UWB天線(xiàn)理論13

1、12 起源于1887年Hertz電磁波輻射實(shí)驗(yàn)，他用的UWB信號(hào)源是 “火花隙”發(fā)射機(jī)。 18871983年，由于理論分析和技術(shù)上的困難，超寬帶電磁學(xué)基本上停滯不前。 1898年Oliver Lodge提出了“調(diào)諧”的概念，在同一個(gè)專(zhuān)利技術(shù)中，Lodge討論了 “作為充電表面或者電容面，可以用錐面或者三角形平板，從頂點(diǎn)連接”。 Lodge的這番論述就是最早的超寬帶天線(xiàn)理論，涉及到V-錐天線(xiàn)、三角板天線(xiàn)、雙錐天線(xiàn)、單極子天線(xiàn)等寬帶天線(xiàn)，這些都是現(xiàn)在常用的天線(xiàn)。3 UWB系統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究 關(guān)鍵技術(shù)突破 UWB天線(xiàn) UWB信號(hào)源 UWB調(diào)制解調(diào)技術(shù) UWB系統(tǒng)應(yīng)用 UWB通信、 UWB雷達(dá)、 UW

2、B成像、 UWB電子戰(zhàn)等 UWB管理標(biāo)準(zhǔn)的制定4 20世紀(jì)80年代UWB/SP電磁學(xué)理論有了長(zhǎng)足進(jìn)展; 20世紀(jì)90年代以來(lái)，UWB通信、UWB雷達(dá)、UWB成像、UWB電子戰(zhàn)、等UWB電子系統(tǒng)得到越開(kāi)越廣泛的應(yīng)用； UWB天線(xiàn)則是UWB電子系統(tǒng)必不可少的部件； 迄今為止，各種研究忽略了UWBUWB天線(xiàn)之間的內(nèi)在聯(lián)天線(xiàn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，不利系，不利于深刻理解和設(shè)計(jì)性能良好的UWB天線(xiàn)。5 根據(jù)天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型給出一種根據(jù)天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型給出一種UWBUWB天線(xiàn)天線(xiàn)的新分類(lèi)方法，的新分類(lèi)方法， 從結(jié)構(gòu)上給出雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)型從結(jié)構(gòu)上給出雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)型UWBUWB天線(xiàn)的演天線(xiàn)的演變關(guān)系，變關(guān)系， 使使UWBU

3、WB天線(xiàn)理論更系統(tǒng)化，有助于深刻理天線(xiàn)理論更系統(tǒng)化，有助于深刻理解和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的解和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的UWBUWB天線(xiàn)。天線(xiàn)。6/20(b)開(kāi)路傳輸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)振子天線(xiàn)7 開(kāi)路雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)上的電荷、電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布。傳輸線(xiàn)上只有駐波，傳輸線(xiàn)終端以及離開(kāi)終端 (n是整數(shù)) 之處電流為零。相鄰/2傳輸線(xiàn)上電流方向相反。 注意到，兩導(dǎo)線(xiàn)之間的場(chǎng)得到加強(qiáng)，其他地方的場(chǎng)都被削弱，不產(chǎn)生輻射。 末端彎曲成圖1（b）的形狀，這時(shí)上下導(dǎo)體垂直段上的電流方向相同，遠(yuǎn)區(qū)的場(chǎng)不是互相抵消而是互相疊加，從而產(chǎn)生輻射。2n8 本質(zhì)上都是傳輸電磁能量傳輸線(xiàn)兩端都是閉合電路；天線(xiàn)的一端是閉合電路（發(fā)射源），一端是自由空間（負(fù)載）

4、。 天線(xiàn)是傳輸線(xiàn)的特殊形式，它起著被導(dǎo)波與空間波之間能量轉(zhuǎn)換的作用。 這種傳輸電磁能量的作用決定了大多數(shù)天線(xiàn)都是由傳輸線(xiàn)或者波導(dǎo)演變而來(lái)。9 開(kāi)口矩形波導(dǎo)末端逐漸張開(kāi)形成角錐喇叭天線(xiàn)； 開(kāi)口圓波導(dǎo)末端逐漸張開(kāi)形成圓錐喇叭天線(xiàn)； 拉開(kāi)短路傳輸線(xiàn)末端導(dǎo)線(xiàn)之間的距離形成磁偶極子天線(xiàn)； 開(kāi)路圓錐傳輸線(xiàn)就是雙圓錐天線(xiàn)， 圓v-錐傳輸線(xiàn)變?yōu)閳Av-錐天線(xiàn)等等。10天線(xiàn)波導(dǎo)型天線(xiàn)：波紋喇叭線(xiàn)微帶線(xiàn)型：微帶貼片天螺旋天線(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)喇叭天線(xiàn)槽天線(xiàn)錐天線(xiàn)圓錐天線(xiàn)電小天線(xiàn)雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)型傳輸線(xiàn)型天線(xiàn)天線(xiàn)TEMVUWB11 雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)型UWB天線(xiàn)，包括圓錐天線(xiàn)、V-錐天線(xiàn)、電小天線(xiàn)、槽天線(xiàn)、TEM喇叭天線(xiàn)、對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)和

5、螺旋天線(xiàn)等。 雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)型UWB天線(xiàn)的共同特點(diǎn)是，天線(xiàn)具有角形結(jié)構(gòu)、可以設(shè)計(jì)成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)、大輻射面積或者較長(zhǎng)的電流路徑； 結(jié)構(gòu)上有內(nèi)在的演變關(guān)系結(jié)構(gòu)上有內(nèi)在的演變關(guān)系。12 根據(jù)Sandler 和King 有限長(zhǎng)圓錐天線(xiàn)的研究成果，導(dǎo)出了電偶極子型電小天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型； 進(jìn)而利用電小天線(xiàn)的相似性相似性，可以研究各種類(lèi)型的電偶極子天線(xiàn)。 電偶極子型電小天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型: 用一段無(wú)損耗開(kāi)路傳輸線(xiàn)和輻射電阻串聯(lián)來(lái)表示， 開(kāi)路線(xiàn)描述了電偶極子型電小天線(xiàn)的輸入電抗。 比集總參數(shù)等效電路更準(zhǔn)確地描述電偶極子型電小天線(xiàn)， 利用這一等效電路可以實(shí)現(xiàn)輸入電抗的完全補(bǔ)償。 13-jZ0ctgklRrZinYin等效

6、輸入電容無(wú)耗短路傳輸線(xiàn)ReRmmm14Yin-jZ0ctgklRr無(wú)耗短路傳輸線(xiàn)Rc-jZ0ctgklZinRr15電小天線(xiàn)/電偶極子圓錐天線(xiàn)有限長(zhǎng)圓錐天線(xiàn)King給出的阻抗公式天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型電小天線(xiàn)的相似性16 圓錐天線(xiàn)和V-錐天線(xiàn)都是常用的超寬帶天線(xiàn)，都具有角形結(jié)構(gòu)角形結(jié)構(gòu)。 理想化模型分別是圓錐傳輸線(xiàn)和V-錐傳輸線(xiàn)傳輸線(xiàn)， 都可以嚴(yán)格求解嚴(yán)格求解。 更具有普遍性的物理模型分別是橢圓錐橢圓錐天線(xiàn)和橢圓V-錐天線(xiàn)。 改變橢圓錐天線(xiàn)（圖4a）的參數(shù)( )和V-錐天線(xiàn)（圖4b）的參數(shù)( )，可以得到同一種同一種天線(xiàn)，那就是蝴蝶結(jié)天線(xiàn)。天線(xiàn)，那就是蝴蝶結(jié)天線(xiàn)。0 x201718圓錐天線(xiàn)橢圓錐天線(xiàn)

7、圓V-錐天線(xiàn)都得到,2, 00ECAEVAx蝴蝶結(jié)天線(xiàn)19 圓V-錐天線(xiàn)的更為普遍模型是橢圓V-錐天線(xiàn)。橢圓V-錐天線(xiàn)中， 是模數(shù)。 當(dāng)時(shí) ，橢圓V-錐天線(xiàn)退化為三角板天線(xiàn)，根據(jù)輻射臂所處位置可以分為三類(lèi)，第一類(lèi)TVA1即TEM喇叭天線(xiàn)；第三類(lèi)TVA3即槽天線(xiàn)；第二類(lèi)TVA2是上下輻射臂幾何位置相互錯(cuò)開(kāi)的TEM喇叭天線(xiàn)。 除了饋電點(diǎn)處的幾何結(jié)構(gòu)不同外，蝴蝶結(jié)天線(xiàn)和TEM喇叭天線(xiàn)實(shí)際上是一樣的。xykcos/cos0k20 xykcos/cos21zyx非共面扇形天線(xiàn)0k22 通過(guò)結(jié)構(gòu)上的演變關(guān)系，可以更深入理解超寬帶天線(xiàn)的寬帶機(jī)理，進(jìn)而改進(jìn)UWB天線(xiàn)的設(shè)計(jì)。 從V-錐天線(xiàn)演變過(guò)來(lái)的TEM喇叭天

8、線(xiàn)，其輻射臂末端一般是圓弧邊緣圓弧邊緣，末端反射不會(huì)展寬脈沖波形； 常規(guī)的TEM喇叭天線(xiàn)，其輻射臂末端一般是直線(xiàn)直線(xiàn)邊緣邊緣，在輻射脈沖波形時(shí)會(huì)寬脈沖波形。23由于V-錐天線(xiàn)和TEM喇叭在結(jié)構(gòu)上的內(nèi)在聯(lián)系，它們可以設(shè)計(jì)成自補(bǔ)結(jié)構(gòu)形式，使輸入阻抗與頻率無(wú)關(guān)，約等于188.5。24圓V-錐天線(xiàn)有限長(zhǎng)V-錐天線(xiàn) ，蝴蝶結(jié)天線(xiàn)TVA2/TVA1/TEM喇叭Laba TVA3/槽天線(xiàn)橢圓V-錐天線(xiàn)三角板天線(xiàn)0k225無(wú)限長(zhǎng)圓V-錐天線(xiàn)有限長(zhǎng)Bowtie天線(xiàn)加長(zhǎng)電流路徑對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)螺旋天線(xiàn)劈形對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)/定向輻射梯形對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)Zig-zag對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)LPDA進(jìn)一步折疊26 在文獻(xiàn)上，通常把對(duì)數(shù)周期天

9、線(xiàn)和螺旋天線(xiàn)歸入與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)一類(lèi)。 事實(shí)上，上述幾種角形結(jié)構(gòu)天線(xiàn)都是與頻率無(wú)關(guān)天線(xiàn)； 對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)可以看成是有限長(zhǎng)蝴蝶結(jié)天線(xiàn)加上圓弧形的“齒”形成的，而加“齒”的規(guī)律則按螺旋天線(xiàn)的方式。27 從1898年Lodge在一個(gè)專(zhuān)利技術(shù)中討論UWB天線(xiàn)，用錐面或者三角形平板，從頂點(diǎn)連接”。 雙線(xiàn)傳輸線(xiàn)型天線(xiàn)（圓錐天線(xiàn)、V-錐天線(xiàn)、電小天線(xiàn)、槽天線(xiàn)、TEM喇叭天線(xiàn)、對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)和螺旋天線(xiàn)），至今已經(jīng)有了108年的歷史。 在這108年中成千上萬(wàn)的研究成果基本上都是分別研究上述幾類(lèi)天線(xiàn)，未見(jiàn)導(dǎo)研究它們之間結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)演變關(guān)系演變關(guān)系。28 概括起來(lái)，可以得到各類(lèi)角形結(jié)構(gòu)UWB天線(xiàn)之間的結(jié)構(gòu)演變關(guān)系。 這種結(jié)構(gòu)

10、演變關(guān)系使UWB天線(xiàn)理論系統(tǒng)化，有助于理解和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的UWB天線(xiàn)。 可以看到，外形上千差萬(wàn)別的天線(xiàn)居然有著內(nèi)在外形上千差萬(wàn)別的天線(xiàn)居然有著內(nèi)在的必然聯(lián)系的必然聯(lián)系。 “外形上千差萬(wàn)別的天線(xiàn)”是為了滿(mǎn)足工程上千差萬(wàn)別的要求而研究出來(lái)的； “內(nèi)在的必然聯(lián)系”則表明萬(wàn)變不離其宗的理論內(nèi)涵。從另一方面來(lái)說(shuō)，這也是一種普遍的天線(xiàn)研究方法。29蝴蝶結(jié)天線(xiàn)圓V-錐天線(xiàn)橢圓V-錐天線(xiàn)螺旋天線(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)LPDATEM喇叭槽天線(xiàn)三角板天線(xiàn)有限長(zhǎng)圓錐天線(xiàn)電小天線(xiàn)/電偶極子電小天線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型圓錐天線(xiàn)橢圓錐天線(xiàn)30 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)主要依賴(lài)于角度的變化，而不天線(xiàn)結(jié)構(gòu)主要依賴(lài)于角度的變化，而不是長(zhǎng)度的變化；是長(zhǎng)度的變化； 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)具有自補(bǔ)特性；天線(xiàn)結(jié)構(gòu)具有自補(bǔ)特性； 天線(xiàn)具有自相似結(jié)構(gòu)；天線(xiàn)具有自相似結(jié)構(gòu)； 天線(xiàn)有很大的電流輻射面積和適當(dāng)?shù)穆诽炀€(xiàn)有很大的電流輻射面積和適當(dāng)?shù)穆窂介L(zhǎng)度。徑長(zhǎng)度。 31 圓錐天線(xiàn)，橢圓錐天線(xiàn) V錐天線(xiàn)，橢圓V錐天線(xiàn) Bowtie 天線(xiàn)，TEM喇叭 對(duì)數(shù)周期天線(xiàn) 螺旋天線(xiàn)32 平面對(duì)數(shù)周期天線(xiàn) 螺旋天線(xiàn) V錐天線(xiàn)， Bowt