高性能超寬帶(UWB)天線的研究與應(yīng)用.pdf

1、超寬帶（UWB）技術(shù)具有高數(shù)據(jù)傳輸速率、低能耗、低成本和高保密性等特點(diǎn)，得到了迅速的發(fā)展，并應(yīng)用于通信，醫(yī)療等領(lǐng)域。特別是自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)把3.1GHz-10.6GHz作為商業(yè)頻段應(yīng)用以來，超寬帶通信技術(shù)得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛研究。超寬帶天線作為超寬帶通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量。首先，超寬帶通信系統(tǒng)的頻段非常寬，與現(xiàn)有已經(jīng)使用的許多窄帶通信系統(tǒng)存在頻率上的重疊。為了避免超寬帶系統(tǒng)

2、和窄帶系統(tǒng)之間的潛在干擾，設(shè)計(jì)具有陷波特性的小型化超寬帶天線具有重要的價(jià)值。其次，在不同的環(huán)境下需要使用不同的天線工作模式時(shí)，即需要超寬帶天線覆蓋整個(gè)超寬帶通信帶寬時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)超寬帶天線，增加了天線的設(shè)計(jì)成本。設(shè)計(jì)可重構(gòu)超寬帶天線，不僅能滿足超寬帶通信的需求，同時(shí)還可以為陷波超寬帶通信系統(tǒng)提供服務(wù)。再次，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源緊缺，認(rèn)知無線電技術(shù)能有效的解決頻譜資源緊缺的問題。設(shè)計(jì)超寬帶認(rèn)知無線電天線可以解決頻譜資源緊缺，實(shí)現(xiàn)

3、頻率重構(gòu)。最后，多輸入多數(shù)出通信系統(tǒng)擁有高容量，高效率，抗多徑傳播等特性，可以提高無線通信的質(zhì)量。因此，結(jié)合多輸入多輸出系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，研究多輸入多輸出超寬帶天線具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文主要研究內(nèi)容為高性能超寬帶天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，通過理論分析，電磁仿真和實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方法探索濾波器技術(shù)、開關(guān)技術(shù)和多輸入多輸出技術(shù)在高性能超寬帶天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，進(jìn)而設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的超寬帶天線。本課題圍繞超寬帶天線的陷波特性和重構(gòu)特性展開研究，涉及濾波器

4、技術(shù)，重構(gòu)技術(shù)，認(rèn)知無線電技術(shù)和多輸入多輸出技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。本文主要采用理論分析，建模仿真和實(shí)驗(yàn)測試等手段對提出的高性能超寬帶天線進(jìn)行研究，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下：
　　首先，針對超寬帶通信系統(tǒng)和授權(quán)使用的無線局域網(wǎng)以及 X波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間存在的潛在干擾，提出了集成 T形調(diào)諧棒和階狀阻抗諧振腔結(jié)構(gòu)的單陷波超寬帶天線和雙陷波超寬帶天線，避免了因刻槽引起的輻射，有效地抑制了無線局域網(wǎng)頻帶和 X頻帶內(nèi)的窄帶信號對超寬帶系統(tǒng)造成的

5、干擾。建模仿真了所設(shè)計(jì)的陷波超寬帶天線，該天線不僅能覆蓋超寬帶通信帶寬，同時(shí)能在無線局域網(wǎng)頻帶和 X頻帶內(nèi)產(chǎn)生有效的陷波特性。這些超寬帶陷波天線不僅實(shí)現(xiàn)了調(diào)諧棒和階狀阻抗諧振腔濾波器與超寬帶天線的集成，實(shí)現(xiàn)了超寬帶陷波功能，達(dá)到了超寬帶通信系統(tǒng)抗干擾的目的。
　　其次，針對超寬帶天線和陷波超寬帶天線的重復(fù)設(shè)計(jì)問題，提出了四?？芍貥?gòu)超寬帶天線結(jié)構(gòu)，即利用開關(guān)技術(shù)控制陷波超寬帶天線的陷波特性，調(diào)整陷波超寬帶天線的工作模式，實(shí)現(xiàn)四?？芍?/p>

6、構(gòu)超寬帶天線的設(shè)計(jì)，即超寬帶天線，陷波超寬帶天線，雙頻帶天線和三頻帶天線；克服了超寬帶天線和超寬帶天線的不兼容設(shè)計(jì)問題，實(shí)現(xiàn)了多功能超寬帶天線的一體化設(shè)計(jì)；分析了四模可重構(gòu)超寬帶天線的設(shè)計(jì)方法，研究了該天線的陷波特性和重構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)階狀阻抗諧振腔的諧振特性可以由開關(guān)通斷進(jìn)行控制；實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性、有效性和仿真的正確性。
　　再次，針對頻譜資源緊缺的問題，采用缺陷微帶線技術(shù)和開關(guān)技術(shù)控制陷波超寬帶天線的陷波頻帶和工作狀態(tài)，

7、設(shè)計(jì)了單端口饋電和雙端口饋電的超寬帶認(rèn)知無線電天線，使所設(shè)計(jì)的單端口饋電的超寬帶認(rèn)知無線電天線工作在重疊式傳輸模式和隱藏式傳輸模式，解決也了頻譜重疊造成的頻譜緊張問題。單端口饋電的超寬帶認(rèn)知無線電天線通過陷波的方法，實(shí)現(xiàn)了重疊式傳輸，避免了超寬帶通信系統(tǒng)與主要授權(quán)窄帶系統(tǒng)之間的干擾，使窄帶通信系統(tǒng)穩(wěn)定工作；利用超寬帶天線的低功率特性，實(shí)現(xiàn)單端口超寬帶認(rèn)知無線電天線的隱藏式傳輸。針對雙端口饋電的超寬帶認(rèn)知無線電天線，研究了寬槽超寬帶天線和

8、寬槽窄帶天線的獨(dú)立設(shè)計(jì)和集成方法，分析了天線的阻抗特性和輻射特性，實(shí)現(xiàn)了超寬帶感知和窄帶重構(gòu)通信同時(shí)工作，提高了頻譜利用效率。
　　最后，針對MIMO-UWB天線在手持移動終端中的互耦大的問題，本文提出了采用徑向加載結(jié)構(gòu)的調(diào)諧棒降低互耦的方法，研究了二元超寬帶天線陣列的公共接地面上插入徑向加載結(jié)構(gòu)的調(diào)諧棒的性能，有效引導(dǎo)陣元間電流流向徑向加載結(jié)構(gòu)的調(diào)諧棒，降低了天線陣元之間的耦合，提高了二元多輸入多輸出超寬帶天線的隔離度。仿真和測