超宽带天线时频域参数及设计方法

1、第23卷增刊 微 波 学 报 Vol.23 Supplement 2007年8月 JOURNAL OF MICROWAVES Aug. 2007超宽带天线时频域参数及设计方法张 卓1,2 尹 浩2 苏 凯1,2 陈 思1（1. 解放军理工大学通信工程学院，南京 210007； 2. 中国电子系统设备工程公司研究所，北京 100039） 摘 要：超宽带通信系统由于GHz级的瞬时脉冲带宽，天线的设计和用于天线性能比较的参数与传统窄带天线有很大区别。本文评述了天线的时域和频域性能参数，论述了超宽带天线设计的方法，最后给出两种典型应用的UWB天线，讨论了未来超宽带天线研究的技术和发展前景。关键词：超宽

2、带通信系统，天线，参数Time-Frequency Domain Parameters and design Techniques of UWB AntennaZHANG Zhuo1,2 YIN Hao2 SU Kai1 CHENG Si1(1. Institute of Communications Engineering, Science and Technology University of PLA, Nanjing 210007, China;2. Institute of Electronic System Engineering Corporation, Beijing 1000

3、39, China) Abstract：Antenna performance assessment and design of UWB radio systems have much difference from traditional antenna due to the ultra wide band of transmitted signal. This paper describes the performance parameters in both time domain and frequency domain and the methods of the design of

4、 UWB antenna. Two type antennas in the typical applications are presented; the technical challenges and developing prospect to further research are discussed finally.Key words：Ultra-wide band radio systems, Antenna, Parameters引 言2002年，美国联邦通信委员会(FCC)颁布超宽带(UWB)报告，规定系统10dB带宽可达7.5GHz (3.1GHz -10.6GHz)，有

5、效全向发射功率(EIRP)低于-41.3 dBm/MHz，此后超宽带技术发展如火如荼。目前主要应用于短距离高速数据通信和中长距离有定位功能的低速通信网络。传统UWB天线研究集中于冲击脉冲雷达，特点是定向、高功率、体积庞大；而UWB通信系统中的天线（以下简称UWB天线）则通常要求是全向、低功率、易携带。以往的通信系统是系统设计方案决定天线和射频设计方案，而UWB天线和射频的设计方案和性能直接影响甚至决定了系统的设计方案。UWB天线设计面临全新挑战。统中心频率获得的频域参数，在更大的频带范 围，这些参数将随频率变化，直接分析和比较它们已不足以反映天线的性能。因此UWB天线电参数的定义需要加以扩展或

6、定义新参数，同时在时域、频域分析和建模。数字时/频域方法有时域有限差分(FDTD)法、时域积分方程(TDIE)法和矩量法(MoM)等。1.1 脉冲响应和转移函数天线系统的转移函数H()描述了整个发送接收链路的特性，适合UWB通信系统的表征：H(,r)=Vr(,r)=|H(,r)|ej() (1)Vt()()=t()+r()+rc(2)其中Vr()、Vt()是信源和接收信号的电压，1 UWB天线的电性能参数UWB通信系统典型脉冲时域宽度为亚纳秒级，有很宽的瞬时带宽。传统天线的电特性参数是在系 *t()、r()是发射和接收天线的相位，(,)是方位角，c是光速，r是天线间距离。当天线系统视为一个两端

7、口网络时，转移函数可以用S参数描述1，如图1所示。当信源阻抗Z0定稿日期：2007-04-1822微 波 学 报 2007年8月和接收机负载阻抗Zl等于传输线的特性阻抗时，转移函数为：H(,r)=S21()（3） 21.4 效率效率定义为对于某一激励，天线总辐射能量与总接收能量的比值：22S参数可以通过矢量网络分析器精确地测量出来，再通过FFT变换到时域进行评估。因此，H()能够直接由天线系统的S12或S21来描述。 =Per(,)sinddin()Zline（7）dZline是传输线特性阻抗，Vin()是馈入电压。用回波损耗参数S11()，效率可表示为：图1 UWB通信系统的天线系统原理图

8、=Pet()(1|S11()|2)dPet()d（8）1.2 保真度信号x(t)与y(t)的保真度定义为：F=效率依赖于Vin()和反射系数。对于无损耗天线，测量入射和反射能量可以直接得到天线的效率。（4）1.5 参数总结对于瞬时宽带激励，需要用时域和频域参数共同评价天线性能。由于转移函数能够反映依赖阻抗匹配、增益、极化匹配、群时延、天线间距离和方向性等多种因素的天线系统的性能，因而在评估整个系统的响应时非常有用。在比较天线性能时可以使用基于能量的一系列参数，如方向图、效率和增益等。常用的时域能量方向图有以下几种：一种场强方向图，它表示检测到的电压的时间波形，第二种是能量方向图，它正比于某方向

9、上的总接收能量，它们都是入射信号的函数。第三种是峰值互相关方向图，第四种是互相关函数半峰值宽度方向图。与电压图相比，半峰值宽度几乎等于测量电压类似脉冲部分的时间宽度。后两种方向图常用于定向天线，使用在任意方向的接收信号与最大辐射方向信号的互相关函数。保真度通常用于评估接收信号的质量和选择合适的检测模板。此外，峰值响应也是电磁脉冲常用的评估参数。x(t)y(t)dt=maxLpsource(t)poutput(t)dtpsource(t)、poutput(t)是按各自能量归一化的信源脉冲和输出脉冲。保真度是最大互相关函数，它通过改变得到最大积分值。L是对信源脉冲psource(t)的线性算子。可

10、见，当保真度最大时，接收天线的输出模板信号Lpsource(t)也许与psource(t)并不相似。 1.3 能量方向图对于UWB天线，由功率密度得到的方向图在不同频率将具有不同的特性，很难用于评价天线的性能。方向图也可以从能量的角度来描述。发射能量方向图Pet(,)和接收能量方向图Per(,)定义为：2Pet(,)=0232201Vt()Z0+Zinf(,)d=2GradJ1（5） |E(,)|d=0JGrad|E(,t)|dt2 UWB天线系统的设计2.1 阻抗匹配和失真UWB通信系统要求天线具有超宽带阻抗特性。天线可以视为传输线阻抗和自由空间阻抗的匹配器，它将传输线中的传输形式的能量转换

11、为自由空间的辐射能量。传统窄带天线常常要设计匹配网络来实现RF前端和天线间的阻抗匹配。而当带宽增加Per(,)=122JGincE(,)f(,)Rld（6）Z0+Zl其中0是自由空间波阻抗，f(,)是方向函数，Zin是输入阻抗。天线的能量是可测量的，因此很容易得到它的数值。第23卷增刊 张 卓等：超宽带天线时频域参数及设计方法 23时，匹配网络设计变得十分困难。因此设计UWB天线时，要通过对天线进行特殊的设计，使天线具有良好匹配特性，尽量避免使用匹配网络调整UWB天线的阻抗特性。良好的阻抗特性是UWB天线设计的首要准则。同样，天线的频谱范围也可以设计3。通过更为复杂的方法可以实现频率的陷波来避

12、开某些频率，天线频谱的滚降速率在某种程度上也可以得到控制。UWB通信系统还要求天线的相位中心具有超宽带不变特性。对于发射天线，工作频带内的线性相位（群时延是常数）是非常重要的。即使天线的幅度响应很平坦，群时延仍能够导致天线明显的信号失真。对数周期天线和螺旋天线的相位中心随频率变化，接收脉冲波形时会产生拖尾振荡。锥形天线通过使用匹配负载来削减端口的能量反射，具有稳定的相位中心。但通常体积太大，不适于便携式的UWB设备。而平面单极子天线（偶极子天线）具有带宽宽、体积小和低成本的特点，其宽带应用研究较为广泛。2.2 振子天线的尺寸、带宽和增益天线设计尺寸与品质因数Q或相对带宽有关。UWB中心频率fc

13、定义为几何平均4频率平方成倒数关系，(c/4rf)2为路径损耗。天线的增益G由天线的有效面积Ae定义： G(f)=4Ae(f)4Ae(f)f2= （11）c22由于发射限制EIRP，系统设计要控制Pt(f)Gt(f)以符合规范的要求。常增益天线的有效面积以1/f2滚降。而“常有效面积”天线的增益随f2增加。因此，如图2所示：1)对于常增益发射接收天线，由于路径损耗，接收功率以1/f2滚降。2)如果接收天线是具有常有效面积的定向天线，则接收功率是平坦的，且比全向天线接收功率大得多，但是可见区变窄。3)在发射端使用定向天线，链路性能并没有得到提高，因为由EIRP公式，发送功率Pt必须以1/f2减少

14、才能符合FCC限制。由McLean边界5，当Q0时，r=c/(2)。c是中心频率对应的波长，r为完全包围天线的最小球体的半径。因此，UWB振子天线大小通常是其中心频率的四分之一波长左右。更小的尺寸会导致效率和性能的下降。电磁能量耦合效应在传播常数范围内起作用。对于电小尺寸天线，天线最大有效面积近似等于天线的物理面积加上其外围的/(2)区域带。即天线的电半径是物理半径加上/(2)。由于增益是有效面积的函数，因此利用这个假设，可以估计天线增益的上界。2.3 天线的方向性和系统性能Friis公式是与频率相关的，使用功率谱密度，UWB天线接收功率是： Pr(f)=cG(f)Gr(f)Pt(f)tdf （10） 20(4r)f22图2 天线的方向性与链路性能的关系3 UWB天线实例UWB天线的设计主要是基于实现要求。对于WBAN/WPAN应用，它们要求天线必须有小尺寸，高效率，易于与电路集成和良好的瞬时特性等。 3.1 WPAN全向天线贴片天线由于重量轻、低成本、易于加工，在无线通信中具有广泛的应用。文献