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超宽带天线设计与研究讲解
超宽带天线的研究与设计
中文摘要
近几年来，超宽带天线的研究已经成为热潮。
本文的思想也是研究小型化超宽带平板天线，让其在生活中的硬件设计产品中满足超宽带天线的技术需要。
因为超宽带天线在WiMAX和WLAN的窄带系统和装载切口天线设计结构上产生的影响。
实现WiMAX和WLAN频带的双凹槽在超宽带天线结构设计。
在设计过程中主要是使用HFSS软件进行天线结构的仿真优化。
主要利用了HFSS软件仿真和天线结构的优化设计过程。
我们针对其超宽带天线的性能参数，相应的提升平面单极子天线的基础研究。
传统平面单极子天线与狭槽，狭槽装载方法的横截面，提出了几种平面单极子天线从频域和时域研究，从而从单极子天线的相关性能参数出发，研究平面单极子天线在频率范围为3.1GHZ-11GHZ，使超宽带天线能够达到市场对硬件方面的应用需求。
关键词：
平面单极子天线；超宽带；HFSS仿真
Researchanddesignofultra-widebandantenna
Abstract
Inrecentyears,theresearchofultra-widebandantennahasbecomeaboom.Thoughtofthispaperistostudyultra-widebandplanarantennaminiaturization,letthelifeinthehardwaredesignoftheproductsatisfytheneedofultra-widebandantenna.Becauseofultra-widebandantennainWLANandWiMAXnarrowbandsystemsandtheimpactloadingofincisionontheantennadesign.BothWiMAXandWLANbandgroovesintheultra-widebandantennastructuredesign.InthedesignprocessismainlyusingHFSSsoftwareforsimulationofantennastructureoptimization.MainlyusingHFSSsoftwaresimulationandoptimizationoftheantennastructuredesignprocess.Weaccordingtotheperformanceofultra-widebandantennaparameters,thecorrespondingincreaseofplanarmonopoleantennaofbasicresearch.Traditionalplanarmonopoleantennaandtheslot,slotloadingmethodofcrosssection,andputsforwardseveralplanarmonopoleantennafromfrequencydomainandtimedomainresearch,thusstartingfromtherelatedperformanceparametersofmonopoleantenna,theplanarmonopoleantennainthefrequencyrangeof3.1GHZ-11GHZ,theultra-widebandantennacanmeetthemarketdemandforhardwareapplications.注意:
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Keywords:
Planarmonopoleantenna;Ultra-Wideband;HFSSsimulation
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第1章绪论
1.1研究背景
UWB天线技术，对无线通信的更进一步发展具有变革性的作用。
在20世纪60年代，超宽带无线技术在原先是应用在国家保密军事方面上的技术，近几年来天线在民用的方面得到了快速的发展，在天线的应用原理中，天线将电磁能辐射到系统的其他硬件工作当中。
在超宽带天线的传输过程中当超宽带天线所接收的传输信号作为接收天线进行传输时，来完成超宽带天线的电磁能量接收的辐射射入，将他提供给RF接收器部分进行有效的利用。
自从国家把军用天线的一部分频段应用于民用，天线的研究就成为广大研究者的热潮，分别应用于雷达，电台，探测器，对讲机，无绳电话，无线局域网，移动电话，遥控装置等，带动超宽带天线技术在近几年来迅速的发展。
国家军用通过限制有限的频谱资源，使无线通信系统之间的干扰问题日益明显，因此，兼容系统逐步出现，兼容系统的优点之一是能够覆盖多个通信频带在相同的时间应用一个频道，从而大大降低天线系统的数量，有利于天线的有限台的合理分布，有利于整合通信和小型化系统，兼容系统并减少系统等待从而浪费制造的成本。
超宽带天线硬件系统对全向辐射、阻抗带宽、磁场辐射程度和天线的大小尺寸部分都是非常严格的。
单极子天线可以通过变换不同种结构实现天线的信号传输。
在本文所研究的单极子天线因为结构相对其他的天线简单，对我们的研究来说，天线的研究生产成本也相对不是很高、天线带宽和其它方面的优势，使国内外对单极子天线的研究已成为首选。
在本文中我们主要来研究单极子天线，在查看了国内外众多文献中，我们研究和设计了一个非常实用的单极子天线，通过VSWR和模式模拟比较测量和仿真结果也很一致。
1.2超宽带天线的研究现状
我们国家是近几年来才对超宽带天线进行深入的研究，但是我们也没有落后很多，我们国家对超宽带天线的申请要比国外容易。
自2000年以来，我们国内研究机构就开始对超宽带天线的技术做深入研究。
一年后，超宽带天线技术被列入了我们国家863计划。
2004年，超宽带技术被中国国家自然科学基金开始关注和支持。
到目前为止，对于超宽带天线来说，国内外有大量的超宽带天线的论文，国内外还有很多关于超宽带的技术研讨会。
我们的研究中可以和国内外许多研究超宽带天线的杰出研究学者们学习，来更好的研究超宽带天线。
我们国内的研究人员对研究超宽带天线还有很大的研究空间，在现代科技发达的时代，对研究超宽带天线我们拥有丰富的资源，因为这个优势，我们需要更好的学习开发和使用超宽带天线的技术。
超宽带天线的发展，分别经历了以下几个阶段：
发展的第一个阶段：
在以前我们的超宽带天线是双锥天线和火山烟雾天线，如图1-1所示。
因为以前我们对天线的研究还不是太深入，当时的科技还不是很发达，天线的三维结构、体积相对较大，天线的相对占用空间较大，所以早起的天线不能在现代通信系统中应用。
发展的第二个阶段：
研究者们经历了多年的研究，终于在二十世纪，Ramsay（拉姆齐），他提出了缺陷型周期天线、螺旋天线和非高频天线，该天线的尺寸较大的到来，可以大于10：
1的阻抗带宽。
但是，对超宽带天线的研究也存在一些难点。
对于非高频天线，因为非常有效实现高频信号从该区域发出的辐射，非高频天线对超宽带脉冲波形产生的干扰，进而使高频天线用于传输接收和发射的超宽带天线信号引起的偏差。
第三阶段：
由于国家对民用超宽带天线研究的许可。
到进期天线的研究才得到更好的研究，连续出现了许多新的平面天线的研究。
根据研究者们的研究天线主要可以分为以下三个方面：
第一个方面是天线的平面单极子，第二个方面是天线印制单极子，第三个方面是天线的印刷缝隙。
其中在研究者们在研究中平板单极子天线受到研究者的好评，主要原因是平板单极子天线可以产生极大的阻抗带宽和高辐射。
（a）双椎天线（b）火山口烟雾行天线
图1-1早期的UWB天线
除了上述的几种人们熟知的天线，还有如图1-2所示的其他类型的超宽带天线，平面维瓦尔第天线（vivaldiantenna）、各种缝隙天线、平面振子天线等其他类型的天线，超宽带的研究已经成为天线研究者们的热潮，随着科技水平的进一步发展，超宽带天线也在不断的发展中。
我们在天线研究部分虽然没有国外的成熟，但是我们会继续努力，会陆续出现我们的自主知识产权和相对成熟的产品。
（a）维瓦尔第天线（b）缝隙天线（c）缝隙偶极子
图1-2其他类型UWB天线
1.3研究趋势
对超宽带天线技术的研究，从2002年开始得到了民用的开放，在全国范围内已经出现了许多关于超宽带天线的应用产品。
从前面的描述中可以知道，虽然各国的研究者们研究什么天线的都有，但是平面单极子天线具有许多优点。
目前我们推出的超宽带产品主要是基于单极子天线的产品，所以目前单极子天线是非常适合民用用在产品中的天线技术。
在我们的研究中，本文也是在平面单极子天线的基础上的超宽带天线。
天线发展的第一个趋势是：
是对天线的电阻方面的研究。
在硬件系统设计中由于天线系统和系统中的其他硬件系统共用一个频率。
对于我们的研究来说，在我们的研究中为了减少天线局域网络的干扰，我们的研究者们使用单极子天线设计的带阻滤波器，对天线研究中带阻滤波器可以有效的减少对我们系统产生的不良影响。
因此，研究者们对阻带超宽带的天线特性的研究更多，成为研究者们研究的话题。
天线发展的第二个趋势是：
研究者们按照带脉冲对波形形成和频域响应的时域响应一起的天线。
由于脉冲天线在系统中的传输作用不同。
对研究者们来说，我们研究的天线是一个脉冲整形的带通滤波器。
但是对研究者们来说对天线的参数关注是远远不够的，随着研究的深入，研究者们还需要从系统整体来测量天线的特性。
这说明研究者们将对天线进一步研究。
天线发展的第三个趋势是：
随着科技水平的提高，和各国研究者们研究的热潮，近几年来超宽带天线趋于小型化和平面化。
之所以我们研究的单极子超宽带天线适合当今的生活当中，是因为天线结构可以多变，从而降低了天线的研究难度和研究成本。
在当今社会中，虽然集成模块变得容易很多，但是小型集成的单极子天线是非常难的，因此研究者们以扩大所述超宽带天线的应用，使得超宽带天线易于集成，天线的研究对超宽带天线的大小结构的要求是很严格的。
第2章超宽带天线的理论基础
2.1超宽带天线的基本理论
2.1.1超宽带天线的结构原理
由于近几年来，各国研究者们对超宽带天线的热潮，研究者们逐渐意识到超宽带微带天线和传统的窄带微带天线没有本质的区别。
研究者们通过超宽带天线接地板和天线间隙将激发的电磁场辐射出来。
然后再对天线使用了一些新的技术来加强超宽带天线的传输频带，关键所在是超宽带天线在空间如何建立电磁场。
对于国内外研究者们的研究，我们知道超宽带天线的辐射范围与天线长度和结构形式是紧密相关的。
对与我们研究的天线，天线的结构差异、阻抗带宽、辐射和极化等方面都会影响天线的传输频率。
通过各国研究者们的研究，超宽带天线通信系统要求的非常严格，由于以前对天线的研究不是很深入，研究人员研究的超宽带天线的尺寸都相对较大，于是集成就相对不是很容易。
现在研究者们的研究方面已经集中在天线的结构小型化当中，以至于更方便人们应用于更小的硬件设备当中，许多新的小型天线的出现，随着人们的深入研究，天线已经很好的应用在人们的生活中，为人们的生活提供着方便。
2.1.2超宽带信号的时域辐射
由于实际的天线的尺寸总是有所不同，经过磁场的环境下，电流-i（t）馈入后，由于尺寸的关系超宽带天线的电流分布总会有一些延迟，我们可以将电流在天线上的分布看成是天线的结构函数，在本文的研究中，我们把偶极天线的长度设为L，而且偶极天线的辐射可以被认为是沿z方向的长度布置的多个叠加的赫兹偶极
，如1-2图所示。
如果我们假设在天线的中心处馈电，电流将流至所述天线结构的末端，设当前所有被吸收在天线终端，都没有发生反射，因此，在天线的这段时间可以看出作为一种理想的行波天线。
（a）赫兹偶极子天线结构（b）长度为L的偶极天线结构
图2-1偶极子天线结构模型
在本文中我们已知长度为L的赫兹偶极子，将超宽带天线上的均匀电流分布记作：
如下式
表示电流的角频率，由电磁辐射理论，我们可得该赫兹偶极子的
方向上电场分布可表示成：
式中略掉了时谐因子
，其中
是自由空间波阻抗，
是光速，
是波数。
对赫兹偶极子中的电场分布我们可以做傅里叶变换的类型，所以相应的在
方向上的赫兹偶极辐射场就可以简化为：
当
时，意味着天线此时的场效应具有远距离特性，上式可以简化为：
在位置z处的电流相对与中心馈电电流
相比较出现相对的延时，在位置z处的电流记为：
。
我们相对可知，由此可得波形天线
的赫兹偶极子上的辐射场简化为：
我们在上式中，对于行波天线在区间
上对z进行积分计算，我们可以非常精确的得出行波天线，并且误差相对较小，行波天线在远距离空间的时域辐射电场可以表示为：
从上式中我们可以得出，对于行波天线来说，超宽带天线在远距离辐射电场中分为几个重要成分，超宽带天线的中心区域馈电处和边缘馈电，但是超宽带天线在天线上的其他区域不产生辐射，因此，行波天线在空间的辐射场强度与辐射距离r，辐射角度θ，天线本身的尺寸l有关。
2.2超宽带天线的性能参数
对于国内外的研究者们来说，什么才是分辨超宽带天线的最重要因素，可以从天线的容量转换电磁能和辐射性能的好坏来区别，超宽带天线的区分从应用环境和系统要求确定。
例如：
对于天线阻抗、辐射增益和辐射波长，在辐射模式中，是天线的特性在时域进行相应的改进实现的。
（1）在天线的辐射方向图：
我们是以天线为中心的辐射功率密度变化的方面。
因为天线辐射方向图有定向的和全向的之分，定向的单波束或多波束实现天线通信，研究得出全向波束是适合于无线电、电视等场合的辐射方向的波束。
（2）在天线的能量方向性系数：
在离天线同样距离处测得的方向图上，用数学公式表示如下：
（3）能量辐射效率：
天线辐射功率与输入功率之比：
式中
——天线的辐射电场（V/m）；
——脉冲波前馈入天线的时刻（s）；
——自由空间波阻抗（Ω）；
——辐射天线输入电流（A）；
——辐射天线出入电压（V）；
（4）增益：
定向因子相乘天线效率。
考虑了天线损耗、介电损耗和负载损耗，考虑了馈线损耗，天线增益为实际增益，采用以下的公式进行表示：
第3章超宽带天线结构设计与仿真
3.1超宽带天线结构与尺寸参数
超宽带天线在应用于社我们的生活中大多数都是单极子天线，在本文的研究中我们在传统的单极子天线，研究者们通常应用斜接角和挖槽技术来对天线进行研究，我们应用这种技术同时提高了超宽带天线的性能，也降低了单极子天线的尺寸结构，在我们的制作中，我们所研究的单极子天线的结构分别给出了微带馈电单极子天线的结构图及实物加工图，如图3-1和图3-2：
（a）ant#a初始模型（b）ant#b加载单元结构（c）ant#c开槽结构
图3-1微带馈电超宽带天线结构优化图
图3-2c的实物加工图
在本文的研究中对于单极子天线而言，研究中得出单极子天线的大小主要由低频决定。
并为辐射贴片的平面形状的单极子天线，我们研究的单极子天线的驻波对应于低频少于两个点，我们的研究可以通过简单的圆筒估计近似。
下图显示了单极子天线圆柱体的基本模型，你可以得到一个矩形。
（a）圆柱体模型（b）矩形辐射贴片平面单极天线
图3-3矩形单极子天线结构图及其圆柱等效模型图
由此得出圆柱体估算矩形贴片的公式为：
上式中GHZ，L、r的单位为mm。
在圆柱体估算矩形贴片中
是单极子天线的低频处，因为上式中忽略了馈入间隙g对天线频率的干扰，在研究分析中将馈入间隙g也考虑在圆柱体的高度中，那么上式如下：
上式中，L、r、g的单位均为mm。
在上述式给出估计方法可以由矩形单极子天线的初始尺寸来获得。
在实践中，我们可以在所计算的，在此基础上的初始大小进行优化，得到参数的最佳组合。
在实际的应用中对天线性能馈送间隙g的干扰更大。
馈送间隙g减小增加容性的辐射贴片在介质表面和地板之间的微带线的下表面，从而导致阻抗失配。
此外，长度L矩形贴片天线的干扰相比，低频宽带W时点。
在我们实际在生活中的应用设计中，我们要注意这些关键参数。
图3-1微带馈电超宽带天线结构优化图是以改善微带天线的工艺设计，图3-1（a）的未装载的细胞和没有槽的状态，图3-1（b）的加入装载单元后，我们就可以从实验结果可以看出，天线的带宽可以装载单元可以根据图进行扩展其他的类型，图3-1（c）是在图3-1（b）的开缝与图。
根据一方面，单极子天线为了进一步减小单极子天线的尺寸，从另一方面也削弱了的微带天线的特性阻抗的背底板对天线的干扰。
是介质基板是3.38RO4003，厚度为1.52毫米，如表3.1所示。
表3.1微带馈电平面单极子天线最佳结构参数
W
L
W1
L1
l1
l2
W3
L3
W4
L4
g
19
13
3
10
3
2
6
2
11
12
1
3.2超宽带天线性能仿真
经过近几年来的研究，我们知道超宽带无线通信系统通常用于在便携式设备中。
为了使超宽带天线可以很容易地集成到其他RF电路，但也容易被嵌入到移动设备的UWB天线的设计应该是小的，平坦印刷天线。
软件工具天线设计，优化和模拟使用Ansoft公司高频结构仿真（HFSS），该软件工具是根据电磁有限元数值方法。
对于我们研究制作的单极子天线的各种性能通过HFSS仿真软件进行加工，实现最优结果。
HFSS仿真软件会对我们研究制作的实物天线进行对比，软件进行最佳仿真结果和研究实物测量，其中包括回波损耗，再将其结果在接下来进行详细的讲解。
在现在的研究中随着研究者们的电磁计算方法的发展，相继出现了相应的模拟软件。
而且天线技术还在继续发展它，为设计人员提供一个方便的工具，我们可以轻松地将电脑设置上实现并验证自己设计。
这些软件的出现大大缩短了设计周期包括天线，包括微波器件。
对于我们研究制作的超宽带天线，由于我们应用的仿真软件在不同的电磁场仿真软件中是基于不同的电磁场进行的仿真，仿真结果各有所不同。
这些软件各有利弊，在实践中，我们可以设计根据天线的具体特点，选择适当的软件，同时我们可以大大减少了设计时间，可以提高模拟的准确性。
在本文对超宽带天线的研究中，在对实物的研究中我们为了达到更好的效果，我们就需要多方面的软件。
以达到更好的仿真结果，提高了工作效率的理解。
下表列出了在几个电磁场仿真软件的功能和最常用的应用软件。
表3.2常用电磁仿真软件比较
软件名称
开发商
数值
算法
功能特点
应用领域
Advanced
Design
Systern（ADS）
Agilent
MOM
其中包括多种实现仿真的时域和频域特性，数字和模拟信号，线性和非线性，干扰解决方法
通信系统、射频及微波系统的设计，数字信号处理的设计和向量仿真结果
Ansoft
Designer
Ansoft
MOM
使用“按需求解器”技术，高频电路系统，布局和电磁仿真工具无缝集成到相同的环境
射频、微波电路、通信系统、电路板和模块及部件
设计
AnsoftHFSS
Ansoft
FEM
电磁场仿真软件的三维结构，以前所未有的电气性能分析能力和强大的处理器后
天线分析和设计
Microwave
Office
AWR
MOM
采用“场”和“路”两种分析方法来模拟不同的电路结构，加快运行速度
RFIC，MMIC，微带贴片天线和高速印刷电路设计
XFDTD
Remcom
FDTD
三维全波电磁场仿真
天线，微波电路，雷达计算机，化学，光学，陆基监视雷达和模拟生物组织
ZelandIE3D
Zeland
MOM
电流分布的问题可以金属结构的三维多层电介质环境下得到解决
分析与微波射频电路，多层印刷电路板中，平面微带天线设计
CST
Microwave
Studio
CST
FIT
三维高频电磁场仿真软件中，除了主要的时域模块还提供了本征模式和频域模块对某些特殊的应用
移动通信，无线通信，信号完整性和电磁兼容性
Sonnet
Sonnet
MOM
以提供3D平面高频电路设计的系统，并且与微波，毫米波和电磁场/EMI设计兼容
微带匹配网络，微带电路，微带滤波器，HDI和LTCC转换
本文研究所采用的工具是基于有限元法的AnsofHFSS和基于有限积分法的CSTMicrowaveStudio。
第4章超宽带天线测试与分析
4.1S11参数及带宽
图4-1S参数
初始模型S参数作为仅在3.1GHZ-8GHz的范围内，S参量-10dB或以下所示曲线.装载单元。
曲线b表示加载单元模型的S参数结构，带宽值小于-10dB时的S参数显著扩大，不足之处是，在5GHZ左右波动；经过进一步的开槽优化，在2.8GHZ-11GHz的所述曲线c的S参数的S参数值小于-10dB所示，不仅要扩大的频率，更低的频率也稍微扩大。
我们的研究为了获得的参数的最佳组合，下述对开槽结构。
给出了优化过程的参数。
当W1=2毫米，W1=2.5毫米，频率6.6GHZ-8.6GHZ回波损耗，如图4-1所示，在S参数的宽度W1的影响，它可以从图4-1可见回拨损耗较大的。
W1=3.5毫米，超宽带天线在整个频带中的回波损耗，我们应该保证在-10dB或更小，超宽带频带在8.5GHZ有一个比较明显的抖动的出现。
在S参数的宽度W1=4毫米时，超宽带天线频带的两端开始恶化，而在超宽带整个频带中，超宽带的回波损耗都不是很理想。
当S参数的宽度W1=3mm时，保持较低的值，并且整个曲线出现上下起伏，更柔和，并且满足超宽带天线通信需要。
图4-2W1对S参数的影响
4.2驻波比VSWR
根据给出的参数组合，经过优化，上述结构有画图的驻波比如图4-3所示：
图4-3微带馈电单极子天线的驻波比
由图4-3可以看出，在初始模型结构，满足VSWR<2是仅在带宽3.1GHZ-8.0GHZ范围，载单元加入到装载单元之后的结构的右侧，使天线的工作带宽可扩展到3.1GHZ-11GHz的，但不足之处是，小抖动了4.5GHz的出现左右，所以驻波比2稍大为了进一步优化的仿真结果，开槽结构中，开槽过程中，在同一时间后减小天线尺寸，即真正优化内2.85GHZ-11GHz的模拟结果的事实整个频段，驻波比小于1.8。
馈送微带的宽度，对天线性能的影响更明显的模拟，这一部分也将进一步探讨在其它参数保持不变，随着变化天线阻抗特性的馈电微带宽度W1。
开槽结构在W1=2毫米W1=2.5毫米，W1=3mm时，W1=3.5毫米，W1为4毫米五个案件，其中模拟、比较和分析，如图4-3仿真实例。
当W1=2毫米W1=2.5毫米，在相对高的地位的7GHz，9GHz的。
W1=3.5毫米，全频带站在比浮子稍大，曲线不光滑。
W1=4毫米，乐队端部开始恶化。
当W1=3mm时，驻波比UWB通信能满足要求。
图4-4W1对VSWR的影响
4.3增益方向图
by—z平面（phi=
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