[科普中国]-宽带天线

天线是把高频电磁能（信息）通过各种形状的金属导体向空间辐射出去的装置。它也可以接收空间的电磁能（信息）。就是说发射天线与接收天线无根本性差异。

天线有磁场天线和电场天线。磁场天线的测量频段为25HZ-30MHZ,而电场天线的测量频段则在10KHZ-40GHZ范围。根据用途的不同，天线又分有源和无源两类。电磁兼容测量中多使用宽带天线。

宽带天线指的是有较宽带宽的天线，如：圆锥天线、V 锥天线、TEM喇叭天线、对数周期天线、螺旋天线、波纹喇叭天线、微带天线、新型天线以及电小天线

发展概况历史上，宽带天线的发展大致可以分为以下几个阶段：20世纪50年代以前是早期发展阶段，主要面向广播电视通信应用；20世纪50年代到90年代初，是宽带天线的蓬勃发展时 期，在这一阶段提出多种宽带和非频变天线的设计理论，并在各类通信及雷达探测方面得到广泛应用；20世纪90年代是现代意义上的UWB天线发展的初期，但直至2002年FCC开放民用的UWB设备使用频段，应用在短距无线通信中的UWB天线的研究设计才真正地发展起来。2

早期的宽带天线与脉冲天线设计具有多样性。自1886年徳国物理学家赫兹在实验室中证实了Maxwell方程以来，在无线电应用中扮演能量辐射和接收角色的天线也得到了广泛研究.Hertz演示的无线电系统，使用了一个长度为半个波长的偶极子传送一个火花脉冲并在附近的谐振圆环内进行检测，该实验中所使用的天线结构可以认为是最早的宽带天线。1898年，英国物理学家Lodge对其设计的一个谐振无线系统申请了专利，在这个专利当中，他认为在系统中采用如锥体或三角形金属板这类具有扩展角度并将其顶点相对放置的结构更为有利，为此提出了球形、方形平板、双圆锥和蝴蝶结形等多种结构形式的偶极天线（见图1.12),此外他还介绍了将地面作为地的单极天线设计理论，这是天线设计上的一大突破。意大利工程师Marconi在1901年进行了从英格兰到纽芬兰的长距离的无线信号传送实验，使用了由几十根线结构构成的倒锥形与大地构成的单极天线来进行发射和接收，实现了天线进早的商业应用。但随着对窄带连续波无线系统研究的日益深入以及有效的窄带信号发生器的出现，具有紧凑结构和低成本的细线单极天线和环形天线日渐成为当时主流，而宽带天线结构复杂、体积庞大，其需求日益降低，发展也进入了一个停滞阶段。2

20世纪30年代，无线电应用频率已达30 MHz,波长的减小使得四分之一波长的天线具有可操作性。1933年宽带信号频率调制方法的发明使得无线系统带宽达到150kHz以上，而电视的发明则将信号带宽展至数MHz的量级。在这一阶段，具备高性能、宽频带特性的天线重新成为研究热点.1939年Carter对双圆锥偶极天线和圆锥单极天线进行了重新设计并将其用于短波应用，同时针对Lodge原先的天线结构使用了一种渐变式的馈电方法，这也是天线设计史上首次在传输线和辐射单元之间采用过渡性馈电结构。更为突出的宽带天线结构是Lindertbald设计的用于电视信号传送的同轴喇叭式天线，该结构在同轴末端将内芯和外芯向外渐变扩展其直径，内外芯中间的空隙部分渐展成一喇叭结构。 到20世纪40年代，宽带天线的设计都遵循着结构逐渐展开的模式，认为天线越“胖”越有利于宽带的实现。Schelkunoff和Friis设计了一系列具有这类性质的天线结构，并对其进行了专门的理论探讨，Kraus发明的火山烟状天线也是这类天线的典型代表，见图1. 13。 在40年代后期，基于电磁的对偶关系，也提出了一些槽形天线，在设计上通过结合渐变形式馈电来扩展其带宽。2

第二次世界大战后，随着GHz频段以上的电子速调管和磁电管的发明，无线电的应用朝着更高频段发展。早期提出的许多经典天线结构，在20世纪50年代以后仍被重新设计以便在更高频段内使用。例如Brown等对Lodge设计的蝶形天线结构进行了重新讨论,Master提出了一种钻石状的三角形偶极天线结构用于UHF频段的电视接收， Lamberty将Marconi设计的平板单元用于微波频段。Rumsey提出的频率不变天线概念是这一时期天线发展的重要事件，他认为如果天线形状仅随角度变化，那么其阻抗和方向图将在极大带宽内保持不变，其带宽仅受天线的最大和最小物理尺寸限制，等角螺旋天线是该理论的典型应用。基于类似设计思想，对数周期天线也是一种频率不变天线。这类频率不变天线结构见图1. 14,其倍频程度带宽可超过40:1，能工作在10 MHz-10 GHz 频段内，广泛应用于广播电视和点对点通信等场合，不过由于这类天线的相位中心随频率而改变，事实上脉冲的辐射和接收性能并不佳。2

到20世纪70年代，随着脉冲雷达技术的发展，出现了用于针对具有纳秒级宽度时域脉冲的辐射接收的天线，如采用分布式电阻加载的偶极线天线或双圆锥天线。Harmuth利用环形辐射的等效原理，制作了大电流辐射器在大功率的脉冲辐射方面，则包括有TEM喇叭和抛物面反射的脉冲辐射天线等结构。图1. 15是这类脉冲天线结构的简单示意图。2

20世纪90年代以前应用在高频段内的宽带天线在设计上仍较多地沿用早期的结构， 这些天线通常为三维结构。目前在大多数的实际应用当中，尤其在需要小型化天线的应用场合，天线采用平面结构在尺寸以及系统整合上都比三维结构更具优势。90年代以来，随着无线通信技术的日益发展，应用在1-10GHz频段内的超宽带天线结构有向平面化、小型化发展的趋势。2

平面化的宽带天线可由传统上的三维宽带天线演变而来。1992年，Honda等人提出的一种圆盘单极天线就是球形单极天线的变形，可获得8 : 1以上的阻抗带宽。此后为获取较大的阻抗带宽，研究人员相继提出了包括椭圆形、环形、半圆形、方形和五边形等多种变形在内的平板型单极天线(见图1.16)，极大地丰富了宽带单极天线的种类。单极宽带天线通常可获得10 : 1以上的极大阻抗带宽，同时在辐射单元所在的半空间内具有近似于全向的辐射场型，但由于天线的接地平面辐射单元相垂直，这类天线仍然不是真正意义上的平面天线，在实际应用中存在一定的局限性。为进一步拓展天线应用范围，同时获取具有全空间辐射场形的平面天线结构，将三维平板单极天线以接地平面做镜像即可得到平面偶极天线，例如蝴蝶结形天线以及Thomas等提出的圆盘偶极天线都是在原有的锥形天线和球 状天线基础上的变形结构。但在实际的高频应用当中，这类偶极天线结构会带来新的问题：天线带宽下降，并且馈电变得非常不便，难以同传统传输线如同轴线或微带线相连.此时天线辐射特性也对馈电非常敏感。要让这类平面天线能真正用于实际系统，仍需做更多的研究：从天线性能发展角度看，在于如何克服现有天线结构在性能上的弱点；而从应用角度来看，在于如何为实际系统量身定做符合要求的天线结构。2

因此，宽带天线的主要设计难点集中在同时满足小型化、宽带、优良的时域特性以及系统性能优良等特点。

展宽天线频带方法(1)行波天线。在对对称振子的分析中可知，由于对称振子上的电流为驻波分布，其阻抗频带很窄，限制了对称振子的频带宽度，因而如果能展宽对称振子的阻抗频宽，则可有效地展宽对称振子的频带宽度。根据传输线理论，如果在导线末端接匹配负载，则其上的电流分布为行波分布，输入阻抗就等于传输线的特性阻抗，不随频率改变，即具有宽频带阻抗特性。将天线上电流按行波分布的天线称为行波天线。行波类型的天线一般具有较好的单向辐射特性，较高的方向系数，较宽的阻抗带宽特性，因此行波天线的频带较宽。由于有部分能量被端接负载所吸收， 故较之谐振式驻波天线，天线的效率较低。1

(2)突出角度而不是长度。例如螺旋天线，避免了固定的长度单元而产生了宽频带。无限长双锥天线的结构只与角度有关，而与有限的长度无关，因而其辐射特性和阻抗特性都与频率无关，频带宽度为无限。实际中可通过使有限的长度效应最小化和角度依赖性最大化来设计非频变天线。1

(3)粗导体。增加谐振式天线如振子天线的线径，可增加其阻抗带宽，因而可增加其频带宽度。

(4)自补结构。自补特性也可导致非频变性能。自补结构是通过平移和（或）旋转手段精确覆盖它的互补结构的结构。由于天线的输入阻抗Zin和它的互补结 构天线的输入阻抗Zin互补满足关系Zin*Zin互补=η2/4，自补天线的输入附抗和它的互补天线的输入阻抗相等，因此，自补天线的输入阻抗为Zin=η/2,与频率无关。在自由空间Zin=η0/2 = 60k = 188. 5(Ω)。1

(5)自比例结构。对于不同的频率，天线上有相对应的有效区（辐射区），对于不同频率，其有效区不同，但与电长度相关的结构不变。大部分辐射发生在天线的长度为半波长的对称振子上或周长为个波长的圆环部分（有效作用区）如对数周期天线、平面螺旋天线等。1

(6)通过改变振子型天线的阻抗频宽来增大振子型天线的频带宽度，如套筒天线等。

宽带优势目前，宽带技术是无线通信领域的一个重要发展方向，已经成为了国内外通信界近年来的热点问题和研究方向之一。宽带技术之所以得到了广泛的关注，主要因为其具有如下的技术优势。

1)传输速率高。宽带信号的脉冲宽度通常在亚纳秒量级，带宽极宽，宽带信号在频域上有非常宽的能量谱，带宽达数GHz，可提供很大的系统容量，这使得超宽带无线系统适合于高速率无线传输应用;数据传输速率范围可在数十Mbit/s到数百Mbit/s，甚至上Gbit/s。从信号传播的角度考虑.超宽带无线电由于能有效减小多径传播的影响，使得可以传输高速率数据。2

2)处理增益高。极宽的带宽使得系统具有很大的增益。抗窄带干扰的能力强.超宽带无线电处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用脉冲数，可以做到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益。超宽带系统进一步通过采用跳时或扩频信号，比IEEE 802.11系列无线局域网和IEEE 802.15蓝牙等有更强的抗干扰功能。

3)多径分辨能力很强.也具有比较强的时间分辨能力，有利于多径环境下通信和精确定位方面的应用。常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的脉冲且占空比极低，多径分量在时间上是可分离的。这样宽带系统在接收端可以实现多径信号的分集接收，可以充分利用分离出来的多径分量提高超宽带无线电解调输出的信噪比，降低由于多径干扰造成的性能损失。宽带信号的抗多径衰落的固有鲁棒性特别适合于室内等多径、密集场合的无线通信应用。2

4)提高现有的频谱利用率。超宽带信号的发射功率十分低，仅仅相当于一些背景噪声，对其他窄带系统的干扰小，可以和现存的窄带通信系统同时运行，具有比较好的共存性， 可与其他系统共享频谱资源，提高频谱利用率。

5)隐蔽性好。同样由于发射功率十分低，超宽带信号被截获、侦测到的概率低，有利于安全保密通信。超宽带无线电的射频带宽可达1GHz以上，且所需平均功率很小，信号被隐蔽在环境噪声和其他信号中，难以被敌方检测，这里的隐蔽性好主要是指信号在频域的隐蔽性。UWB信号具有极低的功率谱密度和伪随机特性，这使其具有类似噪声的性质难以被截获，同时对其他现有的无线系统干扰较小。2

6)低功耗。超宽带无线电的手持通信设备的功耗仅为目前功耗的百分之一，大大延长了电源的供电时间，同时减少了对人体的影响。

7)利用带宽优势，不需要使用复杂的调制方法和接收方法，系统实现相对简单，成本较低，并且低复杂度、低成本。直接脉冲宽带系统的低复杂度来源于其传输信号的基带特性。宽带系统直接利用极窄脉冲来进行信息传输，信号不需要上变频以及功放，因此可省去射频混频以及功率放大模块，在接收端也可以省去相对应的混频模块。此外，接收时复杂的时延和相位跟踪环也不再需要。

8)系统容量大。“空间容量”(每平方米每秒的传输比特)已成为重要的衡量指标。根据Intel公司的研究报告，IEEE 802．1lb的空间容量为1(s·m2)，“蓝牙”的空间容量为30 kbits/m2，IEEE 802．11a的空间容量为83 kbits/m2，超宽带无线电的空间容量为1000 kbits/m2。可见，在空间容量方面，超宽带无线电比现有类似系统具有更大的优势。2

9)穿透能力强。实验系统证明，宽带无线电具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。实验表明，适用于窄带系统的丛林通信模型同样可适用于超宽带系统；超宽带技术还能实现隔墙成像等。

10)定位能力强。信号的距离分辨力与信号的带宽成正比。由于信号的超宽带特性，宽带系统的距离分辨精度是其他系统的成百上千倍。宽带信号脉冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨能力可高达厘米级，这是其他窄带系统所无法比拟的。这使得超宽带系统在完成通信的同时还能实现准确定位跟踪，定位与通信功能的融合极大地扩展了系统的应用范围。

11)系统结构简单，成本低，易数字化。宽带系统发射和接收的是超短窄脉冲，无须采用正弦载波而直接进行调制，接收机利用相关器能直接完成信号检测，这样收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等，它只需要一种数字方式来产生超短窄脉冲。因此，大大降低系统复杂度，减小收发信机的体积和功耗，易于数字化和采用软件无线电技术。2

系统构架宽带天线系统的构架及模块如图8．69所示，它主要包括十个组成部分，整个宽带天线系统可能只用接收、发射或两者都有，它涉及辐射场的设计、微波部件的设计和结构工程的设计等。

(1)对于舰载平台和车载设备而言，针对设备所处的环境为海面、地面或山地等具体情况，辐射部分要减小环境基本是采用架高要求至少为10个波长的量级。同时优化俯仰面方向图使其在作用距离内辐射到媒介面上的能量减小，还可以在系统体制上采用技术措施等。而对于机载或弹道、星载电子设备工作环境的媒质相对理想，只是在环境适应性方面多考虑实际问题。3

(2)载体平台是工程设计与理想设计方面的一大区别，适用的无线电设备，总是安装到某一平台上(飞机及吊舱、军舰、汽车、气球、卫星、导弹等方面)。这些平台对天线的性能影响是比较大的，因此，在平台上选取合适的位置。例如，飞机垂尾上和飞机头部，军舰上的桅杆高处，但有的安装处天线辐射体与下面微波组件有较远的距离，长的馈线损耗不可避免。另外，除了优选在平台的架设位置还必须联合考虑由此导致的对载体运动状况的影响，最好将载体作为天线的一部分进行设计。实际上，天线在载体上的布局是机载天线设计中的一项重要技术，它决定于天线的分布、波束指向等。3

(3)电磁窗口实际上就是天线罩。它有三个方面的作用：起透波及保护天线的作用、辐射口宽带宽角极化扭转作用。包括圆极化变换和斜45。极化、辐射波束图的调制作用。这种窗口有集中式和分布式两类，根据具体的工程设计而定，即每个天线辐射口单独有罩，每个天线有一个罩子，称为分布式；另一种是多个天线或阵列和大口径天线共用一个罩子。有时将天线罩和极化罩一体化设计减小体积，它是天线部分与外部的接合处，它的形状、外观、接口、环境适合性、材料及加工显得更重要。3

(4)宽带天线单元或阵列部分。如果很多天线在平台分散安装，只要在平台上状态一定，其接口部分就已经固化，此时天线与平台的关系很密切。如果天线集中安装在平台上某处，此时天线单元之间的影响、天线与支架体的影响、载体平台的影响等方面变大，同时还涉及天线的极化方式、指向及波束覆盖范围、收发通道之间的隔离及隔离屏和表面阻抗措施，系统自检件或校正件的接口关系等。为了提高辐射场的电磁兼容能力，尽可能采用宽带多种功能的阵列天线，必要时在其边缘处加入一定数目的虚单元。天线用于测频、测向、告警、连续波制导、自检、分区天线、切副瓣天线、大功率干扰天线及空间功率合成干扰等，一般情况下天线为线极化，有些天线为圆极化辐射或接收。3

(5)宽带有源网络部件。包括：微波开关(含机械脊波导开关)、限幅放大器、低噪声放大器、数字移相器、可控衰减器、固态功率放大器、宽带T/R组件、TwT相位一致性行波管等以及相关的散热结构件和校正自检接口。这些部件按一定的方式组合及控制形成可扫描的相位梯度和幅度加权方式，这些有源器件的一致性调试难度大，但通道之间因闭合场的原因，它们的电磁兼容易控制些。

(6)宽带无源网络部件。包括：微波功率分配器或合路器、定向耦合器、移相器(包括同轴可调移相器)、固定的衰减器、滤波器、和差器等组成的Butler矩阵馈电、单脉冲波束产生器、鉴相器和光学波束形成技术产生的Bootlace透镜、Rotman透镜、介质型Rotman透波、龙伯透镜等产生宽带指向恒定的波束图，各连接通道采用相位一致性好的电缆。在具体网络的组合中可能是无源部件和有源部件配合应用，工程中往往为实现多个功能，对微波网络部件的小型化、高可靠性提出了要求。3

(7)变频、检波及A/D转换部分。该部分为各天线通道接收信号经微波网络幅、相变换后进行变频或直接输出数字信号，以用于高精度雷达参数测试(含测向精度)用。这涉及系统的同步及信号的配对等，变频所需要的本振信号由接收机后端供给。而通过检波器得到视频信号，对于多路检波器的体制要求检波器为匹配型检波器，实际中微波条已经将检波器集成形成模块。

(8)供电、偏置及控制部分。该部分为微波网络有源组件提供偏置，为TwT行波管等提供高压电源提供初级输入，这些电源要求稳定，纹波小。同时控制电平由该模块中的控制电路提供，它通过某种约定产生顺序码，使得开关通断，控制移相器产生宽带的数字移相值。该模块的技术成熟性比较高。

(9)自检或校正源部分。通过点频振荡源经放大器后给自检天线馈人信号或通过有源微波组件的自检接口处馈人信号，通过各天线和射频通道输出信号至检测仪器或接收机，判定各连接部分是否正常运行。同样从预留的自检输入口馈入宽带的信号电平，从输出口测试它的幅度和相位，通过接收机将各通道幅、相误差记录到校正数据库中。完成各通道初始射频数据的提取，并且可以进行动态校正，该模块由供电、偏置及控制模块提供电源及控制。3

(10)结构设计部分。包括：宽带天线系统的受力分析、有源器件的散热和各连接部分的结构加固及保证、环境适应性设计，“三防”措施考虑、天线的状态调整、各通道部分的电缆走向、固定，天线结构的实现及支架的优选设计、材料的选用，天线重心的调整到位等。如果对于大型的宽带天线系统，电磁兼容的特性比较重要，同时收发天线部分进行分块设计。3

主要应用宽带技术在雷达方面的应用研究发展较早，也相对成熟。宽带雷达距离分辨率高，通常远小于目标尺寸，高的距离分辨率使它具有精确目标识别能力，能获得复杂目标的细微特征；并且穿透能力强，能穿透叶簇、地表、云层等障碍，探测并分辨隐蔽目标。因此，宽带雷达在雷达探测、成像、目标识别等方面具有广泛的应用价值，可用于地质探测、人员搜救、医务监护等诸多领域，以后还可能被用于道路检测、相机自动聚焦、RFID、呼吸心脏监护等用途方面，完成许多其他技术难以实现的特殊功能，因而其研究也备受重视。从20世纪60年代至今已有数百篇相关论文、专利发表，以及数种特殊用途的超宽带雷达问世。2