摘 要

超宽带（UWB）通信要求天线具有低成本、小尺寸、易于加工等特点，同时印刷单极子天线还要具有宽频带、易制作、容易和馈电网络连接等特点，因此UWB受到广泛的重视。这些印刷单极子天线在军事雷达、卫星、移动通信等方面应用广泛，所以，对印刷单极子天线的研究的意义重大。本论文为了实现天线结构的小型化，进一步扩展天线的频带宽度，在分析研究现有的印刷单极子天线的情况下，进行进一步研究工作，设计出新型的印刷单极子天线，并且基于设计的天线进行仿真测试优化，优化后结果比较吻合超宽带要求。本论文首先借助电磁软件HFSS针对矩形微带天线进行模拟，并在矩形结构贴片的基础上优化贴片结构，然后提出U形结构微带天线，最后，改变天线的馈电方式，使用共面波导馈电微带天线，并对所提出的几种天线结构进行了比较分析。

本论文首先主要通过对基本矩形微带天线设计，来了解超宽带技术的设计要求。然后以矩形微带天线为原型，改善了微带线馈电的印刷单极子天线，通过采用馈电地板斜切或刻画凹槽等方法增宽带宽。然后对矩形贴片微带天线进行进一步的结构优化设计，设计不规则矩形、圆形、U形等形状结构，改进馈电方式等操作，仿真求解优化设计后天线其电压驻波比和方向图等参数，进行比较分析。

可以通过设计矩形微带天线来满足超宽带天线的设计要求。然后在基本矩形微带天线的基础上，设计的新型不规则矩形贴片单极印刷天线和U型印刷单极子天线，通过仿真分析，在S11lt;-10dB的范围内覆盖了从3GHz到10GHz的频段的要求，并且设计的几款天线的辐射特性都近乎是全向性的。所提出的新结构天线实现了超宽带要求，并在原有的基础上进一步减小了尺寸。

关键词：超宽带；印刷天线；单极子天线；微带天线

Abstract

Ultra-Wideband (UWB) communication antennas have the advantages of low cost, small size, easy processing and other features. And the printed monopole antenna also has wide band-with, easy to manufacture, easy feed network connection and so on, so UWB receive extensive attention. These printed monopole antenna is widely used in military radar, satellite and mobile communication, therefore, research on the printed monopole antenna is of great significance. In this paper, in order to realize the miniaturization of the antenna structure, and further expansion band-width of antenna, the investigation of the existing printed monopole antenna is presented. In addition, further research work design and optimize a new the printed monopole antenna. The optimized results are in good agreement with the UWB requirement. In this paper, by using the electromagnetic software HFSS, rectangular micro-strip antenna is simulated, and patch structure are optimized in the rectangular patch structure, and then it investigated the U-shaped structure micro-strip antenna. Finally, the antenna feed structure is changed, by using coplanar waveguide feed. Also this paper reports the analysis and comparison of the proposed several antenna structure.

In this paper, firstly, for design the basic rectangular micro-strip antenna, to understand the design of ultra-wideband technology. Then with the rectangular micro-strip antenna as the prototype, and improve the micro-strip fed printed monopole antenna, the feed floor bevel or depict groove expanding bandwidth. Then for further structure optimization design on a rectangular patch micro-strip antenna, the design of irregular rectangular, circular, U-shaped structure, improved feeding mode of operation, the simulation optimization design antenna voltage and the VSWR and radiation pattern parameters, then to analysis and comparison.

Through the design of rectangular micro-strip antenna to meet the requirements of ultra-wideband antenna design. Then on the basic of rectangular micro-strip antenna, to design model of irregular rectangular patch printed monopole antenna and a U-shaped printed monopole antenna. Through the simulation analysis, within the scope of S11lt;-10dB covering from 3 GHz to 10 GHz frequency band, and design of several antenna radiation characteristics is close to being omnidirectional. The proposed new antenna structure to achieve the requirements of ultra-wideband, and on the basis of the original is further reduced in size.

Key Words：UWB; printed antenna; monopole antenna; micro-strip 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 超宽带技术简介 1

1.2.1 超宽带技术背景 1

1.2.2 超宽带技术应用 2

1.3 超宽带天线研究现状与发展 2

1.4 超宽带天线的主要分析方法 3

1.5 论文安排 3

第2章 超宽带天线的基本参数 4

2.1 天线基本参数 4

2.1.1 天线输入阻抗 4

2.1.2 天线阻抗带宽 4

2.1.3 天线方向系数和增益 5

2.2 UWB技术要求 6

2.3 馈电方式 6

2.3.1 微带线馈电 6

2.3.2 共面波导馈电 7

2.4 微带天线 7

第3章 超宽带印刷单极子天线 9

3.1 矩形贴片的UWB印刷单极子天线 9

3.1.1 基本天线结构 9

3.1.2 优化结构 11

3.1.3 仿真结果 13

3.2 U形结构的UWB印刷单极子天线 15

3.2.1 O形结构微带天线 15

3.2.2 U形结构的微带天线 17

3.2.3 仿真结果 18

3.3 分析总结 21

第4章 共面波导馈电的超宽带天线 22

4.1 共面波导馈电天线的基本结构 22

4.2 优化天线结构 22

4.3 分析与小结 24

第5章 结论 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

当前，超宽带（UWB，ultra-wideband）通信系统可以缓解紧张的频谱资源，是因为可以和其他的无线通信系统一起共用频段。为了避免频谱拥挤，同时使频率资源得到充分的利用，同时，超宽带技术具有成本低、功耗低的特点，使得超宽带技术受到了通信领域的极大的重视和关注。

超宽带天线技术是一种传输距离在10米左右的短距离的高速率传输的天线技术^[1]。与传统通信技术最大的不同是其拥有传统通信系统所无法相比的超高速率传输，可以广泛应用于移动通信、多媒体、雷达、卫星等各领域。同时，由于超宽带技术数据传输距离短，只有10米左右，抗干扰性能好，在室内通信方面有很大的应用潜力。因为超宽带天线技术具有的这些优势特点，使得UWB天线技术成为目前无线通信领域的研究热点。

在无线通信系统中，传输线上传播的导行波可以被天线变换成了在自由空间中传播的电磁波能量，或者进行相反的变换，自由空间中传播的电磁波可以被天线转换为可以在传输线上传播的导行波^[2]。因为，通信系统中用来发射或者接收电磁波是通过天线来完成的，所以说，天线是无线通信系统中非常关键的一步。超宽带技术的关键的部分现在已经是设计超宽带天线，所以，科研人员开发应用超宽带技术的重点已经变成设计开发超宽带天线。

1.2 超宽带技术简介

1.2.1 超宽带技术背景

起源于20世纪60年代对时域电磁学的研究的超宽带技术，在这一阶段中，主要在军事雷达通讯等通信领域内发展使用，并且被相关研究人员所重视。并且在这一阶段时间中，超宽带技术一直被称作基带技术或者无载波技术。直到1989年，美国的国防部长正式使用了Ultra-wideband（UWB）这一正式术语来描述超宽带这种用脉冲来传输信息的系统^[3]。

美国南加州大学的Robert Schultz，1993年在其论文中阐述了一种用扩频码来实现超宽带系统的多址技术，正是通过这一多址技术使得UWB技术的应用前景更加广泛。1994年后，UWB开始向民用方向领域发展，并且从1998年起，美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，简称FCC）开始广泛征求行业意见，是否开放超宽带技术于民用，并于2002年FCC最终通过了在开放3.1-10.6GHz的频段内使用UWB，并且要求在不干扰现有的无线设备基础上允许UWB技术的商业应用^[4]。随后相继出现了不同的标准的UWB应用的芯片，使得UWB技术在军事雷达、遥控导航、医疗安全、数字通信等领域展现了其独有的商业价值。