UWB天线理论13

1、12 起源于1887年Hertz电磁波辐射实验，他用的UWB信号源是 “火花隙”发射机。 18871983年，由于理论分析和技术上的困难，超宽带电磁学基本上停滞不前。 1898年Oliver Lodge提出了“调谐”的概念，在同一个专利技术中，Lodge讨论了 “作为充电表面或者电容面，可以用锥面或者三角形平板，从顶点连接”。 Lodge的这番论述就是最早的超宽带天线理论，涉及到V-锥天线、三角板天线、双锥天线、单极子天线等宽带天线，这些都是现在常用的天线。3 UWB系统理论与实验研究 关键技术突破 UWB天线 UWB信号源 UWB调制解调技术 UWB系统应用 UWB通信、 UWB雷达、 UW

2、B成像、 UWB电子战等 UWB管理标准的制定4 20世纪80年代UWB/SP电磁学理论有了长足进展; 20世纪90年代以来，UWB通信、UWB雷达、UWB成像、UWB电子战、等UWB电子系统得到越开越广泛的应用； UWB天线则是UWB电子系统必不可少的部件； 迄今为止，各种研究忽略了UWBUWB天线之间的内在联天线之间的内在联系，不利系，不利于深刻理解和设计性能良好的UWB天线。5 根据天线的传输线模型给出一种根据天线的传输线模型给出一种UWBUWB天线天线的新分类方法，的新分类方法， 从结构上给出双线传输线型从结构上给出双线传输线型UWBUWB天线的演天线的演变关系，变关系， 使使UWBU

3、WB天线理论更系统化，有助于深刻理天线理论更系统化，有助于深刻理解和设计性能优良的解和设计性能优良的UWBUWB天线。天线。6/20(b)开路传输线对称振子天线7 开路双线传输线上的电荷、电流、电场和磁场分布。传输线上只有驻波，传输线终端以及离开终端 (n是整数) 之处电流为零。相邻/2传输线上电流方向相反。 注意到，两导线之间的场得到加强，其他地方的场都被削弱，不产生辐射。 末端弯曲成图1（b）的形状，这时上下导体垂直段上的电流方向相同，远区的场不是互相抵消而是互相叠加，从而产生辐射。2n8 本质上都是传输电磁能量传输线两端都是闭合电路；天线的一端是闭合电路（发射源），一端是自由空间（负载）

4、。 天线是传输线的特殊形式，它起着被导波与空间波之间能量转换的作用。 这种传输电磁能量的作用决定了大多数天线都是由传输线或者波导演变而来。9 开口矩形波导末端逐渐张开形成角锥喇叭天线； 开口圆波导末端逐渐张开形成圆锥喇叭天线； 拉开短路传输线末端导线之间的距离形成磁偶极子天线； 开路圆锥传输线就是双圆锥天线， 圆v-锥传输线变为圆v-锥天线等等。10天线波导型天线：波纹喇叭线微带线型：微带贴片天螺旋天线对数周期天线喇叭天线槽天线锥天线圆锥天线电小天线双线传输线型传输线型天线天线TEMVUWB11 双线传输线型UWB天线，包括圆锥天线、V-锥天线、电小天线、槽天线、TEM喇叭天线、对数周期天线和

5、螺旋天线等。 双线传输线型UWB天线的共同特点是，天线具有角形结构、可以设计成自补结构、大辐射面积或者较长的电流路径； 结构上有内在的演变关系结构上有内在的演变关系。12 根据Sandler 和King 有限长圆锥天线的研究成果，导出了电偶极子型电小天线的传输线模型； 进而利用电小天线的相似性相似性，可以研究各种类型的电偶极子天线。 电偶极子型电小天线的传输线模型: 用一段无损耗开路传输线和辐射电阻串联来表示， 开路线描述了电偶极子型电小天线的输入电抗。 比集总参数等效电路更准确地描述电偶极子型电小天线， 利用这一等效电路可以实现输入电抗的完全补偿。 13-jZ0ctgklRrZinYin等效

6、输入电容无耗短路传输线ReRmmm14Yin-jZ0ctgklRr无耗短路传输线Rc-jZ0ctgklZinRr15电小天线/电偶极子圆锥天线有限长圆锥天线King给出的阻抗公式天线的传输线模型电小天线的相似性16 圆锥天线和V-锥天线都是常用的超宽带天线，都具有角形结构角形结构。 理想化模型分别是圆锥传输线和V-锥传输线传输线， 都可以严格求解严格求解。 更具有普遍性的物理模型分别是椭圆锥椭圆锥天线和椭圆V-锥天线。 改变椭圆锥天线（图4a）的参数( )和V-锥天线（图4b）的参数( )，可以得到同一种同一种天线，那就是蝴蝶结天线。天线，那就是蝴蝶结天线。0 x201718圆锥天线椭圆锥天线

7、圆V-锥天线都得到,2, 00ECAEVAx蝴蝶结天线19 圆V-锥天线的更为普遍模型是椭圆V-锥天线。椭圆V-锥天线中， 是模数。 当时 ，椭圆V-锥天线退化为三角板天线，根据辐射臂所处位置可以分为三类，第一类TVA1即TEM喇叭天线；第三类TVA3即槽天线；第二类TVA2是上下辐射臂几何位置相互错开的TEM喇叭天线。 除了馈电点处的几何结构不同外，蝴蝶结天线和TEM喇叭天线实际上是一样的。xykcos/cos0k20 xykcos/cos21zyx非共面扇形天线0k22 通过结构上的演变关系，可以更深入理解超宽带天线的宽带机理，进而改进UWB天线的设计。 从V-锥天线演变过来的TEM喇叭天

8、线，其辐射臂末端一般是圆弧边缘圆弧边缘，末端反射不会展宽脉冲波形； 常规的TEM喇叭天线，其辐射臂末端一般是直线直线边缘边缘，在辐射脉冲波形时会宽脉冲波形。23由于V-锥天线和TEM喇叭在结构上的内在联系，它们可以设计成自补结构形式，使输入阻抗与频率无关，约等于188.5。24圆V-锥天线有限长V-锥天线 ，蝴蝶结天线TVA2/TVA1/TEM喇叭Laba TVA3/槽天线椭圆V-锥天线三角板天线0k225无限长圆V-锥天线有限长Bowtie天线加长电流路径对数周期天线螺旋天线劈形对数周期天线/定向辐射梯形对数周期天线Zig-zag对数周期天线LPDA进一步折叠26 在文献上，通常把对数周期天

9、线和螺旋天线归入与频率无关天线一类。 事实上，上述几种角形结构天线都是与频率无关天线； 对数周期天线可以看成是有限长蝴蝶结天线加上圆弧形的“齿”形成的，而加“齿”的规律则按螺旋天线的方式。27 从1898年Lodge在一个专利技术中讨论UWB天线，用锥面或者三角形平板，从顶点连接”。 双线传输线型天线（圆锥天线、V-锥天线、电小天线、槽天线、TEM喇叭天线、对数周期天线和螺旋天线），至今已经有了108年的历史。 在这108年中成千上万的研究成果基本上都是分别研究上述几类天线，未见导研究它们之间结构结构演变关系演变关系。28 概括起来，可以得到各类角形结构UWB天线之间的结构演变关系。 这种结构

10、演变关系使UWB天线理论系统化，有助于理解和设计性能优良的UWB天线。 可以看到，外形上千差万别的天线居然有着内在外形上千差万别的天线居然有着内在的必然联系的必然联系。 “外形上千差万别的天线”是为了满足工程上千差万别的要求而研究出来的； “内在的必然联系”则表明万变不离其宗的理论内涵。从另一方面来说，这也是一种普遍的天线研究方法。29蝴蝶结天线圆V-锥天线椭圆V-锥天线螺旋天线对数周期天线LPDATEM喇叭槽天线三角板天线有限长圆锥天线电小天线/电偶极子电小天线的传输线模型圆锥天线椭圆锥天线30 天线结构主要依赖于角度的变化，而不天线结构主要依赖于角度的变化，而不是长度的变化；是长度的变化； 天线结构具有自补特性；天线结构具有自补特性； 天线具有自相似结构；天线具有自相似结构； 天线有很大的电流辐射面积和适当的路天线有很大的电流辐射面积和适当的路径长度。径长度。 31 圆锥天线，椭圆锥天线 V锥天线，椭圆V锥天线 Bowtie 天线，TEM喇叭 对数周期天线 螺旋天线32 平面对数周期天线 螺旋天线 V锥天线， Bowt