高性能超宽带(UWB)天线的研究与应用

摘要

超宽带（UWB）技术具有高数据传输速率、低能耗、低成本和高保密性等特点，得到了迅速的发展，并应用于通信，医疗等领域。特别是自2002年美国联邦通信委员会(FCC)把3.1GHz-10.6GHz作为商业频段应用以来，超宽带通信技术得到了工业界和学术界的广泛研究。超宽带天线作为超宽带通信系统中关键部件之一，其性能好坏直接影响系统的通信质量。首先，超宽带通信系统的频段非常宽，与现有已经使用的许多窄带通信系统存在频率上的重叠。为了避免超宽带系统和窄带系统之间的潜在干扰，设计具有陷波特性的小型化超宽带天线具有重要的价值。其次，在不同的环境下需要使用不同的天线工作模式时，即需要超宽带天线覆盖整个超宽带通信带宽时，需要重新设计超宽带天线，增加了天线的设计成本。设计可重构超宽带天线，不仅能满足超宽带通信的需求，同时还可以为陷波超宽带通信系统提供服务。再次，随着无线技术的发展，频谱资源紧缺，认知无线电技术能有效的解决频谱资源紧缺的问题。设计超宽带认知无线电天线可以解决频谱资源紧缺，实现频率重构。最后，多输入多数出通信系统拥有高容量，高效率，抗多径传播等特性，可以提高无线通信的质量。因此，结合多输入多输出系统的优点，研究多输入多输出超宽带天线具有现实意义。
　　本文主要研究内容为高性能超宽带天线的设计与应用，通过理论分析，电磁仿真和实验测试相结合的方法探索滤波器技术、开关技术和多输入多输出技术在高性能超宽带天线设计中的应用，进而设计性能优越的超宽带天线。本课题围绕超宽带天线的陷波特性和重构特性展开研究，涉及滤波器技术，重构技术，认知无线电技术和多输入多输出技术等多个领域。本文主要采用理论分析，建模仿真和实验测试等手段对提出的高性能超宽带天线进行研究，主要研究内容和创新成果如下：
　　首先，针对超宽带通信系统和授权使用的无线局域网以及 X波段卫星通信系统之间存在的潜在干扰，提出了集成 T形调谐棒和阶状阻抗谐振腔结构的单陷波超宽带天线和双陷波超宽带天线，避免了因刻槽引起的辐射，有效地抑制了无线局域网频带和 X频带内的窄带信号对超宽带系统造成的干扰。建模仿真了所设计的陷波超宽带天线，该天线不仅能覆盖超宽带通信带宽，同时能在无线局域网频带和 X频带内产生有效的陷波特性。这些超宽带陷波天线不仅实现了调谐棒和阶状阻抗谐振腔滤波器与超宽带天线的集成，实现了超宽带陷波功能，达到了超宽带通信系统抗干扰的目的。
　　其次，针对超宽带天线和陷波超宽带天线的重复设计问题，提出了四模可重构超宽带天线结构，即利用开关技术控制陷波超宽带天线的陷波特性，调整陷波超宽带天线的工作模式，实现四模可重构超宽带天线的设计，即超宽带天线，陷波超宽带天线，双频带天线和三频带天线；克服了超宽带天线和超宽带天线的不兼容设计问题，实现了多功能超宽带天线的一体化设计；分析了四模可重构超宽带天线的设计方法，研究了该天线的陷波特性和重构特性，发现阶状阻抗谐振腔的谐振特性可以由开关通断进行控制；实验结果验证了设计的可行性、有效性和仿真的正确性。
　　再次，针对频谱资源紧缺的问题，采用缺陷微带线技术和开关技术控制陷波超宽带天线的陷波频带和工作状态，设计了单端口馈电和双端口馈电的超宽带认知无线电天线，使所设计的单端口馈电的超宽带认知无线电天线工作在重叠式传输模式和隐藏式传输模式，解决也了频谱重叠造成的频谱紧张问题。单端口馈电的超宽带认知无线电天线通过陷波的方法，实现了重叠式传输，避免了超宽带通信系统与主要授权窄带系统之间的干扰，使窄带通信系统稳定工作；利用超宽带天线的低功率特性，实现单端口超宽带认知无线电天线的隐藏式传输。针对双端口馈电的超宽带认知无线电天线，研究了宽槽超宽带天线和宽槽窄带天线的独立设计和集成方法，分析了天线的阻抗特性和辐射特性，实现了超宽带感知和窄带重构通信同时工作，提高了频谱利用效率。
　　最后，针对MIMO-UWB天线在手持移动终端中的互耦大的问题，本文提出了采用径向加载结构的调谐棒降低互耦的方法，研究了二元超宽带天线阵列的公共接地面上插入径向加载结构的调谐棒的性能，有效引导阵元间电流流向径向加载结构的调谐棒，降低了天线阵元之间的耦合，提高了二元多输入多输出超宽带天线的隔离度。仿真和测试结果有效地证实设计的可行性和正确性，实现了多输入多输出超宽带天线的隔离度大于15dB。

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第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 本论文的设计指标

1.4 本论文的主要研究内容

1.5 本论文结构安排

第 2 章 集成滤波器的陷波超宽带天线

2.1 引言

2.2 单陷波超宽带天线

2.3 单陷波超宽带天线的分析

2.4 单陷波超宽带天线实验分析

2.5 双陷波超宽带天线

2.6 双陷波超宽带天线实验分析

2.7 本章小结

第 3 章 可重构超宽带天线

3.1 引言

3.3 阶状阻抗谐振腔加载的可重构超宽带天线的参数分析

3.3 实验结果分析

3.4 本章小结

第 4 章 超宽带认知无线电天线

4.1 引言

4.2 单端口馈电超宽带认知无线电天线

4.3 单端口馈电超宽带认知无线电天线的实验分析

4.4 双端口馈电超宽带认知无线电天线

4.5 双端口馈电超宽带认知无线电天线的实验分析

4.6 本章小结

第 5 章 多输入多输出超宽带天线

5.1 三陷波超宽带天线设计

5.2 多输入多输出三陷波超宽带天线设计

5.3 多输入多输出超宽带天线参数分析

5.4 多输入多输出超宽带天线的性能分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢