摘 要

在无线通信的领域中，超宽带技术（Ultra-wideband technology）可以称得上是一种新式的技术，具有传输信号的功率谱密度低，对通信的通道衰落不敏感，截获性能低和系统复杂度低等一系列优点。在超宽带通信的系统中，超宽带天线属于系统的重要组成部分，设计出一个符合系统性能要求的天线是一项相当重要的任务，天线性能将直接影响系统性能。通常来说，设计出来的超宽带天线要求具有非常宽的带宽和稳定的增益、全向图和良好的时域特性。

本篇论文的主旨内容如下所述：首先，介绍了超宽带天线的背景和研究的重要性、国内外的研究状况；接下来分析了超宽带天线的相关参数和原理，以及所用到的一些设计分析方法；最后，以基础的印刷单极子微带天线为参考天线，通过增加渐变结构和挖U型槽等方法，扩展此基本的印刷单极微带天线的带宽，以获得可以满足频带范围为3GHz~10GHz的设计要求的超宽带天线。在这次的设计中，我选择使用HFSS仿真软件进行仿真计算，得到天线的各个参数，从而检验得出最后的设计天线达到了3 GHz ~ 10GHz 的阻抗带宽，满足任务书中的设计要求。

关键词：超宽带技术；超宽带天线；单极天线

Abstract

Ultra-wide band technology (UWB) is a new technology in the field of wireless communication, which has low Spectral density and is insensitive to channel fading, low interception performance and low system complexity and a series of advantages. In the UWB communication system, UWB ANTENNA is an important part of the system. It is a very important task to design an antenna which can meet the system performance requirements. Generally speaking, the UWB antennas designed need very wide

bandwidth, stable gain, omni-directional pattern and good time domain characteristics.

The main contents of this paper are as follows: Firstly, the background and importance of uwb antenna research, and the research status at home and abroad are introduced, finally, the basic printed monopole microstrip antenna is used as the reference antenna, and the bandwidth of the basic printed monopole microstrip antenna is extended by adding a gradient structure and digging a u-shaped slot, in order to obtain UWB antenna which can meet the design requirements of frequency band range from 3Ghz to 10Ghz. In this design, I choose to use HFSS simulation software to calculate the antennaparameters, so that the final design of the antenna reaches 3GHz ~ 10GHz impedance bandwidth, meet the design requirements of the task book.

Key Words：ultra-wideband technology；ultra-widebandantenna；monopole antenna

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要内容及论文结构 3

第2章 超宽带天线的理论概述 4

2.1 引言 4

2.2 超宽带天线的基本参数 4

2.2.1 输入阻抗 4

2.2.2 带宽 5

2.2.3 方向图 6

2.2.4 效率和增益 7

2.3 超宽带天线的特征参数 7

2.4 单极子天线简介 8

2.5 超宽带天线的设计分析方法 9

2.5.1 分析方法 9

2.5.2 扩展带宽的方法 10

2.6 本章小结 10

第3章 超宽带天线的设计过程 11

3.1 引言 11

3.2 超宽带天线的研究与设计 11

3.2.1 基板材料的选择 11

3.2.2 馈电结构的选择 11

3.2.3 天线的结构设计与仿真 12

3.3 参数优化分析 19

3.4 本章小结 22

第4章 总结与展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

科学在不断进步，社会在不断发展，人们对于通信电子设备的要求也在逐步提高，具体表现在要求无线通信系统拥有更快的速度和更大的容量，而这一要求与拥挤不堪的无线频谱资源之间存在着很大的冲突，所以拓宽频带范围是一件十分紧迫的任务。超宽带技术具有许多优点，它可以轻松地解决频谱资源紧张这一问题。超宽带天线主要的功能是辐射或者接收电磁信号，而且它属于无线电信息传输系统中的一个重要部件，其性能和尺寸直接影响无线通信系统的整体性能^[1]。为了更好地满足无线通信系统的需要，必须不断提高超宽带天线的发送和接收性能。因此，超宽带天线的研究与设计具有十分重要的意义。

超宽带技术的概念最早是被伊利诺伊大学的学者提出来的^[2]。在上世纪的中叶和下半叶，科研人员在超宽带天线上的研究大部分是集中在两种天线上，也就是螺旋天线、对数周期天线，而且超宽带天线一开始主要用于军事领域，例如定位和雷达，而并非完全用于工业通讯的领域。在超宽带技术方面的研究历史可以说是相对较长的，超宽带技术具有很多特性和优势，比如它的低功耗、高传输速率以及大容量，在保密方面的性能也比较好，而且容易和系统集成^[3]。也正因为这些优势，UWB技术逐渐被人们所认可。通过民用测试后，FCC在2002年将UWB民用频段的频谱范围划分为3.1 GHz至10.6 GHz，使得超宽带天线的研究工作受到了许多学者的关注，这才真正地开始超宽带天线的研究热潮。

传统上的超宽带天线基本满足指标，但是都存在着一些的缺陷（例如容易传输失真或相位中心不稳定等），所以，越来越多的新技术和新材料逐渐开发出来，产生了各种形状和高性能的超宽带天线，而正是这些拥有着高性能的超宽带天线使得超宽带技术能够更加快速地发展。

1.2 国内外研究现状

在传统意义上，可以说，科学人员对于超宽带天线方面的钻研设计已有近几十年的历史，并且设计出了一部分具有经典意义的天线结构。1943年，Schelkunoff提出了双锥天线^[4]，其天线结构可参照图1.1，它能够使用Maxwell方程轻松地求解，而且这种分析方法可以应用于其他形状的一些天线中去，还可以提供这些天线的阻抗特性。有些天线结构是在双锥形状的天线结构基础上进行改造的，可以说是双锥天线的变形，比如圆锥形状的天线结构和蝶形的天线结构，而且这些类型的天线现在仍然广泛用于超宽带系统中。