fā)展也會朝著小型化、高效率、穩(wěn)定增益、寬頻帶、超短快速脈沖響應(yīng)的方向發(fā)展。

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