超宽带天线设计与研究
超宽带天线的研究与设计
中文摘要
近几年来，超宽带天线的研究已经成为热潮。本文的思想也是研究小型化超宽带平板天线，让其在生活中的硬件设计产品中满足超宽带天线的技术需要。因为超宽带天线在WiMAX和WLAN的窄带系统和装载切口天线设计结构上产生的影响。实现WiMAX和WLAN频带的双凹槽在超宽带天线结构设计。在设计过程中主要是使用HFSS软件进行天线结构的仿真优化。主要利用了HFSS软件仿真和天线结构的优化设计过程。我们针对其超宽带天线的性能参数，相应的提升平面单极子天线的基础研究。传统平面单极子天线与狭槽，狭槽装载方法的横截面，提出了几种平面单极子天线从频域和时域研究，从而从单极子天线的相关性能参数出发，研究平面单极子天线在频率范围为3.1GHZ-11GHZ，使超宽带天线能够达到市场对硬件方面的应用需求。
关键词：平面单极子天线；超宽带；HFSS仿真
I
Research and design of ultra-wideband antenna
Abstract
In recent years, the research of ultra-wideband antenna has become a boom. Thought of this paper is to study ultra-wideband planar antenna miniaturization, let the life in the hardware design of the product satisfy the need of ultra-wideband antenna. Because of ultra-wideband antenna in WLAN and WiMAX narrowband systems and the impact loading of incision on the antenna design. Both WiMAX and WLAN band grooves in the ultra-wideband antenna structure design. In the design process is mainly using HFSS software for simulation of antenna structure optimization. Mainly using HFSS software simulation and optimization of the antenna structure design process. We according to the performance of ultra-wideband antenna parameters, the corresponding increase of planar monopole antenna of basic research. Traditional planar monopole antenna and the slot, slot loading method of cross section, and puts forward several planar monopole antenna from frequency domain and time domain research, thus starting from the related performance parameters of monopole antenna, the planar monopole antenna in the frequency range of 3.1 GHZ - 11 GHZ, the ultra-wideband antenna can meet the market demand for hardware applications.
Key words: Planar monopole antenna; Ultra-Wideband; HFSS simulation
目录
I
中文摘要....................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... I 第1章绪论........................................................................................................... - 1 -1.1 研究背景...................................................................................................... - 1 -1.2 超宽带天线的研究现状.............................................................................. - 2 -1.3 研究趋势...................................................................................................... - 4 -第2章超宽带天线的理论基础........................................................................... - 5 -2.1 超宽带天线的基本理论.............................................................................. - 5 -
2.1.1 超宽带天线的结构原理....................................................................... - 5 -
2.1.2 超宽带信号的时域辐射....................................................................... - 5 -2.2 超宽带天线的性能参数.............................................................................. - 7 -第3章超宽带天线结构设计与仿真................................................................... - 9 -
3.1 超宽带天线结构与尺寸参数...................................................................... - 9 -3.2 超宽带天线性能仿真................................................................................ - 12 -第4章超宽带天线测试与分析......................................................................... - 15 -
4.1 S11参数及带宽.......................................................................................... - 15 -4.2 驻波比VSWR ........................................................................................... - 16 -4.3 增益方向图................................................................................................ - 18 -4.4 弯曲特性.................................................................................................... - 20 -第5章总结与展望............................................................................................. - 25 -
5.1 总结............................................................................................................ - 25 -5.2 下一步工作计划与展望............................................................................ - 25 -参考文献............................................................................................................... - 27 -
II
第1章绪论
1.1研究背景
UWB天线技术，对无线通信的更进一步发展具有变革性的作用。在20世纪60年代，超宽带无线技术在原先是应用在国家保密军事方面上的技术，近几年来天线在民用的方面得到了快速的发展，在天线的应用原理中，天线将电磁能辐射到系统的其他硬件工作当中。在超宽带天线的传输过程中当超宽带天线所接收的传输信号作为接收天线进行传输时，来完成超宽带天线的电磁能量接收的辐射射入，将他提供给RF接收器部分进行有效的利用。自从国家把军用天线的一部分频段应用于民用，天线的研究就成为广大研究者的热潮，分别应用于雷达，电台，探测器，对讲机，无绳电话，无线局域网，移动电话，遥控装置等，带动超宽带天线技术在近几年来迅速的发展。
国家军用通过限制有限的频谱资源，使无线通信系统之间的干扰问题日益明显，因此，兼容系统逐步出现，兼容系统的优点之一是能够覆盖多个通信频带在相同的时间应用一个频道，从而大大降低天线系统的数量，有利于天线的有限台的合理分布，有利于整合通信和小型化系统，兼容系统并减少系统等待从而浪费制造的成本。
超宽带天线硬件系统对全向辐射、阻抗带宽、磁场辐射程度和天线的大小尺寸部分都是非常严格的。单极子天线可以通过变换不同种结构实现天线的信号传输。在本文所研究的单极子天线因为结构相对其他的天线简单，对我们的研究来说，天线的研究生产成本也相对不是很高、天线带宽和其它方面的优势，使国内外对单极子天线的研究已成为首选。
在本文中我们主要来研究单极子天线，在查看了国内外众多文献中，我们研究和设计了一个非常实用的单极子天线，通过VSWR和模式模拟比较测量和仿真结果也很一致。
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1.2超宽带天线的研究现状
我们国家是近几年来才对超宽带天线进行深入的研究，但是我们也没有落后很多，我们国家对超宽带天线的申请要比国外容易。自2000年以来，我们国内研究机构就开始对超宽带天线的技术做深入研究。一年后，超宽带天线技术被列入了我们国家863计划。2004年，超宽带技术被中国国家自然科学基金开始关注和支持。到目前为止，对于超宽带天线来说，国内外有大量的超宽带天线的论文，国内外还有很多关于超宽带的技术研讨会。我们的研究中可以和国内外许多研究超宽带天线的杰出研究学者们学习，来更好的研究超宽带天线。我们国内的研究人员对研究超宽带天线还有很大的研究空间，在现代科技发达的时代，对研究超宽带天线我们拥有丰富的资源，因为这个优势，我们需要更好的学习开发和使用超宽带天线的技术。
超宽带天线的发展，分别经历了以下几个阶段：
发展的第一个阶段：在以前我们的超宽带天线是双锥天线和火山烟雾天线，如图1-1所示。因为以前我们对天线的研究还不是太深入，当时的科技还不是很发达，天线的三维结构、体积相对较大，天线的相对占用空间较大，所以早起的天线不能在现代通信系统中应用。
发展的第二个阶段：研究者们经历了多年的研究，终于在二十世纪，Ramsay（拉姆齐），他提出了缺陷型周期天线、螺旋天线和非高频天线，该天线的尺寸较大的到来，可以大于10：1的阻抗带宽。但是，对超宽带天线的研究也存在一些难点。对于非高频天线，因为非常有效实现高频信号从该区域发出的辐射，非高频天线对超宽带脉冲波形产生的干扰，进而使高频天线用于传输接收和发射的超宽带天线信号引起的偏差。
第三阶段：由于国家对民用超宽带天线研究的许可。到进期天线的研究才得到更好的研究，连续出现了许多新的平面天线的研究。根据研究者们的研究天线主要可以分为以下三个方面：第一个方面是天线的平面单极子，第二个方面是天线印制单极子，第三个方面是天线的印刷缝隙。其中在研究者们在研究
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中平板单极子天线受到研究者的好评，主要原因是平板单极子天线可以产生极大的阻抗带宽和高辐射。
图1-1 早期的UWB天线
除了上述的几种人们熟知的天线，还有如图1-2所示的其他类型的超宽带天线，平面维瓦尔第天线(vivaldi antenna)、各种缝隙天线、平面振子天线等其他类型的天线，超宽带的研究已经成为天线研究者们的热潮，随着科技水平的进一步发展，超宽带天线也在不断的发展中。我们在天线研究部分虽然没有国外的成熟，但是我们会继续努力，会陆续出现我们的自主知识产权和相对成熟
的产品。
图1-2其他类型UWB天线
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1.3研究趋势
对超宽带天线技术的研究，从2002年开始得到了民用的开放，在全国范围内已经出现了许多关于超宽带天线的应用产品。从前面的描述中可以知道，虽然各国的研究者们研究什么天线的都有，但是平面单极子天线具有许多优点。目前我们推出的超宽带产品主要是基于单极子天线的产品，所以目前单极子天线是非常适合民用用在产品中的天线技术。在我们的研究中，本文也是在平面单极子天线的基础上的超宽带天线。
天线发展的第一个趋势是：是对天线的电阻方面的研究。在硬件系统设计中由于天线系统和系统中的其他硬件系统共用一个频率。对于我们的研究来说，在我们的研究中为了减少天线局域网络的干扰，我们的研究者们使用单极子天线设计的带阻滤波器，对天线研究中带阻滤波器可以有效的减少对我们系统产生的不良影响。因此，研究者们对阻带超宽带的天线特性的研究更多，成为研究者们研究的话题。
天线发展的第二个趋势是：研究者们按照带脉冲对波形形成和频域响应的时域响应一起的天线。由于脉冲天线在系统中的传输作用不同。对研究者们来说，我们研究的天线是一个脉冲整形的带通滤波器。但是对研究者们来说对天线的参数关注是远远不够的，随着研究的深入，研究者们还需要从系统整体来测量天线的特性。这说明研究者们将对天线进一步研究。
天线发展的第三个趋势是：随着科技水平的提高，和各国研究者们研究的热潮，近几年来超宽带天线趋于小型化和平面化。之所以我们研究的单极子超宽带天线适合当今的生活当中，是因为天线结构可以多变，从而降低了天线的研究难度和研究成本。在当今社会中，虽然集成模块变得容易很多，但是小型集成的单极子天线是非常难的，因此研究者们以扩大所述超宽带天线的应用，使得超宽带天线易于集成，天线的研究对超宽带天线的大小结构的要求是很严格的。
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第2章超宽带天线的理论基础
2.1超宽带天线的基本理论
2.1.1超宽带天线的结构原理
由于近几年来，各国研究者们对超宽带天线的热潮，研究者们逐渐意识到超宽带微带天线和传统的窄带微带天线没有本质的区别。研究者们通过超宽带天线接地板和天线间隙将激发的电磁场辐射出来。然后再对天线使用了一些新的技术来加强超宽带天线的传输频带，关键所在是超宽带天线在空间如何建立电磁场。
对于国内外研究者们的研究，我们知道超宽带天线的辐射范围与天线长度和结构形式是紧密相关的。对与我们研究的天线，天线的结构差异、阻抗带宽、辐射和极化等方面都会影响天线的传输频率。
通过各国研究者们的研究，超宽带天线通信系统要求的非常严格，由于以前对天线的研究不是很深入，研究人员研究的超宽带天线的尺寸都相对较大，于是集成就相对不是很容易。现在研究者们的研究方面已经集中在天线的结构小型化当中，以至于更方便人们应用于更小的硬件设备当中，许多新的小型天线的出现，随着人们的深入研究，天线已经很好的应用在人们的生活中，为人们的生活提供着方便。
2.1.2超宽带信号的时域辐射
由于实际的天线的尺寸总是有所不同，经过磁场的环境下，电流-i(t)馈入后，由于尺寸的关系超宽带天线的电流分布总会有一些延迟，我们可以将电流在天线上的分布看成是天线的结构函数，在本文的研究中，我们把偶极天线的
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长度设为L，而且偶极天线的辐射可以被认为是沿z方向的长度布置的多个叠加的赫兹偶极错误！未找到引用源。，如1-2图所示。如果我们假设在天线的中心处馈电，电流将流至所述天线结构的末端，设当前所有被吸收在天线终端，都没有发生反射，因此，在天线的这段时间可以看出作为一种理想的行波天线。
(a)赫兹偶极子天线结构(b) 长度为L 的偶极天线结构
图2-1偶极子天线结构模型
在本文中我们已知长度为L的赫兹偶极子，将超宽带天线上的均匀电流分布记作：
如下式错误！未找到引用源。表示电流的角频率，由电磁辐射理论，我们可得该赫兹偶极子的错误！未找到引用源。方向上电场分布可表示成：
式中略掉了时谐因子错误！未找到引用源。，其中错误！未找到引用源。是自由空间波阻抗，错误！未找到引用源。是光速，错误！未找到引用源。是波数。
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对赫兹偶极子中的电场分布我们可以做傅里叶变换的类型，所以相应的在错误！未找到引用源。方向上的赫兹偶极辐射场就可以简化为：
当错误！未找到引用源。时，意味着天线此时的场效应具有远距离特性，上式可以简化为：
在位置z处的电流相对与中心馈电电流错误！未找到引用源。相比较出现相对的延时，在位置z处的电流记为：错误！未找到引用源。。我们相对可知，由此可得波形天线错误！未找到引用源。的赫兹偶极子上的辐射场简化为：
我们在上式中，对于行波天线在区间错误！未找到引用源。上对z进行积分计算，我们可以非常精确的得出行波天线，并且误差相对较小，行波天线在远距离空间的时域辐射电场可以表示为：
从上式中我们可以得出，对于行波天线来说，超宽带天线在远距离辐射电场中分为几个重要成分，超宽带天线的中心区域馈电处和边缘馈电，但是超宽带天线在天线上的其他区域不产生辐射，因此，行波天线在空间的辐射场强度与辐射距离r，辐射角度θ ，天线本身的尺寸l 有关。
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2.2超宽带天线的性能参数
对于国内外的研究者们来说，什么才是分辨超宽带天线的最重要因素，可以从天线的容量转换电磁能和辐射性能的好坏来区别，超宽带天线的区分从应用环境和系统要求确定。例如：对于天线阻抗、辐射增益和辐射波长，在辐射模式中，是天线的特性在时域进行相应的改进实现的。
(1)在天线的辐射方向图：我们是以天线为中心的辐射功率密度变化的方面。因为天线辐射方向图有定向的和全向的之分，定向的单波束或多波束实现天线通信，研究得出全向波束是适合于无线电、电视等场合的辐射方向的波束。
(2)在天线的能量方向性系数：在离天线同样距离处测得的方向图上，用数学公式表示如下：
(3)能量辐射效率：天线辐射功率与输入功率之比：
式中错误！未找到引用源。——天线的辐射电场（V/m）；
错误！未找到引用源。——脉冲波前馈入天线的时刻（s）；
错误！未找到引用源。——自由空间波阻抗（Ω）；
错误！未找到引用源。——辐射天线输入电流（A）；
错误！未找到引用源。——辐射天线出入电压（V）；
(4)增益：定向因子相乘天线效率。考虑了天线损耗、介电损耗和负载损耗，考虑了馈线损耗，天线增益为实际增益，采用以下的公式进行表示：
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第3章超宽带天线结构设计与仿真
3.1超宽带天线结构与尺寸参数
超宽带天线在应用于社我们的生活中大多数都是单极子天线，在本文的研究中我们在传统的单极子天线，研究者们通常应用斜接角和挖槽技术来对天线进行研究，我们应用这种技术同时提高了超宽带天线的性能，也降低了单极子天线的尺寸结构，在我们的制作中，我们所研究的单极子天线的结构分别给出了微带馈电单极子天线的结构图及实物加工图，如图3-1和图3-2：
(a)ant#a 初始模型(b)ant#b 加载单元结构(c)ant#c 开槽结构
图3-1微带馈电超宽带天线结构优化图
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图3-2 c 的实物加工图
在本文的研究中对于单极子天线而言，研究中得出单极子天线的大小主要由低频决定。并为辐射贴片的平面形状的单极子天线，我们研究的单极子天线的驻波对应于低频少于两个点，我们的研究可以通过简单的圆筒估计近似。下
图显示了单极子天线圆柱体的基本模型，你可以得到一个矩形。
(a)圆柱体模型(b)矩形辐射贴片平面单极天线
图3-3矩形单极子天线结构图及其圆柱等效模型图
由此得出圆柱体估算矩形贴片的公式为：
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上式中GHZ，L、r的单位为mm。
在圆柱体估算矩形贴片中错误！未找到引用源。是单极子天线的低频处，因为上式中忽略了馈入间隙g对天线频率的干扰，在研究分析中将馈入间隙g 也考虑在圆柱体的高度中，那么上式如下：
上式中，L、r、g的单位均为mm。
在上述式给出估计方法可以由矩形单极子天线的初始尺寸来获得。在实践中，我们可以在所计算的，在此基础上的初始大小进行优化，得到参数的最佳组合。在实际的应用中对天线性能馈送间隙g的干扰更大。馈送间隙g减小增加容性的辐射贴片在介质表面和地板之间的微带线的下表面，从而导致阻抗失配。此外，长度L矩形贴片天线的干扰相比，低频宽带W时点。在我们实际在生活中的应用设计中，我们要注意这些关键参数。
图3-1微带馈电超宽带天线结构优化图是以改善微带天线的工艺设计，图3-1（a）的未装载的细胞和没有槽的状态，图3-1（b）的加入装载单元后，我们就可以从实验结果可以看出，天线的带宽可以装载单元可以根据图进行扩展其他的类型，图3-1（c）是在图3-1（b）的开缝与图。根据一方面，单极子天线为了进一步减小单极子天线的尺寸，从另一方面也削弱了的微带天线的特性阻抗的背底板对天线的干扰。错误！未找到引用源。是介质基板是 3.38 RO4003，厚度为1.52毫米，如表3.1所示。
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表3.1微带馈电平面单极子天线最佳结构参数
3.2超宽带天线性能仿真
经过近几年来的研究，我们知道超宽带无线通信系统通常用于在便携式设备中。为了使超宽带天线可以很容易地集成到其他RF电路，但也容易被嵌入到移动设备的UWB 天线的设计应该是小的，平坦印刷天线。
软件工具天线设计，优化和模拟使用Ansoft公司高频结构仿真（HFSS），该软件工具是根据电磁有限元数值方法。对于我们研究制作的单极子天线的各种性能通过HFSS仿真软件进行加工，实现最优结果。HFSS仿真软件会对我们研究制作的实物天线进行对比，软件进行最佳仿真结果和研究实物测量，其中包括回波损耗，再将其结果在接下来进行详细的讲解。
在现在的研究中随着研究者们的电磁计算方法的发展，相继出现了相应的模拟软件。而且天线技术还在继续发展它，为设计人员提供一个方便的工具，我们可以轻松地将电脑设置上实现并验证自己设计。这些软件的出现大大缩短了设计周期包括天线，包括微波器件。
对于我们研究制作的超宽带天线，由于我们应用的仿真软件在不同的电磁场仿真软件中是基于不同的电磁场进行的仿真，仿真结果各有所不同。这些软件各有利弊，在实践中，我们可以设计根据天线的具体特点，选择适当的软件，同时我们可以大大减少了设计时间，可以提高模拟的准确性。
在本文对超宽带天线的研究中，在对实物的研究中我们为了达到更好的效果，我们就需要多方面的软件。以达到更好的仿真结果，提高了工作效率的理解。下表列出了在几个电磁场仿真软件的功能和最常用的应用软件。
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表3.2常用电磁仿真软件比较
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本文研究所采用的工具是基于有限元法的Ansof HFSS 和基于有限积分法的CST Microwave Studio。
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第4章超宽带天线测试与分析
4.1S11参数及带宽
图4-1 S参数
初始模型S参数作为仅在3.1GHZ-8GHz的范围内，S参量-10dB或以下所示曲线.装载单元。曲线b表示加载单元模型的S参数结构，带宽值小于-10dB 时的S参数显著扩大，不足之处是，在5GHZ左右波动；经过进一步的开槽优化，在2.8GHZ-11GHz的所述曲线c的S参数的S参数值小于-10dB所示，不仅要扩大的频率，更低的频率也稍微扩大。
我们的研究为了获得的参数的最佳组合，下述对开槽结构。给出了优化过程的参数。当W1=2毫米，W1=2.5毫米，频率6.6GHZ-8.6GHZ回波损耗，如图4-1所示，在S参数的宽度W1的影响，它可以从图4-1可见回拨损耗较大的。W1=3.5毫米，超宽带天线在整个频带中的回波损耗，我们应该保证在-
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10dB或更小，超宽带频带在8.5GHZ有一个比较明显的抖动的出现。在S参数的宽度W1=4毫米时，超宽带天线频带的两端开始恶化，而在超宽带整个频带中，超宽带的回波损耗都不是很理想。当S参数的宽度W1=3mm时，保持较低的值，并且整个曲线出现上下起伏，更柔和，并且满足超宽带天线通信需要。
图4-2 W1对S参数的影响
4.2驻波比VSWR
根据给出的参数组合，经过优化，上述结构有画图的驻波比如图4-3所示：
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一种新型超宽带磁天线
万方数据
第４期赵波等：一种新型超宽带磁天线１００５ 很不方便。 根据天线设计理论，一个性能优良的天线可视为从馈电端电流到辐射场的匹配网络，并可以进行辐射能量的合理分布１１０Ｊ。综合以上结构，本文设计制作宽度渐变的辐射片，用宽度不变的铜片做为天线基座即反射板。如图１所示，反射板正面轮廓线由分段的反正切函数描述，辐射板三维结构可以分为正面曲线和侧面宽度渐变的二维结构。辐射板宽度对驻波比影响很大，用函数描述制作前铜片的宽度，如图２所示。形状函数为了一个超宽带天线，如图４所示。天线元设计成一个相当紧凑的结构９ｅｒａ×７ｃｍＸ２．８ｃｍ，最低工作频率可达３ＧＨｚ，最高频主要由天线大小和馈电高度决定，这里设计成１０．６ＧＨｚ。 三蔓赢、：荛榭唰一辐射片弯折前长度，ｌｉｆｔ是变形因子。 反射板Ｊ ＼／ ｂ ≮． 图１天线几何结构图２辐射板宽度函数 ３天线仿真与设计 本文选用Ａｎｓｏｆｔ公司的软件ＨＦＳＳｌ０．０来优化设计天 线，它是基于有限元法的三维高频电磁场仿真软件。图３（ａ） 是天线模型的正视图，图３（ｂ）是用ＨＦＳＳ仿真的网格划分图。 天线优化的主要的目标是在工作带宽内达到５０Ｑ的输 入电阻和接近０的输入电抗，最后再从中挑选辐射方向图优 良的参数值。主要的优化参数如下：（１）辐射片宽度函数（见 式（１））中的３个参数％血，％。和ｍ；（２）在馈电点处辐射 片与反射片的高度差凰（３）反射板的宽度和高度。 优化的约束条件主要是天线的尺寸大小，一般要求天线 的尺寸越小越好，这里设定小于ｌＯｃｍ。当然最后还需要考 虑方向图。依据仿真结果，在天线传播实验室制作并测量 图３（ｂ）网格划分 图４天线原型 用仿真软件ＨＦＳＳｌ０．０，计算图３的模型。图５和图６ 是仿真和测量的驻波比和增益。天线阻抗带宽主要受低频影 响，这是由馈电点和辐射片形状决定的。在频率范围内有大 于５ｄＢ的平稳增益，变化小于ｌｄＢ。由图７可见，天线的主 瓣方向保持在ｚ轴方向，３ｄＢ宽度都８０度左右，方向图的 一致性良好，随频率变化小。天线主极化是线极化。 图５驻波比图６天线增益随频率的变化 图４的天线尺寸是９ｃｍ长（Ｅ面），７ｃｍ宽（Ｈ面）和２．８ｃｍ 高。３ＧＨｚ，６ＧＨｚ，１０ＧＨｚ仿真和测量的Ｅ面和Ｈ面方向 图如图７所示。驻波比和方向图的测量与仿真值有差异，主 要原因是数值仿真工具都是基于用网格划分物体，本天线又 是三维曲面建模，逼近实物程度始终有限。另外馈电点处的 网格划分对结果影响尤其巨大，为了减少仿真时间，对结构 进行了简化，没有对实际馈电网络建模。 ５时域特性分析口（。） 在微波暗室中对天线的时域特性进行了测量，发射和接收都采用本文设计的天线。由瑞利距离知，如要测量远场， 两天线的距离至少要大于冗＝２Ｄ２／入，此处Ｄ为９ｃｍ，Ａ取 ０．０２８３ｍ。用脉冲发生器产生一个脉冲信号接到发射天线， 接收天线连到抽样率为２０ＧＳ／ｓ的数字示波器。 比较发射信号和接收的脉冲信号，观察信号幅度、半功 率宽度和持续时间的变化。发射信号持续时间０．５ｎｓ，半功 率宽度０．０８ｎｓ，频率覆盖范围３．６—１１ＧＨｚ。Ｅ面秽＝９０＂时 两信号如图８所示。由图可知，接收信号幅度为０．７５，１．２ｎｓ 万方数据
超宽带天线的研究与设计
超宽带天线的研究与设计 李庆娅李晰唐鸿燊 摘要：本文设计了一款差分微带超宽带天线，通过改变馈线和尺寸和接地板上缝隙的半径,优化了天线的性能，所实现的天线带宽为11.5 GHz，且有较好的辐射特性。在此基础上，通过在两贴片上对称地开槽，得到了在5 GHz处有陷波特性的超宽带天线。 关键词：超宽带天线；差分天线；带阻特性 Research and Design of Ultra-wideband Microstrip Antenna Li Qing-Ya, Li Xi, Tang Hong-Shen Abstract: In this paper, a differential microstrip ultra-wideband antenna is designed. It is optimized by changing dimensions of feeding line and radius of slot in the ground. The simulated and measured results show that the frequency bands of antenna is 11.5 GHz. Also, it has good radiation characteristics. Based on this, by etching the slot in the patch symmetrically, the ultra-wideband antenna with band-notch characteristics at 5 GHz is achieved. Key word s: Ultra-wideband antenna; differential antenna; band-notch characteristics 1 引言 近几年,随着超宽带(UWB)通信技术的快速发展，对应用于短距离无线通信系统中的天线提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小、剖面低、价格便宜，易于加工并可集成到无线电设备内部，同时，还要求天线阻抗带宽足够宽，以便覆盖整个UWB频段。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB信号的频段为3.1 GHz-10.6 GHz。这个通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a 和5.75 GHz到5.85 GHz的Hiper-LAN/2。 在接地板上开缝是实现超宽带天线的方法之一，常见的缝隙形状如倒锥形[1]、矩形、半圆形、梯形[2]等。文献[2]中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带天线，在整个工作频段2.15-13.47 GHz内，该天线的回波损耗均在-10 dB以下，增益基本稳定在3~6 dB之间，并具有比较稳定的辐射特性。在超宽带天线的基础上通过在辐射贴片上开槽实现带阻特性，槽的形状有L形[3]、矩形[4]、E形[5]等，文献[5]提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线，制作出实物并验证了天线的超宽带和陷波特性，即在中心频率3.75 GHz和5.5 GHz附近的频带范围内具有良好的陷波特性。 本文首先设计了超宽带天线，研究了天线的回波损耗S11和辐射特性与天线环形接地板尺寸的关系，改善了天线的带宽。在此基础上，通过改变贴片和微带线的尺寸。并利用折合形开槽技术在贴片上开槽，有效实现阻带。 2 天线设计 本文设计天线结构如图1所示。图1(a)中天线的辐射贴片，位于介质基板的上表面，图1(b)是刻蚀了圆形缝隙的地，位于介质基板的下表面；天线采用介质为RogerS RT/duroid 6006，相对介电常数为6.15，厚为0.5mm的介质基板，尺寸为29.6 mm×33.6 mm；馈电部分为50欧的微带线。
超宽带天线设计与研究详解
超宽带天线的研究与设计 中文摘要 近几年来，超宽带天线的研究已经成为热潮。本文的思想也是研究小型化超宽带平板天线，让其在生活中的硬件设计产品中满足超宽带天线的技术需要。因为超宽带天线在WiMAX和WLAN的窄带系统和装载切口天线设计结构上产生的影响。实现WiMAX和WLAN频带的双凹槽在超宽带天线结构设计。在设计过程中主要是使用HFSS软件进行天线结构的仿真优化。主要利用了HFSS软件仿真和天线结构的优化设计过程。我们针对其超宽带天线的性能参数，相应的提升平面单极子天线的基础研究。传统平面单极子天线与狭槽，狭槽装载方法的横截面，提出了几种平面单极子天线从频域和时域研究，从而从单极子天线的相关性能参数出发，研究平面单极子天线在频率范围为3.1GHZ-11GHZ，使超宽带天线能够达到市场对硬件方面的应用需求。 关键词：平面单极子天线；超宽带；HFSS仿真 I
Research and design of ultra-wideband antenna Abstract In recent years, the research of ultra-wideband antenna has become a boom. Thought of this paper is to study ultra-wideband planar antenna miniaturization, let the life in the hardware design of the product satisfy the need of ultra-wideband antenna. Because of ultra-wideband antenna in WLAN and WiMAX narrowband systems and the impact loading of incision on the antenna design. Both WiMAX and WLAN band grooves in the ultra-wideband antenna structure design. In the design process is mainly using HFSS software for simulation of antenna structure optimization. Mainly using HFSS software simulation and optimization of the antenna structure design process. We according to the performance of ultra-wideband antenna parameters, the corresponding increase of planar monopole antenna of basic research. Traditional planar monopole antenna and the slot, slot loading method of cross section, and puts forward several planar monopole antenna from frequency domain and time domain research, thus starting from the related performance parameters of monopole antenna, the planar monopole antenna in the frequency range of 3.1 GHZ - 11 GHZ, the ultra-wideband antenna can meet the market demand for hardware applications. Key words: Planar monopole antenna; Ultra-Wideband; HFSS simulation 目录 I
一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文
摘要 超宽带天线广泛应用于如电视、调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等领域中。尤其是近年来兴起的超宽带无线通信技术，使此类天线成为当今通信领域的研究焦点。 本文设计并研究了两种类型的超宽带天线，一种是带两个对称臂的矩形平面单极子天线，另一种是弯折结构的平面单极子天线。 所研究的第一种天线实现了在工作频率范围内回波损耗都在-10dB以下，基本满足了超宽带通信的要求，天线的工作频带是 2.7-9GHz。回波损耗与频率的关系曲线产生两个低峰值，特别适合于双频带通信使用。文中研究了通过改变切口尺寸、介质损耗对低峰值频率位置的影响关系，还讨论了端口大小对仿真准确度的影响，得到系列结论。 所研究的第二种天线实现了真正意义上超宽带天线，天线结构简单，易于构建，小尺寸、低剖面，能够在回波损耗小于-10dB条件下有效地工作在2.8~9.5GHz的频率范围。 天线采用热转印法自制了实验模型，并通过矢量网络分析仪测量了回波损耗与频率的关系曲线，测量结果与仿真结构基本吻合。 两种天线的研究还包含了增益和方向图等，从而对天线性能进行了全面分析。 关键词: 超宽带天线；单极子天线；有限元法；电磁仿真；热转印法
Abstract UWB antenna is widely used in television, FM radio, telemetry, aerospace and satellite communications fields. In particular, with the rise of ultra-wideband wireless communications technology in recent years, making such antennas become the focus of communication research field. This paper studies two types of ultra-wideband antenna, one is a symmetric planar monopole antenna with two symmetrical rectangular incision, the other is bent planar monopole antenna structure. The first designed antenna can satisfy the demand of UWB communication that the Return Loss of the antenna in the scope of working frequency, which is between 2.7-9GHz, is below -10dB. Return loss vs. frequency curves generated two low peaks, which is particularly suitable for dual-band communications. A study of the incision by changing the size of the low dielectric loss peak frequency position of the relationship between port size also discussed the impact on simulation accuracy, get series conclusion. The study of the second antenna to achieve a truly ultra-wideband antenna, the antenna structure is simple, easy to build, small size, low profile, can be less than-10dB return loss under the conditions of effective work in the 2.8 ~ 9.5GHz frequency range. Antenna made by heat transfer method of the experimental model, and vector network analyzer by measuring the return loss versus frequency curve, the measurement results and simulation of structure of the basic agreement. thermal transfer printing technology The study also includes two antenna gain and pattern, etc., and thus a comprehensive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation
新型超宽带单极子天线的设计概要
文章编号:1001-893X(201108-0121-04 新型超宽带单极子天线的设计 徐海洋,张厚,梁建刚,王洪光 (空军工程大学导弹学院,陕西三原713800 摘要:研制了一款超宽带印刷单极子天线,通过在接地板上开方形槽,展宽带宽的同时也改善了带内特性。再在金属贴片顶部开扇形槽,进一步在高频段展宽了频带。实测结果显示,改进后的天线-10dB阻抗带宽为2.1~25.5GHz,而原不加槽天线的仿真带宽为2~11.4GHz,带宽展宽了14GHz。仿真和实测结果显示,天线在2.5GHz、8GHz、25GHz的方向图对称性良好。 关键词:超宽带;单极子天线;开槽 中图分类号:TN821 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2011.08.025 Design of a Novel Ultra wideband Monopole Antenna XU Hai yang,Z HANG Hou,LIANG Jian gang,W ANG Hong guang (Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan713800,China Abstract:The UWB(Ultra widebandprinted planar antenna in this paper is notched in the ground plane,so that the bandwidth is expanded,and the inner band performance is improved,too.Then through notching in the top of the patch,the bandwidth is further e xpanded at the high frequency section.The measured result shows that the-10dB impedance bandwidth of the improved antenna is2.1~25.5GHz in contrast to2~11.4GHz of the simulated bandwidth of the initial antenna,as a result,the bandwidth enhances14GHz.The simulated and measured results sho w that the radiation patterns are very symmetrical at2.5GHz,8G Hz and25GHz.
移动通信_期末作业_超宽带微带单极子天线设计_20111910119
超宽带微带单极子天线 —基于HFSS天线设计 学院：信息学院 专业：通信工程 姓名：马正智（59） 学号： 20111910119 2014-07-08
更改详情 1、更改两块参考地GND1和GND2与微带线的距离，使其间距小于1mm； 2、更改激励端口的长宽，使其长度为微带线宽度的5倍左右，高为介质板高度 的6倍左； 3、更改陷波开缝方式，得到理想陷波频段。
摘要 天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。 超宽带天线顾名思义就是带宽非常宽的天线，这种说法其实是在频域的对天线带宽的定义是就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围。在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等在允许的范围内。也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围。其实这正是传统的窄带天线性能分析方法。因为以前窄带天线要发送的信号基本都是己经调制过的正弦波信号，所以在设计天线时对带宽并没有要求非常苛刻(极宽的带宽)。只要针对某个载波频率设计就可以了，在这个载波频率附近天线的性能满足要求，变化不大。但是，当要发送的信号不是正弦波调制信号天线就不能满足要求了，而是儿百皮秒或者纳秒级的窄脉冲信号时，一般的窄带那么传统的宽带天线能否满足要求呢？UWB天线与常规意义上的宽带大线还是有着显著区别的。常规的宽带天线大都是非频变天线，是指天线可以根据无线系统需要工作在不同频段，而并不是指天线地各个部分同时在整个宽频段内工作。 微带天线由参考地面、介质层面、微带贴片、激励端口、辐射边界组成，具有重量轻、质量小、剖面薄、质量成本低、易于实现频变工作。 关键字：天线超宽带超宽带天线微带单极子天线
超宽带定向天线的设计与仿真概要
超宽带定向天线的设计与仿真 邱景辉孙博李高飞邓维波 (哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨 150001 摘要:本文设计了一种超宽带定向天线。利用抛物面天线作为该超宽带定向天线的原型,将抛物面天线的馈电部分设计为指数渐变形式。给出了该超宽带定向天线的设计思想和设计方法,并对该天线进行了仿真分析。仿真结果表明,该天线具有非常宽的阻抗带宽和较高的天线增益,且其波束宽度很窄,天线定向特性很好。这种超宽带定向天线非常适用于超宽带通信、超宽带雷达以及无线电数据监测与管理系统等领域,具有非常广阔的应用前景。 关键词:超宽带天线,定向天线,抛物面天线,指数渐变,高增益 Design and Simulation of Ultra-Wideband Directional Antenna Qiu Jinghui Sun Bo Li Gaofei Deng Weibo (School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001 Abstract: In this paper, an ultra-wideband directional antenna was designed. Paraboloid antenna was adopted as the prototype of this antenna, and feed arms of paraboloid antenna were designed to exponential tapered form. The design method of this ultra-wideband directional antenna was given. And electromagnetic simulation and analyses were performed. Simulation results indicate that this antenna has an extremely wide impedance bandwidth and high gain. The beam width of this antenna is narrow and the directivity is very good. The novel ultra-wideband paraboloid antenna is suitable for ultra-wideband communication, ultra-wideband radar, and radio data monitor and manage systems,and it has broad application prospects.
超宽带平面单极子天线的分析和设计概要
超宽带平面单极子天线的分析和设计 孙永志李庭王伟光陈秋林王一笑赵旭 (中国航天科工集团8511研究所,南京210007 摘要:本文研究了一种应用于超宽频带的平面单极子天线。用传输线理论的等效电路方法分析了展宽平面单极天线带宽的措施,即添加切角和短路枝节。设计出了一种实用的超宽频带平面单极子天线,并对该天线进行了数值仿真。计算的电压驻波比和辐射方向图与实测结果吻合良好。 关键词:平面单极子天线,传输线理论,超宽带 Analysis and Design of the Ultra Wide Band Planar Monopole Antenna Sun Yongzhi Li Ting Wang Weiguang Chen Qiulin Wang Yixiao Zhao Xu (No.8511 Research Institute of China Aerospace Science Industry Corp of China, Nanjing 210007 Abstract:In this paper, coordinate transformation method was used to analyze two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.And the electromagnetic dispersion equation of electromagnetic invisibility cloaking was given.The calculation results show that two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.has good scattering Characteristics for the electromagnetic wave. Keywords: Planar monopole antennas; Transmission line theory;Ultra Wide Band 1 引言 超宽带(Ultra Wide Band,缩写为UWB是一种利用纳秒至微微秒级的非正弦窄脉冲传输数据的无载波通信技术,与传统通讯系统相比,所占用的频带宽度大大变宽。FCC(美国联邦通信委员会对UWB系统给出明确规范,规定3.1~10.6GHz为UWB系统占用频带,带内信号辐射功率密度低于-41.3dBm/MHz,并且要求带内反射系数S11小于-10dB[1]。
超宽带平面单极子天线的分析和设计说明
超宽带平面单极子天线的分析和设计 永志庭王伟光秋林王一笑旭 （中国航天科工集团8511研究所， 210007） 摘要：本文研究了一种应用于超宽频带的平面单极子天线。用传输线理论的等效电路方法分析了展宽平面 单极天线带宽的措施，即添加切角和短路枝节。设计出了一种实用的超宽频带平面单极子天线，并对该天线 进行了数值仿真。计算的电压驻波比和辐射方向图与实测结果吻合良好。 关键词：平面单极子天线，传输线理论，超宽带 Analysis and Design of the Ultra Wide Band Planar Monopole Antenna Sun Yongzhi Li Ting Wang Weiguang Chen Qiulin Wang Yixiao Zhao Xu (No.8511 Research Institute of China Aerospace Science Industry Corp of China, Nanjing 210007) Abstract: In this paper, coordinate transformation method was used to analyze two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.And the electromagnetic dispersion equation of electromagnetic invisibility cloaking was given.The calculation results show that two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.has good scattering Characteristics for the electromagnetic wave. Keywords: Planar monopole antennas; Transmission line theory;Ultra Wide Band 1 引言 超宽带（Ultra Wide Band，缩写为UWB）是一种利用纳秒至微微秒级的非正弦窄脉冲传输数据的无载波通信技术，与传统通讯系统相比，所占用的频带宽度大大变宽。FCC（美国联邦通信委员会）对UWB系统给出明确规，规定3.1～10.6GHz为UWB系统占用频带，带信号辐射功率密度低于-41.3dBm/MHz，并且要求带反射系数S11小于-10dB[1]。 UWB系统不仅要求天线具有全向辐射特性，还要求天线在整个频带有良好的阻抗匹配特性和较高的辐射效率，并且还要考虑移动通讯设备对天线尺寸的要求。平面单极子天线及其变形，由于结构简单、制造成本低和频带宽等特性，已经成为近来UWB天线设计的研究热点。 本文主要讨论以平面单极子天线为基础的UWB 天线的分析与设计。定性分析了平面单极子天线的工作原理，讨论展宽天线阻抗带宽的措施。在此基础上，设计出了一种实用的平面单极子天线，测量的驻波比和方向图与仿真结果非常吻合。 2 平面单极子天线的基本原理 众所周知，直立细线单极子天线的阻抗带宽很窄。 现在有很多文献都在探索和研究展宽天线阻抗带宽的方法和技术，如在矩形平面单极子上添加切角和短路支节等[2]，如图1所示。定性分析与展宽天线阻抗带宽有关的参数及其作用，平面单极子天线的电流主要集中在天线的底部和左右边缘两侧，并且水平方向上的电流密度远大于垂直方向上的电流密度[3]。因此，我们不妨切除天线上几乎没有电流分布的区域，用U形或半圆形等来等效整个平面单极
超宽带天线设计及其阵列研究概要
超宽带天线设计及其阵列研究 超宽带(UWB)技术是目前短距离高速无线通信系统实现的有力竞争方案,天线作为超宽带系统的关键部件,其性能好坏会直接影响通信质量。本文研究的内容主要是设计出可用于3.1～10.6GHz超宽带无线通信的超宽带天线,同时对超宽带天线阵的时域特性进行基本的研究。本文首先提炼出了衡量超宽带天线性能的参数,总结了超宽带天线时域特性研究的两种方法:频域传输函数法和时域直接测量法。在此基础上,设计和研究满足通信要求的超宽带天线。本文的主要贡献如下:在天线设计方面,将传统火山烟雾形天线的立体结构转化为平面结构,设计和研究了印刷火山烟雾形(volcano smoke)平面单极子超宽带天线;采用开槽、地板上加“L形”枝节以及加寄生单元三种方法,对微带馈电圆缝隙超宽带天线进行阻带特性的设计;改进了微带馈电圆缝隙超宽带天线的阻抗带宽,扩展了天线的应用范围;针对U形臂双面印刷偶极子超宽带天线的结构,在天线上加入“L形”枝节设计阻带特性取得较好效果。本文中采用电磁仿真软件CST 仿真和实验相结合的方法对天线进行设计和研究,除了研究天线的阻抗带宽、方向图和增益等基本参数外,还对天线的传输函数和时域特性进行研究,以探讨天线在超宽带系统中应用的特殊要求。在超宽带天线阵列的研究方面,从理论上建立了超宽带天线阵时域基本模型,提出了天线阵要实现指定波束指向设计时的一个重要参数,即总时延。研究了均匀直线阵和均匀圆形阵在等幅同相馈电时的时域特性,为实际中超宽带天线阵的设计提供理论指导。本文设计的超宽带天线均采用平面印刷结构,天线的体积小、易于和系统集成。本文所做工作,对丰富超宽带天线理论和技术有重要的意义。 【关键词相关文档搜索】：无线电物理; 超宽带天线; 单极子; 火山烟雾形 天线; 圆缝隙天线; 阻带特性; 时域特性; 偶极子; 天线阵 【作者相关信息搜索】：兰州大学;无线电物理;张金生;高国平;
基于hfss的超宽带天线的仿真设计
基于hfss的超宽带天线的仿真设计基于HFSS的超宽带天线的仿真设计 学生姓名: 学号: 学院(系): 2014年06月 基于HFSS的超宽带天线的仿真设计摘要:超宽带通信技术以其高速率、抗多径效应和低成本等一般窄带系统无法比拟的优势成为最具竞争力和发展前景的技术之一。作为系统的重要组成部分，超宽带天线的设计引起了越来越多的关注。与传统的宽带天线相比，超宽带天线的设计更具有挑战性，这是由于天线除了需要具有超宽的工作频带(3.1GHz-10.6GHz)，还要能够保持尺寸的紧凑,价格的低廉,并且易于与平面大规模电路集成。同时，由于在超宽带频段中还存在着一些窄带通信系统是使用的频段，因此，这就要求尽量避免潜在的电磁干扰。本文主要基于HFSS仿真及分析超带宽天线。 关键词:HFSS 超宽带天线电磁干扰 1、超宽带天线的特点以及研究背景 无论是军事通信还是民用通信都对天线的宽频性提出了更高的要求，特别是UWB通信中，要求天线的带宽达3.1GHz-10.6GHz。在超宽带天线的应用中，要求天线具有尺寸小，便于集成等特性。因此，设计出能够与射频通信电路集成的平面微带天线就成为本文的主要研究目标。此外，在FCC规定的3.1GHz-10.6GHz频段中，还存在的IEEE 802.16 Wimax系统(3.3GHz-3.6GHz)、C波段卫星通信系统(3.7GHz-4.2GHz)、IEEE 802.11bWLAN/HIPERLAN系统(5.15GHz-5.825GHz)。因此，如何解决这些已经存在的系统与UWB 频段的电磁兼容问题，是本文研究的一
个重中之重。超宽带天线因为其频带特别宽，容易受到频带范围内其它窄带信号的干扰，如果窄带信号的所在的固定频率已知，那么可以用射频滤波技术来滤除这些干扰信号。假如一个超宽带接收机，同时兼有高功率的窄带系统，高功率的窄带信号就会对超宽带接收机的信号进行干扰。有时候希望把超宽带天线和具有高灵敏度的窄带接收机结合在一起，这样在一定环境里，超宽带系统就容易受到窄带接收机的干扰。有一些情况下，希望超宽带系统对需要的某个或几个窄带信号不灵敏，还有的情况就是想要滤除掉频带中的干扰信号。 在军事领域中，为了实现保密通信和清除干扰，多频段、多功能电台和宽带跳频电台被广泛的应用。跳频速率越来越高，跳频的范围也越来越广，原有的窄带天线己无法满足要求。另外，狭小的空间内分布多副天线，相互之间的干扰较为严重，并且影响通信质量。为了解决上述矛盾，最有效的解决办法就是研制高性能、宽频带、小型化天线，以减少载体上天线的数目。 在民用通信系统中，无线通信作为当今信息化社会的主要技术手段而显得尤为重要。信道容量不断扩充、传输速率不断提高、服务方式也日渐灵活。与此相对应的是通信设备日趋宽带化，台站设施也由最初的点对点或一点对多点发展到移动和全球漫游。天线作为移动通信系统的发射和接收部件，其宽带化的研究显然有着重要的现实意义。 2、天线的重要参数 2.1 辐射方向图 辐射方向图f (θ ,? ):以天线为中心，辐射功率密度随角坐标变化的特性。定向的单波束或者多波束用于点对点通信或者一点对多点通信;全向(在一个指定平面内有均匀辐射特性)波束用于广播电视等场合;赋形主波束用于卫星通信和电视覆盖特定区域的情况。在某一特定频率点上，天线的远区辐射场可以表示为: ,jkreE，，，，rkf,,,,,,,, (2-1) r