天线第十二讲-对数周期天线与平面超宽带天线
天线知识讲座讲解
天线部分一、天线理论知识天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其质量的优良和是否合理使用对无线通信工程的成败起到重要作用。
所以我们必须全面了解天线。
1、天线的方位图：方位图是天线电气性能的最重要指标它直接全面的反映出天线的辐射特性。
定义：天线的辐射电磁场在一定距离上随空间角坐标分布的图形。
由于电磁场的矢量特征包含了幅度、相位、极化方向等信息，因此，对应有：幅度方向图、相位方向图。
而电磁场的幅度可用场强和功率密度表示，所以，幅度方向图又分为场强方向图和功率方向图。
除非特殊说明，在一般情况下，通常天线方向图指的是功率方向图，幅度以dB为单位。
根据定义，天线的方向图是三维立体图，但实际获得完整的三维方向图是非常困难的。
通常根据天线的结构特点，选择两个或多个特征面测得该平面内的二维方向图如：E面方向图：通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面；H面方向图：通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面；水平面方向图（Horizontal）：是指与地面平行的平面内的方向图；垂直面方向图（Vertical）：是指与地面垂直的平面内的方向图。
当天线为垂直极化时，H面近似为水平面，E面近似为垂直面，如果天线为水平极化则情况正好相反。
E面图和H面图只是描述了天线的功率密度的分布情况，但不能定量的反映天线的主要特征。
为了更好的描述天线的方向图，常使用半功率波束宽度、副瓣电平、前后比、第一上副瓣抑制、第一下零点填充等都是描述方向图特征的指标。
2、波瓣：零功率点波瓣宽度：主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
半功率点波瓣宽度：在E面或H面的等距线上，主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍（或一半功率密度）的两辐射方向之间的夹角。
副瓣电平：在E面或H面的等距线上，副瓣最大值与主瓣最大值之比，通常用dB表示。
后瓣：与主瓣相反方向上的副瓣。
前后比：等距线上，主瓣功率密度最大值和后瓣功率密度最大值之比(dB)在实际应用中由于天线的上副瓣信号不能起到覆盖的作用，且常常造成越区覆盖的问题，所以我们会想方设法抑制这个方向上信号的发射，而一般与主瓣方向夹角较小的第一上副瓣的功率密度最大，影响最坏，所以我们以对它的抑制为考察指标：第一上副瓣抑制（FirstUpper Side Lobe Suppression ）。
超宽带天线的研究报告
超宽带天线的研究报告一、引言在当今无线通信领域，超宽带技术因其具有高速率、低功耗、高精度定位等优势而备受关注。
而超宽带天线作为超宽带系统的关键组成部分，其性能的优劣直接影响着整个系统的通信质量和效率。
因此，对超宽带天线的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、超宽带天线的基本原理超宽带天线是指能够在很宽的频带上工作的天线，其相对带宽通常大于 20%。
超宽带天线的工作原理基于电磁波的辐射和接收，通过天线结构的设计和优化，实现对宽频带内电磁波的有效辐射和接收。
超宽带天线的主要性能指标包括带宽、增益、方向性、阻抗匹配等。
带宽是衡量超宽带天线性能的关键指标，它决定了天线能够工作的频率范围。
增益表示天线在特定方向上辐射或接收电磁波的能力，方向性则描述了天线辐射或接收电磁波的方向性特征，阻抗匹配则影响着天线与传输线之间的能量传输效率。
三、超宽带天线的类型（一）单极子天线单极子天线是一种常见的超宽带天线类型，其结构简单，通常由一个垂直的金属导体构成。
单极子天线具有较宽的带宽和良好的辐射特性，但方向性较差。
（二）偶极子天线偶极子天线由两个长度相等、方向相反的金属导体组成。
它在超宽带应用中具有较好的性能，但其尺寸相对较大。
（三）平面天线平面天线是一种结构紧凑、易于集成的超宽带天线类型，如平面单极子天线、平面偶极子天线等。
平面天线具有低剖面、易于制造等优点，在无线通信设备中得到了广泛应用。
（四）缝隙天线缝隙天线是在金属平面上开缝隙形成的天线，通过控制缝隙的形状和尺寸来实现超宽带特性。
缝隙天线具有低剖面、重量轻等优点，但带宽相对较窄。
四、超宽带天线的设计方法（一）数值计算方法数值计算方法是超宽带天线设计中常用的方法之一，如有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）等。
这些方法可以精确地模拟天线的电磁场分布和性能，但计算量较大，耗时较长。
（二）经验公式法经验公式法是基于大量实验数据和理论分析得出的一些经验公式，通过这些公式可以快速估算天线的性能参数，为天线设计提供初步的参考。
对数周期天线
对数周期天线为端射式天线，最大辐射方向为沿着集合线从最长振子指向最短振子的方向。
感谢观看
对数周期天线辐射线极化电磁波，其极化方向与振子方向平行。对数周期天线的辐射区主要为一个振子，此 区域的振子长度约为λ/2，具有较强的激励，起主要辐射作用。当工作频率变化时，辐射区域会在天线上前后移 动（例如频率增加时向短振子一端移动），保持其电性能不变。
根据对数周期天线各部分对称振子的工作情况，可以把整个天线分成三个工作区：除辐射区外，从电源到辐 射区之间的部分称为传输区；辐射区后的部分称为非激励区。下面简要介绍三个工作区的情况：（a）在传输区， 各对称振子的电长度很短，振子的输入阻抗（容抗）大，因而激励电流很小，所以振子的辐射很弱，主要起传输 线作用。（b）在非激励区，由于辐射区的对称振子处于谐振状态，振子的激励电流大，已将传输线传送的大部分 能量辐射出去，所以该区对称振子的激励电流变得很小，该现象即前面提到的电流截断现象。（c）在辐射区，通 常把它定义为激励电流值等于最大激励电流 1/3的两振子之间的区域。
所以
图2对数周期天线结构示意图
因此，在确定天线的设计参数时。只要知道了，，2α和σ任意两个，天线的几何结构和电特性也就确定了。 天线长度L=(l1/2)cotα，因此张角α增大天线长度大大减小。
为了保证天线在两端频率能满足要求，通常采用频带的高端和低端截止常数来设计高、低端偶极子的长度， 并由此确定所需的偶极子数。最长的偶极子长度为L1=K1λL。λL是最长的工作波长，K1是低端截止常数，K2是 高端的截止常数，两参量由经验公式可分别得出为
图1对数周期天线
结构
如图2所示，对数周期天线是由N个平行排列的对称振子按照结构周期率构成的，有如下关系式
对数周期天线
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实际上并不是对应于每个工作频率只有一个振子
在工作,而且天线的结构也是有限的。这样一来,以上的
分析似乎完全不能成立。
然而值得庆幸的是,实验证实了对数周期振子阵天
线上确实存在着类似于一个振子工作的一个电尺寸一
定的“辐射区”或“有效区”，这个区域内的振子长
度在λ/2附近，具有较强的激励，对辐射将作出主要贡
作，电尺寸为L2/λ2，其余振子均不工作;当工作频率升高到f2
（λ2）时，只有第“3”个振子工作，电尺寸为L3/λ3;依次类推。
显然，如果这些频率能保证
L1 L2 L3 ,
1 2 3
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则在这些频率上天线可以具有不变的电特性。因为对
数周期振子阵天线各振子尺寸满足Ln+1/Ln=τ,就要求这些频 率满足λn+1/λn=τ或fn+1/fn=1/τ。如果我们把τ取得十分接近于1, 则能满足以上要求的天线的工作频率就趋近连续变化。假
到了广泛应用。我们将以LPDA为例说明对数周期天线的
特性。
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4.4.1 对数周期振子阵天线的结构
对 数 周 期 振 子 阵 天 线 的 结 构 如 图 4―4―1 所 示 。
它由若干个对称振子组成,在结构上具有以下特点:
（1）所有振子尺寸以及振子之间的距离等都有确 定的比例关系。若用τ来表示该比例系数并称为比例因 子,则要求:
实线为E面方向图，虚线为H面方向图。
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根据该图可以预计,当工作频率低于频带低端频率
（本图中为200MHz）时,例如150MHz，由于天线的最
天线第十二讲对数周期天线与平面超宽带天线
LPDA上的 电流分布可 以利用数值 方法算出。
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左图是用矩 量法计算的 18元LPDA 振子上的电 流分布。
相应的传输 线上的电压 分布、方向 图、增益和 阻抗见后。
不同频率下LPDA振子上的电流分布
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ln fn1 ln fn +ln(1 / ) 即，当工作频率的对数以 ln(1/ ) 作周期变化时， 天线电性能保持不变，故名对数周期天线。
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第12讲内容
对数周期天线 平面超宽带天线
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天线培训教材
天线的结构
天线一般由辐射单元、平衡馈电器、反射板、馈 电网络、接头等部分构成（全向天线一般没有反 射板）。 辐射单元的主要功能是将电流能量转化为电磁能 量并辐射出去，或接收电磁能量并转化为电流能 量。 天线通常由一个或多个辐射单元按一定的几何方 式排列而成，如 1×2，1×4， 1×8，2×8 等。 辐射单元的外形很多，我们常用的有两大类，即 线型振子和微带贴片。在天线中，线型振子通常 为半波振子，即振子全长相当于天线中心频率时 的约半个波长，两臂各四分之一波长。
手机天线设计首要规则
在设计任何种类的移动电话天线时，为了 得到尽可能最好的性能，和天线制造商在 最初阶段一起开始设计天线是很重要的， 这对于内置天线来说尤为重要
规则 2
使用尽可能多的空间： 对于天线的性能来讲， 尺寸越大越好。
规则 3
请密切注意天线的高度（发射片和接地片的距离） <=> 带宽）
为了适应各种不同用途的需要，人们研制出各种类型的天 线。对于这些天线，可以从不同的角度来分类。 *按用途分类通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线、 导航天线等； *按外形分类线状天线、面状天线（如喇叭天线、抛物面 天线）等； *按极化方式分类线极化（线极化又可分为垂直极化、水 平极化和±45°极化等）、圆极化（圆极化又可分为左旋 圆极化和右旋圆极化）、椭圆极化等； *按方向性分类全向天线、定向天线等； *按工作性质分类发射天线、接收天线和收发共用天线等。 此外，还发展出一些新型天线，如微带天线、智能天线、 有源天线等。
描述天线的特性参数很多，不同用途的天线所需要考虑的特性参数也不尽相同。下面 我们着重讲述移动通信天线的特性参数。移动通信基站天线的电性能参数有：工作频 带、输入阻抗、驻波比、增益、方向图等；机械性能参数有：外形尺寸、包装尺寸、 重量、等。以下将对这些参数分别加以介绍。 *工作频带是指天线能正常工作的频率范围。也就是说，在这一频率范围内，天 线每个频点的驻波比、增益、方向图、隔离度、前后比等各项指标都要满足设计要求。 电磁波在真空（空气）中的传播速度为每秒三十万公里（或3×108 m/s），频率是指 电磁波每秒钟的振荡次数，波长是电磁波完成一次振荡的空间距离。三者存在以下关 系： c=fλ 其中c 是电磁波空中传播速度，单位是米/秒（m/s）,f 是频率，单位是赫兹 （Hz）每秒钟振荡1 次称为1 赫兹，1 兆赫（MHz）=106 赫兹，1 吉赫（GHz）=109 赫兹；λ是电磁波空中波长，单位是米（m）。这表明，电磁波频率越高，则波长越短。 在GSM 系统，上行（手机发，基 站收）为890-915MHz，下行（基 站发，手机收）为935-960MHz； 在CDMA 系统，上行（手机发，基 站收）为825-835MHz，下行（基 站发，手机收）为870-880MHz。
超宽带天线特性分析
超宽带天线特性分析关键词宽频带 非频变 CST 仿真 S 参数 超宽带天线 VSWR摘要超宽带天线设计是为了使它能够接收或发送电磁能的脉冲。
UWB 天线设计中一个很大的问题是天线要在一个较宽的频带内保持阻抗基本不变。
本文主要分析了几种理论上的UWB 电振子天线的设计，并且针对V 形天线、平面椭圆偶极子天线的特性特别是领结天线的理论模型和一种实际设计进行仿真，给出其S 参数特性，并比较分析产生变化的可能原因。
简介一、超宽带天线天线是一种将传输线中传导的电磁能转化为空间辐射的电磁能的转换器，也可以看作是一种匹配传输线阻抗和空间阻抗的阻抗变换器。
在实用中，AM 波天线就可以看作是一种超宽频天线。
常用的AM 波天线的频带覆盖了从535到1705kHz 的频率范围，其比例带宽超过了100%。
AM 波用于广播发送的选择性主要是依靠接收天线的窄带特性。
在UWB 天线设计中，最主要的要求就是要使天线能够要在所有的频率范围内同时接收到信号。
这就要求天线在整个频带上有着恒定的或者时可预测的阻抗特性。
UWB 天线首先是非对数周期天线是一种频变天线频变的，有固定的相位中心的。
从右图可以看出，WB 天线特点：传统通信系统相对数周期天线在低频是辐射的强度较大，辐射强度随频率的升高而衰减。
相对的就是非频变天线。
右图下侧的平面椭圆偶极子天线就是一种非频变天线，它辐射的波形接近于高斯脉冲。
这一时域波形在频域上具有极宽的带宽，而且在各频率点上的幅度相近。
U 与比，点就是其系统结构实现的简单化。
U 册通信系统省略了传统以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500 需要几十安全性能。
由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，个很收发信机的信号延时来测量收发信机之间的距在接收端的SNR(信噪比)。
还可以根据传输距离和数据速据宽频带特性的要求，宽带天线必须在其频带范围内是具有恒定的阻抗L 达到一个波长以上，则外向波的大部分能量被辐射而只有很少的能量被反射。
超宽带平面天线技术
超宽带平面天线技术随着科技的迅速发展，超宽带平面天线技术在许多领域展现出巨大的潜力和应用价值。
本文将详细介绍超宽带平面天线技术的基本原理、技术特点、发展趋势以及实际应用案例，旨在帮助读者更好地理解和把握这一前沿技术。
超宽带平面天线技术是指在宽阔的频率范围内，利用平面结构的天线来捕捉和辐射电磁波。
与传统天线相比，超宽带平面天线具有许多独特优势，如体积小、重量轻、制造成本低、易于集成等。
因此，超宽带平面天线技术在无线通信、探测成像、雷达等领域具有广泛的应用前景。
超宽带平面天线技术的技术特点主要包括以下几个方面：首先，它采用平面结构，易于加工和制作，可以实现批量生产和集成化；其次，它具有宽频带特性，可以在很宽的频率范围内保持稳定的性能；第三，它采用辐射状传输，可以提高信号的抗干扰能力和传输效率；最后，它具有小型化和多样化的特点，可以根据不同需求进行定制化设计。
未来，超宽带平面天线技术的发展趋势将更加明显。
随着5G、6G等无线通信技术的快速发展，超宽带平面天线技术的需求将不断增加。
同时，随着材料科学和制造技术的进步，超宽带平面天线的性能和可靠性也将得到进一步提升。
此外，超宽带平面天线技术的多样化应用也将推动其不断创新和发展。
实际应用案例是超宽带平面天线技术的重要体现。
在无线通信领域，利用超宽带平面天线技术可以实现高速、可靠的数据传输。
例如，在智能交通领域，通过使用超宽带平面天线技术，可以实现车辆与车辆之间、车辆与道路基础设施之间的实时通信，提高交通安全性和效率。
在医疗领域，超宽带平面天线技术可以应用于远程医疗和无创检测，提高医疗水平和治疗效果。
总之，超宽带平面天线技术是一种具有重大意义和应用价值的前沿技术。
在未来的科技发展中，超宽带平面天线技术将继续发挥重要作用，推动无线通信、探测成像、雷达等领域的技术进步。
随着应用领域的不断拓展和创新，超宽带平面天线技术的应用前景也将更加广阔。
因此，我们应该积极和探索这一新技术，为推动人类社会的技术进步做出贡献。
超宽带天线
微波毫米波新技术研讨课课程报告超宽带天线一、超宽带天线概述传统超宽带天线主要形式为：阿基米德平面螺旋天线、平面等角螺旋天线、圆锥等角螺旋天线、平面喇叭天线、高斯褶皱喇叭天线以及对称振子天线的各种变形等等。
但随着对超宽带技术的研究越来越深入细致，超宽带天线的研究也分成了两个主要的不同方向：一种是针对瞬态时变，即窄脉冲宽频带信号的辐射，如偶极子天线的各种变形、平面槽天线等；一种是针对宽频带连续波信号的辐射，如螺旋天线、对数周期天线、双圆锥天线和喇叭天线等。
在许多应用领域中，如电视。
调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等，都要求设备具有宽带化、公用化等特点。
天线作为辐射和接收电磁波的重要部件，是无线电系统中的重要组成部分，无线电设备的发展趋势要求天线能在较宽的频带范围内有效的工作。
因此，宽频带天线的研究已成为天线领域的一个重要分支。
一般来说，天线的各项电特性指标都是随频率变化的，因而天线带宽也就取决于各项电特性指标的频率特性，在确定天线带宽时，应以其中最严格的要求作为天线带宽的确定依据。
二、天线带宽的限制因素天线的带宽取决于各项电特性指标的频率特性。
通常，天线的主要电特性指标均有其各自定义的带宽。
1.方向图带宽当频率偏离设计频率时，天线方向图可能发生主板偏移、主瓣分裂、副瓣电平增大、前后辐射比下降等。
一般来说，高品端方向图易迅速恶化，它往往是限制上限工作频率的主要因素。
2.增益带宽通常定义增益下降到最大增益值的50%时，相应的频带宽度为3dB增益带宽。
通常，随频率降低，天线增益明显下降，它往往限制天线工作频率的上限。
3.输入阻抗带宽当天线输入端电压一定时，输入电流会随着频率变化而改变，输入阻抗随频率变化。
因而可通过计算天线输入端电流的变化来计算天线的阻抗带宽。
此外，也可用馈线上的电压驻波比来表示。
4.极化带宽对于圆极化天线，工程上常以最大辐射方向上或主瓣半功率波瓣宽度内，轴比小于某一规定值来确定极化宽度。
12-对数周期天线与平面超宽带天线 天线原理
第12讲 对数周期天线 与平面超宽带天线
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 qxchu@
2014/4/9
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因此，可以看出，对数周期天线完全满足了非频
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2 tan 1 (
1 ) 14.00 4
(2)最低和最高工作频率对应的波长为： max c / f min 1.5m min c / f max 0.5m
最长和最短的振子长度： lmax max / 2 0.75m lmin min / 2 0.25m (3) n 1 13.68 为了增加高频特性，在短振子端增加 了4个额外的单元,故总单元数为18。 (4)仿照上例可以求出所有振子的长度和间隔。
2 tan (
4 ) 33.26
(2)最低和最高工作频率对应的波长为：
max c / fmin 5.55m
min c / f max 1.388m
最长和最短的振子长度：
lmax max / 2 2.778m lmin min / 2 0.694m
超宽带天线
超宽带天线理论与技术第一章超宽带天线原理天线是任何无线电系统都必不可少的组件。
它的功能是辐射或者接收无线电波。
它把被导电磁波转变为自由空间的无线电波（在发射系统中），或者做相反的变换（在接收系统中），从而在任意两点之间实现电磁信号的传递。
天线的发明使得电磁频谱成为人类最大的可重复使用的自然资源之一。
随着社会的进步，科学技术的发展，无线电频谱不断地得到开拓，无线电系统的带宽也不断地扩展，促进了二十世纪末一门新的学科—超宽带电磁学的诞生。
超宽带电磁学指出，时域电磁波也是人类非常重要的自然资源，而且是尚待开发、非常宝贵的自然资源。
天线理论与技术已经有了很长的发展历史，无数的学者研制出了能满足各种无线电系统要求的天线。
无论无线电如何发展，天线都是不可替代的。
超宽带无线电系统要求超宽带天线来完成超宽带被导电磁波和自由空间无线电波之间的转变工作。
超宽带天线与常规的窄带天线在原理上并没有本质区别，超宽带天线是在常规的窄带天线基础上发展起来的，其主要研究内容是探索频带宽度极大地扩展之后给天线带来的新理论、新技术和新方法。
1．1 天线的传输线模型图1(a)给出了开路双线传输线上的电荷、电流、电场和磁场分布。
传输线上没有行波只有驻波，传输线终端以及离开终端每λ/2之处电流为零。
线上传导电流用箭头标出，相邻λ/2传输线上电流方向相反。
电场用垂直于传输线的箭头表示，磁场用环绕导体的箭头箭尾表示。
特别要注意到，线之间的场得到加强，其他地方的场都被削弱。
这主要是因为线之间的距离远远小于波长。
如果传输线的末端弯曲成图1（b ）所示的形状，线之间的场就暴露在空间中，这时上下导体垂直段上的电流方向不再相反，远区的场不是互相抵消而是互相叠加，从而产生辐射。
图1.开路传输线演变为电偶极子天线。
（a ）开路传输线中的电荷，电流和场；(b)传输线终端张开形成半波振子天线。
我们还可以举出许多其它类似的情况，例如开路平行板传输线终端张开形成TEM 喇叭天线；开路矩形波导末端逐渐张开形成角锥喇叭天线；短路传输线末端线间距离拉开形成磁偶极子天线；开路圆锥传输线就是双圆锥天线；等等（请读者举出更多的例子）。
超宽带天线
超宽带天线研究报告背景1.1 超宽带(UWB ——Ultra Wide Band)介绍超宽带技术［1-3］的最初形式为脉冲无线通信，起源于20世纪40年代，从其出现到20世纪90年代之前，UWB技术主要作为军事技术在雷达和低截获率、低侦侧率等通信设备中使用。
近年来，随着微电子器件的技术和工艺的提高，UWB技术开始应用于民用领域。
超宽带通信是一种不用载波，而通过对具有很陡上升和下降时间的脉冲进行调制(通常，脉冲宽度在0.20-1.5ns之间)的一种通信，也称为脉冲无线电(Impulse Radio).时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free通信。
它具有GHz量级的带宽，并因其发射能量相当小，因此可能在不占用现在已经拥挤不堪频率资源的情况下带来一种全新的语音及数据通信方式。
超宽带要求相对带宽［4］比高出20%或者绝对带宽大于0.5GHz，其传输速率可超过100Mbps，具有这样特性的系统称为UWB系统。
图1.1超宽带频谱图UWB由于占有带宽达到数GHz，即使传送路径特性良好也会产生失真，但其具有以下的优点，使得UWB仍然倍受重视［2］。
1、抗干扰性能强：UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。
接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益，因此，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。
2、传输速率高：UWB的数据速率可以达到几十Mbps到几百Mbps.3、带宽极宽：UWB使用的带宽在1GHz以上。
超宽带系统容量大，并目可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。
4、消耗电能小：通常情况下，尤线通信系统在通信时需要联系发剔载波，因此，要消耗一定电能。
而UWB不使用载波，只是发出瞬时脉冲电波，贝U只在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。
5、保密性好：UWB保密性能表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有己知发送端扩频码时才能解出发射数据：另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。
超宽带天线
超宽带天线一、研究背景在当今世界，无线通信技术不断的改变着我们的生活，它把我们从有线的束缚中解放出来。
2002，美国联邦委员会（FCC）通过了超宽带技术规范且允许其商用，超宽带技术被视为一个拥有无线前景的无线通信技术。
超宽带天线（UWB）是一种为了与超宽带系统集成并且满足超宽带信号的收发，将电信号和空间电磁波相互转化的装置。
超宽带技术的发展有着悠久的历史，最早可以追溯到1886年赫兹的第一个无线通信系统，同时他也是提出超宽带的第一人。
而赫兹所提的产生超宽带信号的方式使用了20多年，而后马可尼将调谐电路引入到赫兹的无线系统中，之后就产生了无线通信服务。
但由于当时硬件条件困难。
超宽带理论也建立不成熟等造成了超宽带技术研究停滞不前。
而随着相关理论的成熟和硬件设施的各种发明应用，20世纪50年代到20世纪末超宽带技术发展趋势稳定。
由于超宽带天线有着独一无二的优势，UWB的应用领域十分广阔，其中包括通信、传感器、定位、雷达等等。
二、超宽带天线的设计2.1、用HFSS对天线的设计与仿真结果下图为天线设计的正反两个面：材料的厚度为1.6mm，介电常数为4.4的FR4,30mm*35mm经过优化得微带线的宽度为3.1mm天线设计中各个参数分别为：W1=30mm,L1=12mm,r=5mm，L=16mm,a=2mm背面H=15mm,b=4mm,圆的高度为22.5mm。
仿真后的结果为：图2-1 微带线的特性阻抗图2-2 电压驻波比图2-3 s（1，1）参数图2-4 史密斯圆图图2-5 中心频率为6GHz时的天线方向图2.2、仿真过程与分析2.2.1、天线锯齿线的有无对带宽的影响若不存在锯齿结构天线呈下图所示图2-6S（1，1）参数仿真结果图2-7天线渐变存在边长为2mm的正方形图2-8S(1,1)参数仿真结果图2-9改变渐变结构大小如图图2-10S(1,1)参数仿真结果：图2-11经过仿真结果对比可以看出，有锯齿结构比没有锯齿结构效果更好，表现在高频区域很好的实现了阻抗匹配。
天线知识概要
天线知识1 对数周期天线1.1对数周期天线的结构对数周期天线是60年代中期发展起来的一种新式天线。
它的结构有多种类型：①平面型对数周期天线；②圆齿形金属面对数周期天线；③梯齿形金属面对数周期天线。
其中以平面型对数周期天线应用较广泛。
因此，这里只介绍平面型对数周期天线。
对数周期天线具有极宽的频率特性及十分稳定的输入阻抗。
因此，它可以覆盖从VHF 的48.5MHz 到UHF 的960MHz 的全频段范围。
平面型对数周期天线的结构如下图所示。
它由许多对称单元构成，即由N 对振子组成，记为N，N-1，……. 振子的长度分别为l n ，l n −1……l 2，l 1。
振子最长的端称天线的尾端，振子的最短的端称首端。
最长振子到最短振子的距离l ，称天线的梁长。
天线轴与振子尾端的尖角称为顶角α。
各振子与顶角的距离称为Rn ，R n −1，……R 2，R 1，振子的间隔分别为d n ，d n −1……d 2，d 1。
各振子的长度及间隔均按一特定不变的比例因子τ变化，变化后的结构和原来结构相同。
这样，在频率f 和τf 上就具有相同的电性能，即天线在频率为f 时所具有的一切特。
可见，该天线电气特性随频率的性，将在τf ，τf ……τf 频率上重复（n为正整数）对数做周期性变化，（周期为lg 2n 1τ）因此，该天线为对数周期天线。
对数周期天线意味着，当接收信号频率变化时参与工作的振子周期性的前后移动。
这既是说，在每一频率周期内，天线只有一部分振子工作，其余的振子不工作。
这就是对数周期天线的一个缺陷。
相邻两个振子的长度之比及相邻振子与天线顶点距离之比由固定值比例因子τ确定。
τ可表示为：τ===l n −1l n −2l ==⋅⋅⋅⋅⋅⋅=1l n l n −1l 2R n −1R n −2R ==⋅⋅⋅⋅⋅⋅=1 R n R n −1R 2d n −1d n −2d ==⋅⋅⋅⋅⋅⋅=1d n d n −1d 2τ是略小于1的正数，一般在0.78～0.95之间。
宝典对数周期天线
对数周期天线与频率无关天线设计原则：1． 角形结构，与r 坐标无关，传播TEM 波2． 自补结构，Babinet 原理4/2η=slot dipole Z Z3． 自相似结构，频率变化时，有效辐射区域沿着天线移动4． 天线辐射臂（金属）结构粗（直径）、大（面积）与频率无关天线分类螺旋天线（spiral ）对数周期天线（log-periodic ）其它天线(biconical 、V -conical)螺旋天线（spiral ）等角螺旋天线（Equiangular,speral ）阿基米德螺旋天线(Archimedean,speral)平面螺旋天线背腔螺旋天线（cavity-backed ）圆锥螺旋天线(conical,)双臂螺旋天线（two-arms ）四臂螺旋天线(two-arm-pair)、收发分离，极化分离等其他螺旋天线：sinous,antenna 、others追求的目标结构简化，成本降低，易于生产等等天线性能指标好：波束、阻抗、增益、带宽、等等或者二者兼而有之，不但结构简化，而且天线性能指标好。
平面对数周期天线原始的对数周期天线是在Bowtie 天线的边缘加上对数周期齿形成的。
齿的作用使中断的电流沿着齿继续流动。
从等角螺旋天线知道，导体边缘的径向坐标为)2(0πϕn a n e r r +=,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(1)其中n 是圈数。
第n+1圈和第n 圈的径向坐标之比为一个常数εππϕπϕ===++++a n a n a n n e er e r r r 2)2(0))1(2(01,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(2)这个可称之为平面螺旋天线的周期。
相应的，我们也令对数周期天线的导体边缘之比为常数，11<=+nn R R τ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(3)槽的宽度为（齿的内边缘的径向坐标）,1<=nnR a σ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(4)下标是从最外面的齿计数，式(3)和式(4)对任意n 都成立，参数τ给出了结构的周期。
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第12讲内容
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对数周期天线 平面超宽带天线
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1 4 tan
2
LPNA的设计参数是顶角 、几何因子和间距因
子 。三个参数中任意指定两个，就可以确定第三 个。 ln l / l 振子数为 n 1 min max 1
ln
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例题：设计一对数周期偶极阵用作VHF电视与FM广 播接收天线，其工作频段为54-216MHz(4:1带宽）， 要求天线具有6.5dB的增益。 (1)根据上图查得，最佳设计对应的=0.822, =0.149， 计算得 1 1 o
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因此，可以看出，对数周期天线完全满足了非频
2 tan (
4 ) 33.26
(2)最低和最高工作频率对应的波长为：
max c / fmin 5.55m
min c / f max 1.388m
最长和最短的振子长度：
lmax max / 2 2.778m lmin min / 2 0.694m
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不同频率下LPDA传输线上的相对电压分布
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对数周期天线的宽带原理
我们知道，在很宽频段内，天线的电长度l/如果
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保持不变，则必然为非频变天线。 对数周期天线满足 ln1 / ln ，如果工作波长也满 足 n1 / n ，或工作频率满足 f n1 / f n 1/ ，则 ln1 / n +1 ln / n ，满足非频变特性，这时 ln f n1 ln f n +ln(1/ ) 即，当工作频率的对数以 ln(1 / ) 作周期变化时， 天线电性能保持不变，故名对数周期天线。
值线作为和的函数曲线如下图所示。对应某一 值，存在一个最佳的 。
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间 距 因 子
0.80
几何因子
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2 tan 1 (
1 ) 14.00 4
(2)最低和最高工作频率对应的波长为： max c / f min 1.5m min c / f max 0.5m 最长和最短的振子长度： lmax max / 2 0.75m lmin min / 2 0.25m (3) n 1 13.68 为了增加高频特性，在短振子端增加 了4个额外的单元,故总单元数为18。 (4)仿照上例可以求出所有振子的长度和间隔。
左图是用矩
量法计算的 18元LPDA 振子上的电 流分布。
相应的传输
线上的电压 分布、方向 图、增益和 阻抗见后。
不同频率下LPDA振子上的电流分布
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LPDA的设计取决几何因子和间距因子。增益等
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当电磁波从短振子端馈入时，由于短振子辐射很
小，电磁波主要是通过双导线传输到辐射区，所 以短振子所构成的区域也称为传输区。 电磁波到达辐射区时，长度接近半波长的振子上 的电流最大，辐射最强，称为主振子。在它后面 较长的振子犹如一个反射器，称为反射振子。如 果电磁波是直接通过双导线馈入到反射振子上， 其上的电流相位势必滞后于主振子。但通过交叉 馈电，使得反射振子上的电流相位超前主振子， 因而保证了天线阵的最大辐射方向朝向馈电端。 主振子前较短的振子相当于引向器，经过交叉馈 电后，电流相位超前于主振子。可见辐射区的振 子构成了引向天线，最大辐射方向指向馈电端。
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对称振子的长度沿线递增，且保持与顶点构成的
角度不变
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LPDA上的
电流分布可 以利用数值 方法算出。
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对数周期天线的结构 对数周期天线（log-periodic antenna）的形式很 多。最具代表性的是由对称振子组成的对数周期 天线阵（log-periodic dipole antenna，LPDA） 。 LPDA由N+1个并列的对称振子组成。
变天线的几个要点： 天线的几何结构只与角度有关：振子长度与顶 点构成的角度不变。 天线具有自相似性：随着频率从低到高，辐射 区从长振子区向短振子区移动，反之亦然。 弱终端效应：电磁波经过辐射区的辐射，到达 后面的长振子区域时，已经很弱，恰好满足了 弱终端效应。 需要说明的是，严格地说，对数周期天线只在一 些离散频率点（fi,i=1,2,…,n+1)上非频变，在这 些频率之间，天线性能会有一些变化，不过只要 满足指标要求，依然是宽频带的。
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（3）计算振子数
n 1
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取整数n+1=9. （4）计算其余振子长度：ln1 ln l1=2.78m, l2=2.28m, l3=1.88m, l4=1.54m, l5=1.27m, l6=1.04m, l7=0.856m, l8=0.704m, l9=0.578m, （5）计算个振子元的间距：d n 2 ln d1=0.828m, d2=0.679m, d3=0.557m, d4=0.458m, d5=0.378m, d6=0.301m, d7=0.255m, d8=0.210m （6）天线总长度：3.68m
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ln lmin / lmax 1 8.09 ln
例题：设计一工作频段为200-600MHz的LPDA，增益 要求9dBi。 (1)由图查得，=0.917, =0.169，因此
天线 Antennas
第12讲 对数周期天线 与平面超宽带天线
褚庆昕
华南理工大学电子与信息学院 天线与射频技术研究所 qxchu@
2014/4/10 Research Institute of Antennas & RF Techniques School of Electronic & Information Engineering