超宽带脉冲天线研究

论文摘要

直接发射窄脉冲信号方式的超宽带技术是最近研究的一个热点,在雷达和通信应用中有其特殊的优势,如在雷达应用中可以提高雷达分辨率,在短距离通信中可高速率传输。超宽带天线是超宽带技术中的关键部件之一,要有效的辐射几个GHz带宽的脉冲信号,对天线提出了很高要求。天线的性能对整个系统有重大影响,因此研究超宽带天线技术有重要意义。本文首先阐述了超宽带的概念;详细介绍了超宽带技术在雷达、通信、生物医学工程中的应用状况;较全面地对超宽带脉冲天线技术研究的的情况进行了综述,指出了脉冲天线分析多从时域特性进行,天线加载技术是提高脉冲天线辐射性能的一种方式,高效率、小型化是高功率超宽带天线的研究热点,短距离、高速率通信应用的超宽带平面天线是研究的热点。其次,讨论了天线宽带技术,介绍了宽带振子天线、行波天线、宽带有源接收天线。讨论了脉冲天线的瞬态性和研究脉冲天线的特点。再次,讨论了电磁场及天线数值计算方法及相应软件。详细介绍了基于RWG基函数的矩量法,RWG基函数与天线导体表面剖分的平面三角对相对应,每一对三角等效为一小偶极子,矩量法求解天线表面电流分布就是求解每个小偶极子电流及偶极矩。本文4、5部分就是采用矩量法,并通过Matlab程序实现了对平面螺蜷天线、圆锥螺蜷天线、V型蝴蝶结天线的宽频带参数特性分析和脉冲辐射特性研究。研究显示了螺蜷天线的非频变特性,在很宽的频带内的参数的稳定;平面螺蜷天线更适用于脉冲辐射;V型蝴蝶结天线,在相同臂长时,夹角越大越有利低频信号辐射,平面蝴蝶结天线的参数在宽频带内相对稳定。还用前面的矩量法研究了Wu-King加载偶极天线的脉冲辐射特性,研究显示,按Wu-King的理论值加载天线时,虽然没有辐射脉冲拖尾,但天线的辐射很弱,实用意义不大。因此在不改变加载电阻变化规律,减小加载电阻阻值时,可以得到更强的辐射信号而辐射脉冲的拖尾也很小,这更具实际意义,可作为工程设计参考。最后,设计了一种火山烟雾形平面超宽带单极天线,天线采用共面波导馈电,基板厚0.8mm,采用HFSS的数值分析和实验测试表明在75mm×75mm尺寸结构时可有0.8GHz--9GHz的带宽。为了更有效地辐射脉冲,降低脉冲信号的低端频率的辐射,在此基础上,对天线增加电阻加载回路,构成电-磁振子组合型天线,天线的带宽低端频率可降到0.5GHz。通过脉冲激励下测试了两种天线的接收波形,从时域波形上看,加载电阻后的天线的脉冲波形有所变好。另一种漏斗形平面天线的研究也具有超宽带特性,在50mm×50mm大小时有1.1GHz—9GHz带宽,加载后低频端可到0.8GHz。还测试了平面蝴蝶结天线的带宽特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 超宽带技术概念及其特点
• 1.2 超宽带技术应用研究现状
• 1.2.1 探地雷达应用
• 1.2.2 高空雷达应用
• 1.2.3 合成孔径雷达应用
• 1.2.4 超宽带无线通信应用
• 1.2.5 生物医学工程应用
• 1.3 超宽带脉冲天线研究综述
• 1.3.1 脉冲天线的时域特性
• 1.3.2 天线加载技术
• 1.3.3 超宽带高功率脉冲天线
• 1.3.4 短程通信应用超带宽天线
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 问题的提出
• 1.4.2 研究目的
• 1.4.3 研究的内容
• 2 宽频带天线技术
• 2.1 宽频带天线的基本概念
• 2.2 宽带天线的主要类型
• 2.2.l 频率无关天线
• 2.2.2 旋转对称结构的宽带振子天线
• 2.2.3 宽带行波天线
• 2.2.4 宽带加载天线
• 2.2.5 可调式宽带天线系统
• 2.3 宽带振子天线
• 2.3.1 单极锥形天线
• 2.3.2 盘锥天线
• 2.3.3 锥裙单极天线
• 2.3.4 套筒单极子天线
• 2.4 宽带行波天线
• 2.4.1 行波线天线的辐射场
• 2.4.2 长线天线
• 2.4.3 V 形天线
• 2.4.4 菱形天线
• 2.4.5 螺旋天线
• 2.5 超宽频带接收天线
• 2.5.1 有源接收天线的基本特性
• 2.5.2 电压探针型有源接收天线
• 2.5.3 复合式超宽频带有源接收天线
• 2.6 超宽带脉冲天线
• 2.6.1 脉冲信号的瞬态性
• 2.6.2 脉冲天线研究的特殊性
• 2.6.3 频率无关天线用作脉冲天线
• 2.6.4 加载天线作脉冲天线
• 2.6.5 渐近线喇叭天线作脉冲天线
• 2.6.6 脉冲天线的馈电问题
• 2.6.7 脉冲天线的时域近场测量技术
• 2.7 小结
• 3 电磁场及天线数值计算方法
• 3.1 数值分析方法及相应软件包
• 3.1.1 矩量法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 时域有限差分法
• 3.2 求解导体表面电流的矩量法
• 3.3 基函数和权函数的选择
• 3.4 基于RWG 基函数的矩量法
• 3.4.1 RWG 基函数
• 3.4.2 电场积分方程
• 3.4.3 电场积分方程求解
• 3.4.4 发射天线馈电模型
• 3.4.5 表面电流在空间点的辐射场
• 3.5 天线参数的分析
• 3.5.1 辐射功率
• 3.5.2 天线的方向性
• 3.5.3 输入阻抗
• 3.5.4 天线反射系数
• 3.6 小结
• 4 螺蜷天线脉冲辐射特性研究
• 4.1 非频变天线理论
• 4.2 几种非频变天线特性
• 4.2.1 阿基米德平面螺蜷天线
• 4.2.2 平面等角螺蜷天线
• 4.2.3 圆锥对数螺蜷天线
• 4.2.4 齿片形对数周期天线
• 4.3 螺蜷天线脉冲激励的矩量法分析
• 4.3.1 天线表面三角化
• 4.3.2 天线参数宽带特性
• 4.3.3 天线-自由空间转移函数
• 4.3.4 螺蜷天线脉冲辐射特性
• 4.4 小结
• 5 蝴蝶结天线宽带特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 V 型蝴蝶结天线的三角网格化
• 5.3 V 型蝴蝶结天线特性仿真分析
• 5.3.1 输入阻抗与反射系数
• 5.3.2 辐射功率和增益
• 5.3.3 方向性
• 5.4 蝶形天线的脉冲辐射特性
• 5.5 小结
• 6 加载天线的脉冲辐射特性研究
• 6.1 加载天线技术
• 6.1.1 阿特舒勒单极天线
• 6.1.2 V 形加载偶极天线
• 6.1.3 阻容混合加载天线
• 6.1.4 分布加载天线
• 6.2 矩量法研究加载偶极天线脉冲辐射特性
• 6.2.1 RWG 基函数建模及阻抗加载模型
• 6.2.2 天线脉冲辐射特性
• 6.3 小结
• 7 超宽带天线低频扩展技术研究
• 7.1 天线低频补偿技术
• 7.2 火山烟雾形超宽带天线
• 7.3 共面波导馈电平面火山烟雾天线
• 7.4 加载电阻回路火山烟雾形平面天线
• 7.5 加载平面蝴蝶结天线
• 7.6 小结
• 8 全文总结及展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 在完成博士论文期间发表的论文
• B 完成博士论文期间完成的科研项目
• C 平面螺蜷天线三角化 Matlab 代码
• D V 型蝴蝶结天线三角化 Matlab 代码