中心論題：

• 分析超寬帶天線性能和設計要求
• 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、定位準確、抗多徑能力強
• 在色散，體積和方向性等方麵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領域極大的重視。它起源於20世紀40年代
，最初形式為脈衝無線通信，主要用於軍事領域，20世紀90年代之後逐漸用於民用領域。所謂超寬帶信號，就是要求任意相對帶寬高出20%或者絕對帶寬大於0.5GHz（FCC定義），其傳輸速率可超過100Mbit/s，並且滿足FCC功率譜密度限製要求的信號，它的工作頻段定義在3.1～10.6GHz。超chao寬kuan帶dai基ji帶dai窄zhai脈mai衝chong信xin號hao通tong信xin與yu通tong常chang的de載zai波bo通tong信xin或huo擴kuo頻pin通tong信xin相xiang比bi，超chao寬kuan帶dai無wu線xian通tong信xin係xi統tong除chu了le具ju有you高gao通tong信xin速su率lv和he超chao寬kuan通tong信xin帶dai寬kuan外wai

，還hai具ju有you高gao保bao密mi性xing

，耗hao電dian量liang低di，抗kang多duo徑jing衰shuai落luo能neng力li強qiang
，多duo址zhi和he穿chuan透tou能neng力li強qiang等deng特te點dian[1,2]。因此

，超寬帶技術在雷達跟蹤、無線通信

、穿透障礙物成像、武器控製係統
、測距、精確定位等領域具有廣闊的應用前景。

youyuchaokuandaiwuxianjieruxitongdefushexinhaojuyouchaokuanpindaihejidigonglvpumiduliangdatedian
，zheduichaokuandaiwuxianxitongjieshouxitongxingnengyaoqiufeichanggao
，qiguanjianjishubaokuomaichongboxingsheji、調製/解調與多址技術
、窄脈衝的快速捕獲

、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天線與常規意義上的寬帶天線還是有著顯著區別的。常規的寬帶天線大都是非頻變天線，因而並不適合於發射和接收UWB信號。對於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
，它們決定著UWB天線的性能。

本文將對超寬帶天線的設計要求，性能作一一分析，並對現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
天線作為發射和接受得能量轉換器，有一係列的性能參數，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
在該頻率範圍內

，一個選定的天線參數或者一組天線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。它指的是天線與傳輸阻抗相匹配，反射功率小於10%時的帶寬。對於超寬帶天線，其阻抗帶寬要求7.5GHz。

方向係數、效率和增益
在相同的輸入功率下
，某天線產生於某點的電場強度的平方（ ）與無耗理想點源天線產生在同一點的電場強度的平方（ ）的比值，稱為在該點方向的增益，通常用G表示：

 （2）

tianxiandefangxiangxishushizhizaixiangtongdefushegonglvxia，moutianxiandechanshengyumoudiandedianchangqiangdudepingfangyudianyuantianxianchanshengzaitongyidiandedianchangqiangdudepingfangdebizhi，tongchangyongD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係數作為這一天線的方向性係數。天線增益（G）和方向性係數（D）是兩個相互緊密聯係的物理量，其關係為

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脈衝通信和傳統的無線通信的調製傳輸技術有著根本的區別。首先要求其頻帶寬
，傳輸速率高；其次是要求功率低
，功耗小；再次要求它定時定位準確，抗多徑能力強。除此以外，由於超寬帶係統的特點，對超寬帶天線的特性又提出了不同於一般天線的要求：

（1）根據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）主要應用在短距離通信中，對體積和方向性有較高的要求。

為實現天線的寬帶化，已有許多成熟的技術措施，這些技術有些適合線天線，有些適合麵天線，有些兩者都適用：機電結合的方法

、加載的方法、阻抗匹配網絡
、綜合方法。

目(mu)前(qian)
，人(ren)們(men)在(zai)研(yan)究(jiu)設(she)計(ji)超(chao)寬(kuan)帶(dai)時(shi)往(wang)往(wang)是(shi)先(xian)想(xiang)辦(ban)法(fa)展(zhan)寬(kuan)其(qi)頻(pin)帶(dai)，從(cong)而(er)設(she)計(ji)出(chu)普(pu)通(tong)的(de)寬(kuan)帶(dai)天(tian)線(xian)
，然(ran)後(hou)再(zai)去(qu)分(fen)析(xi)其(qi)頻(pin)域(yu)和(he)時(shi)域(yu)特(te)性(xing)，以(yi)驗(yan)證(zheng)其(qi)性(xing)能(neng)是(shi)否(fou)優(you)良(liang)

，進(jin)而(er)適(shi)用(yong)於(yu)超(chao)寬(kuan)帶(dai)係(xi)統(tong)。人(ren)們(men)采(cai)用(yong)這(zhe)些(xie)基(ji)於(yu)傳(chuan)統(tong)理(li)論(lun)的(de)方(fang)法(fa)也(ye)設(she)計(ji)出(chu)了(le)許(xu)多(duo)性(xing)能(neng)優(you)良(liang)的(de)超(chao)寬(kuan)帶(dai)天(tian)線(xian)。

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。下麵對其中幾個做簡單的介紹。

偶極子天線
偶(ou)極(ji)子(zi)天(tian)線(xian)是(shi)最(zui)基(ji)本(ben)的(de)天(tian)線(xian)
，本(ben)質(zhi)上(shang)是(shi)窄(zhai)帶(dai)天(tian)線(xian)
，但(dan)是(shi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)加(jia)載(zai)等(deng)技(ji)術(shu)措(cuo)施(shi)顯(xian)著(zhu)展(zhan)寬(kuan)它(ta)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)帶(dai)。偶(ou)極(ji)子(zi)加(jia)載(zai)可(ke)以(yi)是(shi)阻(zu)抗(kang)加(jia)載(zai)，也(ye)可(ke)以(yi)是(shi)電(dian)抗(kang)加(jia)載(zai)，可(ke)以(yi)連(lian)續(xu)加(jia)載(zai)，也(ye)可(ke)以(yi)離(li)散(san)加(jia)載(zai)，目(mu)的(de)是(shi)使(shi)天(tian)線(xian)單(dan)位(wei)長(chang)度(du)上(shang)的(de)阻(zu)抗(kang)沿(yan)天(tian)線(xian)臂(bi)按(an)指(zhi)定(ding)規(gui)律(lv)變(bian)化(hua)。1965年
，Wu和King提出對偶極子天線進行連續阻性加載，並因此在很寬一個頻段內獲得了天線上的外向行波，該天線被稱為Wu-King偶極子天線。一般偶極子天線隻作接受天線。

TEM喇叭天線
TEM喇叭天線的基本結構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ying用yong中zhong。它ta具ju有you良liang好hao的de阻zu抗kang特te性xing和he波bo形xing保bao真zhen性xing。可ke以yi通tong過guo增zeng加jia喇la叭ba長chang度du
，加jia大da喇la叭ba張zhang角jiao
，喇la叭ba的de波bo阻zu抗kang就jiu更geng接jie近jin自zi由you空kong間jian波bo阻zu抗kang，口kou麵mian的de反fan射she將jiang減jian小xiao，脈mai衝chong波bo形xing的de失shi真zhen亦yi隨sui之zhi減jian小xiao。TEM喇叭天線的增益範圍5～15dB
，這個範圍使用於定向基站天線的應用[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用在超寬帶領域。

雙(shuang)錐(zhui)形(xing)天(tian)線(xian)的(de)振(zhen)子(zi)直(zhi)徑(jing)與(yu)其(qi)相(xiang)應(ying)的(de)兩(liang)臂(bi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)保(bao)持(chi)為(wei)一(yi)個(ge)常(chang)數(shu)，可(ke)使(shi)沿(yan)線(xian)各(ge)點(dian)的(de)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)不(bu)變(bian)
，當(dang)天(tian)線(xian)無(wu)限(xian)長(chang)時(shi)，其(qi)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)就(jiu)等(deng)於(yu)振(zhen)子(zi)的(de)特(te)性(xing)阻(zu)抗(kang)
，這(zhe)時(shi)天(tian)線(xian)電(dian)特(te)性(xing)與(yu)頻(pin)率(lv)無(wu)關(guan)。雙(shuang)錐(zhui)形(xing)天(tian)線(xian)的(de)阻(zu)抗(kang)僅(jin)與(yu)錐(zhui)角(jiao)的(de)大(da)小(xiao)有(you)關(guan)。當(dang)錐(zhui)角(jiao)接(jie)近(jin)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成的
，由Gibson於1979年提出[5]。tadecaoxianchengzhishuguilvbianhua

，jiangjiezhibanshangdecaoxiankuanduzhujianjiada
，xingchenglabakouxiangwaifushehuoxiangneijieshoudediancibo。zaibutongdepinlvshang
，tadebutongbufenfashehuojieshoudiancibo，ergegefushebufenxiangduiyuduiyingdebutongpinlvxinhaodebochangdedianchangdushibubiande。zaishejipinduanneijuyouxiangtongdeboshukuandu。ciwai

，tahaijuyoulianghaodeshiyutexing，shiyujieshouboxingjuyoufeisesantexing
，yincitashiyizhongfeichangyouqianlidechaokuandaitianxian。

超寬帶新型天線
隨著UWB係統的民用化，越來越多的UWB設備用於短距離無線通信
，這種設備通常體積小，要求天線的結構簡單、尺寸小、成本低。近年來對應用在短距離無線通信的天線研究比較多，出現了很多新型的UWB天線。

微帶天線
微帶天線具有小尺寸
、易於加工


、易於有源器件集成等優點，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，發展了特殊的微帶天線。

采用微帶天線來實現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構
，如三角形、圓形、tuoyuanxingdeng

，haiyouyixiefenxingjieguodeteshuxingzhuang。bianxingdeoujizitianxiandezukanghedaikuanyuzhenzidekuanduyouhendadeguanxi，caiyongyinshuaoujizitianxian，keyijiangtianxiandezhenzizuochengpingmiande，tongshikongzhitianxianyukuixianzhijiandelianjiebufen

，jinxingzukangdepipei，dadaozhankuanpindaidemude。caiyongzhezhongfangfakeyidedaofangxiangtuhefanshexishudoubijiaomanyidejieguo。wenxian[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、波導等方法進行激勵

，從而產生輻射。縫隙天線在微波斷代替振子天線解決振子太小，製作和饋電困難的缺點。

通過縫隙天線來實現UWB帶寬，它的基本原理是
，使用橢圓、圓
、矩ju形xing等deng特te殊shu的de寬kuan縫feng隙xi，采cai用yong寬kuan帶dai饋kui電dian的de方fang法fa，實shi現xian超chao寬kuan帶dai性xing能neng。縫feng隙xi天tian線xian的de帶dai寬kuan和he縫feng隙xi的de性xing狀zhuang大da小xiao有you很hen大da的de關guan係xi。當dang使shi用yong寬kuan矩ju形xing縫feng隙xi的de時shi候hou，縫feng隙xi的de長chang寬kuan比bi對dui天tian線xian的de帶dai寬kuan有you很hen多duo的de影ying響xiang
，而er橢tuo圓yuan縫feng隙xi的de長chang短duan軸zhou比bi對dui帶dai寬kuan的de影ying響xiang較jiao大da。

總結和展望
tongguoduichaokuandaitianxiandeyanjiukeyizhidao，qizhonghaicunzaiyixiekunnan。ruzaichaoduanmaichongfashezhong，ruhebimianzhenlingxianxiang。lingwai，chaokuandaitianxianzhongruhebaochizhenggedaikuandehengdingzengyi、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性的工作。

suiranmuqianchaokuandaitianxiandefazhanmianlinzhuduotiaozhan，danshi，womenyouliyouxiangxin
，zaiweilaijinianjianghuiyougengdadetupo。zaiminyongchaokuandaiheyidongshitongxinshebeizhongchaoduandaitianxiandefazhanyehuichaozhexiaoxinghua、高效率
、穩定增益、寬頻帶
、超短快速脈衝響應的方向發展。