钻石形超宽带天线设计与研究

摘要
近年来，微带天线由于其体积小、重量轻、制作简单和成本低等优点，引起了人们的广泛兴趣。

但是微带天线的缺点也很明显，带宽窄、效率低，这时超宽带微带天线应运而出，通过对微带天线的优化，使其达到超宽带的要求，有效克服了天线带宽窄的问题。

2002年，FCC公布了超宽带天线的通信标准：3.1GHz-10.6GHz。

如今移动通信设备和终端呈现小型化的发展趋势，这更使得超宽带微带天线的研究与应用成为了当今的热点。

超宽带技术具有很大的应用前景，可应用于无线通信、雷达、短距探测等。

本文介绍了天线的基本电参数以及微带天线的馈电方式、辐射原理以及分析方法，并对矩形微带天线进行了仿真研究，研究了贴片长度和阻抗匹配器宽度对天线性能的影响；而由于研究的是超宽带天线，本文还对超宽带天线进行了简要的介绍和分析。

本文的主要内容是设计一款钻石型超宽带天线并对其进行一定的优化，使其能满足超宽带的要求。

首先，根据微带天线的基本理论，设计出了天线原型。

接下来，分析了天线的接地板、辐射贴片、介质板的厚度对于天线性能的影响。

最后分析和总结，完成天线的设计。

完成的天线工作频带涵盖了整个UWB频段,并且带宽远比设计要求
的要大得多，相对带宽达到130%，在此范围内天线的回波损耗低于-10dB，最大辐射方向的增益为4.24dB。

关键词：微带天线;超宽带;钻石形超宽带天线
Abstract
In recent years, because of its small size, light weight, simple production and low cost, the microstrip antenna has aroused people's wide interests.. But the disadvantage of the microstrip antenna is obvious,for exmple narrow bandwidth, low efficiency, then Ultra Wideband Microstrip antenna should be shipped out, through the optimization of the microstrip antenna,it meet the requirements of ultra wideband, effectively overcome the disadvantage，the narrow bandwidth of the antenna.
In 2002, FCC announced the communication standards of UWB Antenna: 3.1GHz-10.6GHz. Moile communication equipment and terminals arepresenting a trend of miniaturization, which makes the research and application of UWB microstrip antenna become a hot spot today. UWB technology has great application prospect, can be used in wireless communication, radar, short detection etc..
In this paper, we introduced the antenna's basic electrical parameters and the feed mode of microstrip antenna, radiation theory and analysis method, then we research the simulation of the rectangular microstrip antenna , research patch length and impedance matching device width on the performance of the antenna; and because it is the study of ultra wide band antenna. This paper also introduced and analyzed ultra wideband antenna briefly .
The main content of this paper is to design a diamond type ultra wideband antenna and optimize it, so that it can meet the requirements of UWB.. Firstly, according to the basic theory of microstrip antenna, the antenna prototype is designed.Next, the influence of the antenna's grounding, the radiation patch, the thickness of the dielectric plate on the antenna performance is analyzed.Finally, the design of the antenna is analyzed and plete antenna operating band covers the whole UWB frequency band and bandwidth is much larger than design requirements , relative bandwidth reaches 130%. Within this range of the antenna return loss below - 10dB, the maximum radiation direction of the gain is 4.24dB.
Key words:microstrip antenna; UWB; diamond shaped UWB antenna
目录
第1章绪论 (1)
1.1 研究目的及其意义 (1)
1.2 当今天线的研究方向 (2)
1.3 论文主要内容 (3)
1.4 小结 (3)
第2章天线的理论基础 (4)
2.1 天线的电参数 (4)
2.1.1 方向图 (4)
2.1.2 增益 (4)
2.1.3输入阻抗 (4)
2.1.4 频带宽度 (5)
2.1.5 驻波比 (5)
2.2 微带天线 (6)
2.2.1 微带天线概述 (6)
2.2.2微带天线的馈电方式 (7)
2.2.3微带天线的辐射原理 (8)
2.2.4 微带天线的分析方法 (9)
2.3 超宽带天线 (12)
2.3.1超宽带天线简介 (12)
2.3.2 超宽带无线通信的优势与缺点 (13)
2.3.3 超宽带天线的应用 (18)
2.4小结： (19)
第3章矩形微带天线仿真与分析 (20)
3.1 仿真软件简介 (20)
3.2 设计指标 (24)
3.3 确定尺寸 (24)
3.4 矩形微带天线仿真及分析 (25)
3.5小结： (29)
第4章钻石形超宽带天线设计与优化 (30)
4.1钻石形超宽带天线设计指标 (30)
4.2钻石形超宽带天线初始设计与仿真 (30)
4.3 钻石形超宽带天线的参数对于天线的影响 (32)
4.3.1天线接地板 (32)
4.3.2钻石形微带贴片 (37)
4.3.3介质板的厚度 (42)
4.4 钻石形超宽带天线的优化 (43)
4.4.1 天线优化分析 (43)
4.4.2 天线优化尺寸及结果 (43)
4.5小结： (47)
总结 (48)
致谢........................................................................................................................... 错误！未定义书签。

参考文献 (49)
第1章绪论
1.1 研究目的及其意义
截止2015年，中国的上网人数已经将近一半，网络渗透率将达到50%。

互联网已经成为中国人生活和工作的必备工具，而且在未来几年内，随着移动互联网的发展，将有更多的人进入到互联网，而且进入的更深，人们的学习，工作，生活，都离不开互联网。

这将在多个方面改变和改善我们的生活和工作状态，让人们生活更便利，同时也会产生更多的商业机会。

未来互联网的发展呈现出的其中一个趋势就是，互联网越来越趋于移动化。

随着智能手机的普及，人们对于网络的需求达到一个空前的程度，人们越来越多的用手机进行语音图片和视频的传递，总所周知，这都是最费流量的，也就是说它需要很大的传输速率的支持，而现在2G升级3G，3G马上升级4G，这都是为了适应人们的需求。

但是，虽然现在的4G网络已经可以达到百Mbps的下载速率，但是由于技术升级还不能一步到位，成本也没有得到有效控制，使得现在的流量费用普遍偏高。

你要拿流量看一部电影，都成为一种奢侈。

所以，现在的人到哪都会问，WIFI密码多少？因此现在的无线局域网得以普及，而对于无线局域网，天线是必不可少的。

它是连接移动端与互联网的桥梁。

而超宽带天线便在其中，2002年，FCC公布了超宽带天线的通信标准，这使得超宽带天线真正走向了通信领域。

不再是以前只有军方才会使用的技术。

只有军方使用，使得天线的发展受到限制，而现在通信标准的公布，必然会增加第三方对超宽带技术的研究和兴趣。

承载移动通信的一部分就是天线，通过天线将电信号转换为电磁场，然后发射到空间，然后再通过天线接收电磁信号，进一步转换为电信号，这就是移动传输的过程。

现在移动产品呈现发展趋势，是小型化便捷化，这都显示出移动通信要朝着宽带宽的方向发展，因此负责发送信号和接收信号的天线必须具有宽频带的特点，并且要满足小型化的要求，以期望在便捷的同时达到更快更好的传输信息。

而在多种通信系统中，UWB超宽带天线具有宽频带（3.1GHz-10.6GHz），小型化等优点，正好符合上述需求。

所以，为了迎接UWB时代的来临，设计覆盖全频道、实现全反向性收发及其小型化的UWB超宽带天线及其迫切。

而超宽带天线不仅仅应用于无线通信领域，超宽度技术是一种新兴的无线技术，信号具有吉赫兹的带宽，在雷达、精确定位、探测识别和电磁兼容测试系统等众多商业和军事领域都有着巨大的应用前景。

1.2 当今天线的研究方向
如今，随着军事和商业不断发展，对天线的设计要求越来越高，不仅要求填写具有多频带和宽频带的工作特点，而且还要求天线的尺寸小及低剖面等。

而对于无线通信系统，随着系统技术的不断升级和完善，现在的通信系统传输速率越来越快、效率越来越高、而且移动端设备越来越小型化。

所以要求天线具有高增益、宽频带和多频带等特点，所以现在对天线的研究主要表现为下面几方面[9]：
天线的小型化：因为现代集成电路技术和现代工艺的发展，而且为了适应人们的需求，电子产品越来越小巧精致，而无线终端必不可少的是天线，这也就需要天线也具有小型化的特点。

天线的宽频带：微带天线的带宽小，一般的微带行波天线的带宽只有百分之几十，微带缝天线的窄缝更小，只有百分之一，而宽缝则能达到百分之十。

普通的微带天线则更不用说，频带更小。

而这就需要我们对天线进行改进，改进频带宽度的方法很多，比如改变天线的形状、尺寸以及利用各种不同的馈电技术以及阻抗匹配技术等都可以一定程度上增大带宽。

经过大量的实验，已经证明，就单个天线单元的阻抗带宽而言，如果利用这些技术它们的频带宽度可以提高到百分之九十，也就是说它的增益可以达到百分之七十。

天线的多极化：天线之所以有诸多的应用，是因为他比其他设备具有众多的优点，良好的天线具有良好的极化特性。

这使得天线在雷达、目标识别以及电子对抗领域、通信系统等中都有广泛的应用。

现在国内外已经有大量的人开始研究这个课题。

主要的研究内容为如何实现单个微带天线元双极化或者多极化以及圆极化的方法。

天线的多频带：为了实现更多的功能，在很多的天线应用中，大家都希望天线可以工作在两个或多个频带。

比如GPS导航。

无线局域网WLAN和手机等，这些大家平时都会接触到用到。

天线的高增益：天线的增益和天线的尺寸大小有着紧密的联系。

当设计一款天线时，尽量减小天线的尺寸使天线越来越小，但此时天线的增益也会随着尺寸的减小而
降低。

为了使天线在小型化的同时增益保持不变，这样的小型化高增益天线是目前天线研究最重要的研究方向之一。

1.3 论文主要内容
本文主要研究内容是设计一款钻石型超宽带天线，并根据要求，对天线进行优化仿真。

首先是对参考文献所提供的矩形微带天线的设计进行研究，分析矩形微带天线参数变化对其引起的影响，其次再分析超宽带天线的带宽改进及优化方法。

在此基础上进行分析设计，并提出自己的设想和方案，通过理论结合实际的方法，利用仿真软件对天线进行设计并优化，使天线的S参数也就是回波损耗在所需要的频带范围内低于10dB,电压驻波比也要在此范围内低于2。

所以，首先是设计出钻石型超宽带天线的基本模型，然后运用仿真软件对其进行仿真，查看仿真结果，分析其在所需频段内需要怎样的改变。

将天线的尺寸和形状设置成多组变量，对这些变量进行交叉仿真，寻找最大带宽的曲线，计算相对带宽，看是否能满足超宽带天线设计要求。

1.4 小结
当今世界，互联网正在不断发展壮大。

移动通信更是给人们的生活带来了巨大的改变，使得人们的沟通更便利。

但是随着人们对于通信的要求越来越高，已不仅仅局限于通话、短信等传统的通信方式，更趋向去浏览网页、浏览视频、以及视频通话，而这些要求，使得通信系统不得不更新换代。

本章阐述了天线研究的目的与意义，并对天线的研究方向给予了简单的介绍。

第2章天线的理论基础
2.1 天线的电参数
2.1.1 方向图
天线方向图又叫辐射方向图(radiation pattern）、远场方向图(far-field pattern）,由天线方向图可以直观地衡量天线的性能。

天线的方向图表示天线在不同角度的辐射功率大小，即辐射功率在空间的分布图[12]。

不相同的天线，它的辐射图一般也不同，因为天线的方向图与天线的结构有很大的关系，不同的天线，由于结构的不同，它的方向图一般也不同。

天线的方向图可以由三维图形表示，也可以用两个正交平面表示。

而工程上一般选用两个正交的平面来对天线进行分析。

这两个方向图，分别被称为H 面和E面，E面为最大辐射方向平行于电场方向的面，H面正交于E面。

天线的方向性可以用副瓣电平和方向性系数来表示。

副瓣的最大值相对于主瓣最大值的比值成为副瓣电平，一般用分贝表示，副瓣电平越小，天线辐射的能量越集中，方向性越好。

方向性系数是指相同的总辐射功率下，某天线产生的最大辐射方向的辐射强度与一理想的无方向性天线（理想点源）产生与同一点的辐射强度的比值。

2.1.2 增益
增益的定义为：输入功率条件不变的前提下，天线在最大辐射方向测量与理想点源天线辐射强度的比值，这就是天线的增益[12]。

也就是说天线增益并不是放大器的增益，它不是用来表示天线把信号放大的程度，而是表示天线对于理想辐射天线的辐射比。

天线的增益与天线的方向性有着紧密的联系，并可以得出天线的效率，因为天线的输入功率等于天线的总辐射功率除以效率，所以增益等于方向性系数乘以效率。

2.1.3 输入阻抗
天线的输入阻抗是天线在馈电点的电压与电流的比值。

它的值跟多个因素有关，天线形式、波长以及是周围的电磁环境等都对其有影响。

而输入阻抗的意义在于，确定了它，就可以由此设计馈线，达到天线的相互匹配。

而匹配程度的好坏，则由驻波比表示，匹配越好驻波比越小，驻波比的范围为一到无穷大。

2.1.4 频带宽度
在一定频率范围内，天线的特定参数的变化在可接受范围内，那么这个频率范围就是天线的带宽[11]。

也就是说，天线的辐射宽度由所设立的标准有关，而这些标准是关于方向图、主播宽度、方向性系数、驻波比等的。

例如，规定的是天线的驻波比，需要天线的驻波比低于2，那么由此可以确定天线满足的频率范围，那就是频带宽度，也就是说如果低于2的驻波比的频率从1GHz 到10GHz ，那么天线的频带宽度为9GHz 。

当然天线的频带宽度都是由多个参量来确立的，而不是单单的因为一个，而不同的标准，所得到的频带宽度也不同，这要看实际设计天线所需要达到的是怎样的条件和要求。

而区别于窄带天线和宽带天线、超宽带天线的参数为相对带宽：
式中l h f f ,——分别为带宽的终止频率和起始频率。

美国联邦通信委员会将超宽带UWB 工作频率规定在3.1GHz 到10.6GHz 。

3.1GHz 以下频带有2G/3G 蜂窝移动通信系统、个人通信业务、无线局域网（WLAN ）、蓝牙（Bluetooth ）和全球定位系统GPS 等。

IEEE 的802.11a 无线局域系统的工作频带在5.2GHz 上，目前在推广和使用的第四代移动通信系统的频率在
3400MHz-4800MHz 。

因此在频段上无线局域网、4G 移动通信和超宽带通信系统会有重叠的频带，要求在超宽带无线通信系统的设计中必须考虑兼容这两个通信系统。

2.1.5 驻波比
电压驻波比（VSWR ）是通信系统和射频技术中的基本参数，用来评判各个器件之间的匹配性质是否满足设计要求[10]。

当天线与馈线不匹配或者匹配不好时，能量并不能全部被发射出去，而有一部分被反射回来，这部分能量成为驻波，这个驻波的最大电压与最小电压之比称为驻波比。

它表示的就是天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗的匹配程度，而由于天线的输入阻抗为纯电阻，而天线的特性阻抗一般包括电抗分量，所以很难达到完全匹配。

驻波比越小，天线的匹配越好，而驻波比越大，则天线的工作效率越低，更多的能量被反射回来。

天线驻波比最小值为1。

2.2 微带天线
2.2.1 微带天线概述
七十年代初期，一款新型天线被研发出来，这就是微带天线的开始。

微带天线由一个介质板（介质板大多为厚度极薄的长方体，厚度h远小于波长 ），介质板上方为金属沉淀的辐射元金属贴片，辐射元的形状各种各样，有矩形、圆形或者是其他的形状，而背面则是以金属薄片组成的接地面。

微带天线可以采用多种馈电方式，选择合适的馈电方式可以优化天线的性能。

如图所示，分别为微带线馈电的矩形微带天线(a)和同轴馈电的圆形微带天线(b)：
图2-1 微带天线
从图上可以看出，微带天线由于它薄的平面结构，使其具有体积小、重量轻的特点，而且制作工艺简单、成本低，制作微带天线所需要的仅仅是介质板和其上下的金属薄片。

电气上表达出来的特点就是具有单一的宽辐射图，一般最大辐射方向都在垂直于天线的方向。

不过它的缺点是频带窄和效率低，需要进一步的优化才能达到实际应用的要求。

2.2.2微带天线的馈电方式
一般的微带天线都是在介质上方有辐射单元，也就是辐射元在单面，所以，可以用微带馈电或者同轴馈电。

而由于天线的输入阻抗一般含有电抗分量，不等于通常的50欧姆纯电阻传输线阻抗，所以需要匹配，匹配可以改变馈线的阻值或者改变馈电的位置来做到。

但是，这些改变都会影响到天线的辐射特性。

在此之外，80年代以来还发展了一种电磁耦合馈电，这是一种贴近天线的馈电方式，也可称为无线馈电。

（1）微带线馈电
利用微带线让天线与传输线间接连接进行馈电，即为微带线馈电。

而由于微带线馈电中的微带线是与微带贴片是共面的，所以，方便一体化制作，简化制作过程。

但是，微带线也有它的缺点，那就是微带线也有辐射，这会改变天线的增益方向图等辐射特性。

所以微带线一般都不能宽，需求微带线的宽度远小于波长。

微带线馈电也可称为侧馈，微带线馈电如图所示：
图2-2微带线馈电
（2）同轴线馈电
同轴线馈电也被称为底馈，它是由一根同轴线从地面穿过介质板连接到微带贴片的馈电方式。

由于同轴线是穿插于内部的，所以制作工程比较复杂，没有微带线馈电那样简单。

而且馈电点的不同会直接影响天线与输入传输线的匹配，所以，同轴馈电
的馈电点的选择非常重要。

而同轴线馈电的优点就是，它不像微带线那样产生额外的辐射，影响天线的辐射特性。

同轴线馈电示意图如下所示：
图2-3同轴馈电
（3）电磁耦合馈电
电磁耦合馈电的特点就是无线馈电即贴近馈电（也被称为无接触馈电），可利用馈电本身，也可以通过一个孔径或者缝隙来形成与天线的电磁耦合。

这种馈电方式的特点就是可以得到更宽频带的驻波比特性。

电磁耦合馈电示意图如下所示：
图2-4 电磁耦合馈电
2.2.3微带天线的辐射原理
微带天线的辐射原理可由下图来说明[15]：
图2-5辐射原理图
图中，矩形微带辐射元与接地板的距离h 远小于λ。

因此，假定介质基片中的电磁沿微带辐射元的宽度（a ）和厚度（h ）方向没有变化，而仅沿长度（b 2/λ≈）方向变化，其场结构如图所示。

而辐射场则可认为基本上是由辐射元两路边上的边缘场产生的。

将边缘场分解为相对于接地板的法向和切向分量。

由于辐射元的长度b ，所以，两个法向分量反相，由此产生的远区场在边射方向上就互相抵消。

而平行于接地板的切向电场是相同的，它们产生于远区的合成电场在边射方向上相加，所以在边射方向上得到最大的辐射场，这就是微带天线得到单向辐射的原理。

由此可见，矩形微带天线可用两个相距2/λ，同相激励，并仅在接地板的上半空间产生辐射的槽来等效，如图所示。

如果介质基片中的电场同时沿着宽度和长度变化，这时微带天线应该用辐射元周围的四个槽的辐射来等效。

通信，其他形式的微带天线也可用相应的槽来等效。

2.2.4 微带天线的分析方法
分析微带天线有很多种方法，比如矢位法、并矢格林函数法、模式展开法、传输线模型法以及谐振腔模型法等。

下面介绍谐振模型法。

虽然这种方法不是很完备，但是却分析简单，调理清晰，通过结合经验进行修正，能达到工程要求，所以，谐振腔模型法不失为一种简而易行的分析方法。

这种方法假设：
（1）微带辐射元和接地板直接的场被认为是由入射的TEM 波和反射的TEM 波合成的，每个TEM 波的电场只有x E 分量，磁场有x H 和y H 分量，所有场量只是x,y 的函数，而与z 坐标无关。

（2）微带辐射元外表面的电流为零，除激励点外，所有微带边缘上的法向电流为0，亦即不计磁场H 沿边缘的切向分量的影响，仅有切向电场存在，因而微带天线
2/λ≈
被视为上、下为电壁，四周为磁壁的谐振腔。

（3）根据等效原理，微带馈线可平行于z 轴的电流源代替。

即等效于馈电点cd 处加有恒流源Z J =1.谐振腔问题了。

微带天线的内场确定后，便可计算其电流分布。

如果微带天线的介质材料为各向同性且均匀无损坏，微带辐射元和接地板的电导率为无限大，则电流和面磁流可分别用切向电场和切向磁场表示：
n n E J H J m ∧
∧⨯=⨯=,
式中n ∧——天线表面的法向单位矢量。

图2-6 微带天线的辐射边缘场和电流密度
如图所示，在实际应用时，可认为微带辐射元上、下表面的电流和面磁流是相同的。

由此，便可通过位函数来求微带天线的辐射场。

当只有电流存在时，在微带天线外面任意点P ()ϕθ,,r 的电场和磁场为：
式中()()r H r E e e ,——电流产生于远区P 点的电场和磁场；
ε——媒介的介电常数；
μ——媒介的磁导率；
ω——角频率；
A ——矢量磁位，由式子给出：
式中β——自由空间的相位常数;
()
'r J ——距离原点为'r 处的面电流密度； '.r r ——分别表示场点和源点的坐标。

同样，当只有磁流存在时，则微带天线外面远区任一点P ()ϕθ,,r 处的电场和磁场为：
式中：()()r H r E m m , ——分别是由磁流产生与远区P 点的电场和磁场；
因此，当电流磁流同时存在时P 点的电磁和磁场为：
为了简单起见，将场和电流的时间因子都省略不写。

在远区的辐射场中，有意义的场分量只有与1/r 成正比的一项，因此，只考虑电流时，上式简化为：
在自由空间中：
而只考虑磁流时，磁场公式简化为：
()A j r E ω-=
()F j r H ω-=
同样，自由空间中：
()()r H r E 0η=
式中 0η ——自由空间的波阻抗（Ωπ120）。

2.3 超宽带天线
2.3.1 超宽带天线简介 超宽带天线，既然是超宽带，当然是带宽非常大的天线，而这里的超带宽，是由相对带宽决定的，也就是天线带宽与中心频率之比达到25%以上的天线叫做超宽带天线。

而这里的带宽指的是频域内符合某个性能参数的频率范围，例如S 参数也就是回波损耗小于10dB ，此时满足条件的频率范围为1GHz-10GHz ，那么天线的带宽为9GHz [13]。

当然，一般天线的带宽不仅仅只需要一个条件，往往都是多个条件互相限制的。

在带宽范围内，天线的特性参数，例如输入阻抗、效率、增益、回波损耗、电压驻波比、方向性系数等在允许的范围内。

也就是说，给定一定的指标，天线满足这些条件的频率范围，就是它的带宽。

其实这就是传统的窄带天线性能分析方法。

由于以前所使用的窄带信号都是已调整的正弦波信号，所以设计天线时对带宽没有严格的要求，不需要极宽的带宽。

只要针对满足某个频率设计就可以达到正常传输的需求。

但是，当发射的信号不是正弦波调制信号时，单一的满足某个频率小范围，就不符合要求了。

超宽带天线与常规意义上的宽带天线有着本质的区别。

常规宽带天线大多都是非频变天线，这里的非频变指的是可以根据天线的需要在频带范围内工作在不同的频段，而不是同时在整个频带范围内进行工作[1]。

由此可得出，对于超宽带天线来说，固定的相位中心和低驻波比是非常重要的指标，在设计时，要重点关注，它们决定着超宽带天线的性能。

在窄带通信系统中，传统的天线参数，例如输入阻抗匹配、效率、增益、主瓣宽度、副瓣电平、方向系数、极化方式等等，被用作评估天线的性能指标。

因此天线工程师只要根据这些参数的确定就可以评估天线。

但是在超宽带应用中却不尽相同，由于发射的是窄带脉冲序列，系统要求的天线相对带宽很宽，情况变的不这么简单，设计变得复杂，因此超宽带天线也有有别于传统的窄带、宽带天线的一些自己的技术特。