微带天线中的单极天线.ppt

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1、微带天线中的单极天线微带天线中的单极天线ThemonopoleantennasinMicrostripAntennas潜在应用方向极宽带通信潜在应用方向极宽带通信根据美国联邦通信委员会FCC（FederalCommunicationcommittee)2002年公布的标准：绝对带宽大于500MHz,或相对带宽大于20%,工作频带在3.110.6GHzUWB通信的特点是传输速率100Mb/s,传输距离较小,功率也极小。在无线通信与雷达成像方面有潜在的应用前景。目前主要是室内通信应用超宽带无线通信概念超宽带无线通信概念超宽带通信技术，在历史上又称为超宽带通信技术，在历史上又称为 脉冲无线电脉冲无线

2、电,非正弦系统非正弦系统，时域通信时域通信.其信号的其信号的产生有多种方式，传统的方法是用纳秒级窄脉冲产生有多种方式，传统的方法是用纳秒级窄脉冲的宽频谱来实现，直接发射经调制的窄脉冲无需的宽频谱来实现，直接发射经调制的窄脉冲无需正弦载波，所以又常称为冲激无线电（正弦载波，所以又常称为冲激无线电（ImpulseImpulseRadioRadio）.信号调制主要是对脉冲的幅度，极性信号调制主要是对脉冲的幅度，极性和时序位置进行调制。适用于跳时（和时序位置进行调制。适用于跳时（Time-Time-hoppinghopping）技术。另一类超宽带通信技术仍然基技术。另一类超宽带通信技术仍然基于正弦载波

3、的概念发射连续波。其超宽带的实现于正弦载波的概念发射连续波。其超宽带的实现可借助扩展频谱技术或提高数据率来实现。例如可借助扩展频谱技术或提高数据率来实现。例如基于基于IEEEIEEE803.15.3a(WPAN:Wireless803.15.3a(WPAN:WirelessPersonalAreaNetwork)PersonalAreaNetwork)无线应用频谱无线应用频谱名词解释名词解释WRANs:associationwithIEEE802.22,theWorkingGrouponWirelessRegionalAreaNetworksWPAN:WirelessPersonalAreaN

4、etworksIEEE802.15.1WBAN:WirelessBodyAreaNetworksWLAN:WirelessLocalAreaNetwork,WMAN:WirelessmetropolitanareanetworkIEEE802.16WiMAX:WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccessZigBee:IEEE802.15.4andZigBeeisanalogoustothatexistingbetweenIEEE802.11andtheWi-FiAllianceWiFi:WIrelessFIdelityFCC批准的批准的UWB通信能量谱

5、通信能量谱EIRP-Equivalent Isotropic Radiated PowerEIRP-Equivalent Isotropic Radiated Power UWB通信家庭应用通信家庭应用办公室应用办公室应用Intra-Campus Connectivity Intra-Campus Connectivity 校园内连接校园内连接校园内连接校园内连接超宽带无线通信特点超宽带无线通信特点 1 1。隐蔽性。超宽带脉冲信号的脉冲宽度常小于。隐蔽性。超宽带脉冲信号的脉冲宽度常小于1ns1ns对对应的频谱宽度在应的频谱宽度在1GHz1GHz以上，通信所需的平均功率很小，以上，通信所需的平均

6、功率很小，信号被隐蔽在环境噪声和其他信号之中，截获率很低。信号被隐蔽在环境噪声和其他信号之中，截获率很低。2 2。高处理增益。处理增益定义为信号的射频带宽与信。高处理增益。处理增益定义为信号的射频带宽与信息带宽之比，可以获得比目前扩频系统高得多的处理息带宽之比，可以获得比目前扩频系统高得多的处理增益。例如信号带宽为增益。例如信号带宽为8kHz,8kHz,信道带宽为信道带宽为1.25MHz1.25MHz的的码分多址（码分多址（CDMACDMA）直接序列扩频系统，处理增益为直接序列扩频系统，处理增益为22dB,22dB,采用窄脉冲系统同样的基带信号可以变换为采用窄脉冲系统同样的基带信号可以变换为2

7、GHz2GHz带宽的射频信号，处理增益达到带宽的射频信号，处理增益达到54dB54dB 3 3。抗多径干扰能力。超宽带通信系统的多径能力远高抗多径干扰能力。超宽带通信系统的多径能力远高于常规通信系统。这是因为超宽带通信系统的通信是于常规通信系统。这是因为超宽带通信系统的通信是利用极窄的脉冲串来携带信息，其重复周期远小于多利用极窄的脉冲串来携带信息，其重复周期远小于多径时延，因此在接收端利用径时延，因此在接收端利用RakeRake接收技术可以有效地接收技术可以有效地区别多径干扰信号区别多径干扰信号 超宽带无线通信特点超宽带无线通信特点2 空间容量大。当前无线通信发空间容量大。当前无线通信发展的趋

8、势是由提供远距离通信展的趋势是由提供远距离通信服务向近距离通信方向转移。服务向近距离通信方向转移。通过频率的空间复用，在有限通过频率的空间复用，在有限的频率资源下满足通信业务发的频率资源下满足通信业务发展需求。点对点的传输速率仅展需求。点对点的传输速率仅仅是评估系统的一方面，系统仅是评估系统的一方面，系统的的 空间容量空间容量（b/s.m2b/s.m2）也是一项重要的指标。它是单也是一项重要的指标。它是单位面积数据传输速率。兰牙技位面积数据传输速率。兰牙技术中（术中（IEEEIEEE802.11a802.11a）的空的空间容量是间容量是83kb/s.m2,83kb/s.m2,而超宽带而超宽带通

9、信技术中的空间容量可达通信技术中的空间容量可达1Mb/s.m21Mb/s.m2超宽带无线通信特点超宽带无线通信特点3穿透能力强穿透能力强.由于超宽带通信的极宽频谱特性，使超宽带信由于超宽带通信的极宽频谱特性，使超宽带信号具有极强的障碍物穿透能力。可用于丛林成号具有极强的障碍物穿透能力。可用于丛林成像和穿墙成像系统。像和穿墙成像系统。便于多功能一体化技术的实现。便于多功能一体化技术的实现。超宽带技术在一定的条件下可以与窄带通信共超宽带技术在一定的条件下可以与窄带通信共存于一个系统中。存于一个系统中。超宽带系统也可以设计成兼通信，定位，成像超宽带系统也可以设计成兼通信，定位，成像和测距等功能为一体

10、的综合电子系统。和测距等功能为一体的综合电子系统。超宽带无线通信超宽带无线通信关键技术关键技术关键技术:超宽带信号的产生，即纳秒脉冲源的产生。纳秒脉冲的处理：编码，调制，放大等发射技术；超宽带天线技术。接收，解码等技术。UWB通信所需主要通信所需主要RF无源器件无源器件超宽带无线技术的市场预测超宽带无线技术的市场预测超宽带通信有着巨大的民用市场。美国联邦通信超宽带通信有着巨大的民用市场。美国联邦通信委员会（委员会（FCCFCC）预言超宽带通信会带来一个新预言超宽带通信会带来一个新兴的产业。为满足造价低廉宽带兴的产业。为满足造价低廉宽带InteenetInteenet无线接无线接入和宽带多媒体信

11、息的传输，民用超宽带无线通入和宽带多媒体信息的传输，民用超宽带无线通信的主要研究方向是短距离高速率连接和高速率信的主要研究方向是短距离高速率连接和高速率无线个人局域网（无线个人局域网（WPANWPAN：WirelessPersonalWirelessPersonalAreaNetworkAreaNetwork）以及一些探测系统如：透地雷以及一些探测系统如：透地雷达，墙内成像系统，穿墙成像系统监视系统，汽达，墙内成像系统，穿墙成像系统监视系统，汽车防撞系统等。车防撞系统等。现代移动通信频道：现代移动通信频道：GSMGSM（GlobalSystemforMobile)GlobalSystemfor

12、Mobile)900MHz900MHz DCS(DigitalCommunicationSystem)DCS(DigitalCommunicationSystem)1800MHz1800MHz UMTS(UniversalMobileTelecommunicationSystem)UMTS(UniversalMobileTelecommunicationSystem)1920-2170MHz1920-2170MHz 无线局域网（无线局域网（WLAN)WLAN)：2.42.42.485GHzforIEEE2.485GHzforIEEE802.11b/g802.11b/g；5.155.35and5

13、.7255.825GHzforIEEE802.11a 随着以多媒体业务为特征的第三代移动通信的发展，对随着以多媒体业务为特征的第三代移动通信的发展，对总的通信频道的要求是能够满足愈来愈高的工作频带，总的通信频道的要求是能够满足愈来愈高的工作频带，而移动通信特别是对宽带小尺寸天线提出了更高的要求。而移动通信特别是对宽带小尺寸天线提出了更高的要求。标准化小天线已提到议事日程上，还有很多工作要做。标准化小天线已提到议事日程上，还有很多工作要做。还有许多未开拓的领域和技术等待着人们去探索。还有许多未开拓的领域和技术等待着人们去探索。由上面的分析可以看出除了由上面的分析可以看出除了UWBUWB以外，多频

14、道工作天线以外，多频道工作天线是目前人们正面临的天线设计任务。是目前人们正面临的天线设计任务。天线输入阻抗天线输入阻抗天线的增益效率和方向性天线的增益效率和方向性PIFA天线特性天线特性典型的偶极天线典型的偶极天线天线带宽，增益和效率天线带宽，增益和效率自我补偿天线自我补偿天线常见宽带天线：常见宽带天线：Log-Periodic Log-Periodic anteenaanteena对数周期偶极天线对数周期偶极天线盘锥天线盘锥天线(Discone Antenna)螺旋天线螺旋天线双脊喇叭天线双脊喇叭天线其他宽带天线其他宽带天线Vivaldi Antenna不同应用下的天线增益要求不同应用下的天

15、线增益要求UWB天线设计要求天线设计要求设计方法设计方法 MP:Market ProductsMP:Market ProductsMP:Market ProductsMP:Market Products主要设计（电磁仿真）软件主要设计（电磁仿真）软件HFSS：频域，有限元法IE3D：频域，矩量法CST：时域，有限积分法XFDTD：时域，时域有限差分法当前天线设计与应用当前天线设计与应用微带单极天线发展过程微带单极天线发展过程 IEEEIEEE中最早关于中最早关于UWBUWB天线的文献报道是天线的文献报道是 19961996年年An airborne ground penetrating rad

16、ar systemAn airborne ground penetrating radar system(机载探地雷达系统机载探地雷达系统)AerospaceApplicationsConference,1996.Proceedings.,1996AerospaceApplicationsConference,1996.Proceedings.,1996IEEEIEEE GregorwichGregorwich,W.;Volume1,3-10Feb.1996Page(s):157-161,W.;Volume1,3-10Feb.1996Page(s):157-161vol.1vol.1(IEEE

17、(IEEE文献检索。关键词：文献检索。关键词：UWBAntennas,UWBAntennas,得到得到165165篇文献篇文献)微带单极天线发展过程，可以看成是微带单极天线发展过程，可以看成是20022002年以后才开始的。年以后才开始的。即美国联邦通信委员会即美国联邦通信委员会FCCFCC公布的公布的UWBUWB标准以后的事。标准以后的事。单极微带天线属于单极微带天线属于2维天线维天线2.5D平面单极天线平面单极天线微带单极天线的特点微带单极天线的特点 低剖面尺寸。厚度一般低剖面尺寸。厚度一般小于小于PIFAPIFA天线；天线；宽带特性：阻抗带宽高宽带特性：阻抗带宽高于于PIFAPIFA 结

18、构简单结构简单 造价低。可以用微带电造价低。可以用微带电路加工工艺路加工工艺 可以满足双面辐射的要可以满足双面辐射的要求，求，结构设计灵活。除了天结构设计灵活。除了天线本身，有限大小接地线本身，有限大小接地板也是设计的目标之一板也是设计的目标之一 设计要求高设计要求高MICROWAVEANDOPTICALTECHNOLOGYLETTERS/Vol.40,No.5,March52004p.399-400各种微带单极天线各种微带单极天线对缝隙的敏感性对缝隙的敏感性天线平面刻蚀缝可以产生阻带天线平面刻蚀缝可以产生阻带阻带频率与缝长度的关系阻带频率与缝长度的关系Film Type Wide-Band

19、Antenna for Next-Film Type Wide-Band Antenna for Next-Generation Communication Systems Generation Communication Systems at Frequency Range from 2.3 to 6 GHz at Frequency Range from 2.3 to 6 GHz40mm(W)x33mm40mm(W)x33mm(H).(H).HITACHI CABLE REVIEW No.24(AUGUST 2005)p6-10CPW共平面波导输入共平面波导输入Double-Sided P

20、rinted Bow-Tie Antenna for UWB Communicationsp.152IEEEANTENNASANDWIRELESSPROPAGATIONLETTERS,VOL.3,2004Cross CPW antennaUsingtheGAandFDTDAlgorithmIEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS,VOL.15,NO.6,JUNE2005p.395Low Cost UWB antennaIEEEANTENNASANDWIRELESSPROPAGATIONLETTERS,VOL.4,2005p.237printed mon

21、opole antennas0-7803-8883-6/05/$20.002005IEEEA Low-Cost Suspended Patch Antenna for WLANAccess Points and Point-to-Point Linksp.90IEEEANTENNASANDWIRELESSPROPAGATIONLETTERS,VOL.3,2004Frequency notched ultra-widebandmicrostrip slot antenna with fractaltuning stubELECTRONICSLETTERS17thMarch2005Vol.1No.

22、6Single Layer Printed Monopole Antenna for Dual ISM-Band Operation1270IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION,VOL.53,NO.4,APRIL2005V-型单极天线型单极天线ELECTRONICSLETTERS1stSeptember2005Vol.41No.18A Small Wideband Microstrip-fed Monopole AntennaIEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS,VOL.15,NO.10,OCTOBER2005p.703