小型化平板单极UWB天线的设计及其开槽负载特性的研究

摘要

UWB(Ultra Wide Band)作为无线通信的新起之秀，其主要应用于10米左右的短距离高速数据通信。UWB通信不仅要求天线具有良好的时域与频域特性而且要求天线尺寸小、结构简单、重量轻、成本低等。平板单极天线不仅具有上述特点，同时具有频带宽、剖面轮廓低、易与馈电网络连接等优点，满足超宽带通信中无线终端对天线的小型化、宽频带化的要求，因而受到广泛的关注。本论文为进一步降低天线尺寸，增大天线的频带宽度，并实现天线在特定频段的陷波特性，在分析现有平板单极天线文献的基础上，进行了大量的工作，研究设计出两类新型的平板单极天线，并进行了实际制作和测试，测试结果与理论结果吻合较好。本文所做的研究工作与创新性结果有： 1.改善了由共面波导馈电的平板单极UWB天线，通过采用了部分地板、馈电端渐变、馈电端地板斜切、以及辐射单元顶端切角等技术有效地展宽了天线频带，实现了天线的小型化。其次通过引入不同形状缝隙实现了天线在WLAN(5-6GHz)频段的频带滤除特性。分别从时域与频域分析了加载与未加载缝隙以及加载不同缝隙UWB天线的各方面特性。 2.提出了同时支持WLAN(802.11b/g)与UWB通信的双频超宽带天线，并通过引入近似二分之一波长的不同缝隙实现了天线在2.6-3.1GHz频段的陷波特性。分别从时域与频域分析了加载不同形状缝隙UWB天线的各方面特性。 3.研究了天线对超宽带系统脉冲信号波形设计的影响。研究发现，脉冲信号通过天线后，辐射的脉冲信号会出现拖尾、振铃，所覆盖的频谱整体向低频端移动。因此必须联合天线与脉冲信号设计，才能使辐射脉冲信号满足FCC频谱规划要求。 实际制作并测试了上述两类天线，理论上的宽频带特性与陷波得到了实验结果的验证。研究结果表明采用部分地板、馈电端渐变、馈电端地板斜切、以及辐射单元顶端切角等技术能有效增加平板单极天线的带宽，减小了天线的尺寸，其次引入不同形状的缝隙加载能实现天线在特定频段的陷波。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

1. 引言

1.1研究的背景与意义

1.1.1超宽带(UWB-Ultra Wide Band)介绍

1.1.2超宽带信号

1.1.3超宽带天线

1.2研究的历史与现状

1.2.1 UWB天线的研究历史与现状

1.2.2 UWB脉冲信号的研究历史与现状

1.3目前研究存在的问题及常见的超宽带天线

1.3.1目前研究存在的问题

1.3.2常见的UWB天线

1.3.3平板单极UWB天线概述

1.4本文内容安排

2. 超宽带技术基本理论和方法

2.1表征脉冲天线特性的一些基本参数

2.1.1脉冲天线的理想传递系数

2.1.2信号保真度

2.1.3振荡系数

2.2超宽带的基本定义及其对天线的要求

2.2.1超宽带系统介绍及超宽带天线的特点

2.2.2超宽带天线研究的关键

2.3宽频全平面规则形状单极天线尺寸的基本估算方法

2.4研究方法与使用软件

2.4.1 CST MWS软件

2.4.2 HFSS软件

3. 小型化平板单极天线及其陷波特性分析

3.1加载U型缝隙—具有陷波特性的小型化平板单极天线

3.1.1天线结构设计与优化

3.1.2结果与讨论

3.2介电常数对天线辐射特性的影响

3.2.1天线结构设计

3.2.2结果与分析

3.2.3结论

3.3加载不同矩形谐振缝隙实现频带滤除

3.3.1天线结构与设计

3.3.2结果与分析

3.3.3平板单极UWB天线收发仿真

3.4渐变缝隙共面波导馈电的平板单极UWB天线

3.4.1天线基本结构

3.4.2结果分析与讨论

3.5本章小结

4. 同时适用于WLAN与UWB的开槽负载单极天线的设计

4.1天线结构与设计

4.2结果与讨论

4.2.1频域分析

4.2.2时域分析

4.3本章小结

5. 天线对超宽带脉冲信号波形设计的影响

5.1超宽带无线电中常用脉冲波形的特性分析

5.1.1与高斯函数相关的脉冲信号族

5.1.2其它几种脉冲波形

5.2 FCC对超宽带通信激励脉冲信号的要求

5.2.1 FCC对辐射信号频谱特性的要求

5.2.2频谱匹配

5.2.3符合FCC室内标准要求的单脉冲信号

5.2.4符合FCC室内标准要求的组合脉冲信号

5.3 UWB天线对超宽带脉冲信号设计的影响

5.3.1天线等效模型分析

5.3.2线性系统逼近法应用于UWB天线扭曲分析

5.4本章小结

6. 总结与展望

6.1总结

6.2研究展望

参考文献

作者简历