小型化脉冲及超宽带天线的研究

论文摘要

脉冲天线和超宽带天线在超宽带雷达、探地雷达、无线通信等领域有着广泛的应用,其特性的好坏对系统的整体性能有着重要的影响。本文结合国家自然科学基金项目,教育部新世纪人才支持计划项目和博士点基金项目的内容,从理论和实际两方面深入研究了小型化、集成化脉冲天线和超宽带天线的特性及分析设计方法,提出了几种低轮廓脉冲和超宽带天线结构;研究了天线对超宽带脉冲信号波形设计的影响:研究了人体对脉冲天线特性的影响。本论文完成的主要研究工作和创新性成果如下:1.从时域的角度出发,研究了方形环天线上的时域电流、天线的辐射脉冲峰值、拖尾、畸变等特性与结构参数的关系。研究结果表明,进行适当加载的环天线的辐射信号和激励信号的相关性可以达到很高,适用于作为相关接收天线。2.在研究天线时域特性的基础上,对表述辐射脉冲特性的振荡系数提出了修正建议。3.通过改变馈电结构、底盘的尺寸、上锥的张角等方法,研究了盘锥天线的输入和辐射特性随天线结构的变化关系,设计了主辐射方向在水平面内的低轮廓脉冲天线。4.提出了在盘锥天线的锥顶端单侧加臂的方式来改进天线低频性能的方法,该方法增加天线上电流的路径长度,可以在天线的物理高度不变的情况下,有效增加天线的电长度。这种方法改进了盘锥天线的低频特性,可以降低天线的轮廓,实现天线的低轮廓和小型化。5.研究了线形偶极天线的辐射特性和天线末端产生反射和辐射的物理机理,给出了改善偶极天线幅频特性的方法。提出了叶形超宽带天线和在馈电点附近单侧加载介质的叶形方向性脉冲天线,使偶极类结构天线实现了良好的宽带特性,并得到一种辐射脉冲拖尾较小的低轮廓方向性脉冲天线。6.以三阶微分Rayleigh脉冲通过电阻加载偶极天线辐射的情况为例,研究了天线对超宽带系统脉冲信号波形设计的影响。研究发现,脉冲信号通过天线后,辐射的脉冲信号会出现展宽效应,所覆盖的频谱整体向低频端移动。为此,需要采用更窄的三阶微分Rayleigh脉冲或者高阶微分的Rayleigh脉冲作为激励信号,才能保证通过天线后的辐射信号符合FCC频谱规划要求。7.研究了人体对超宽带天线特性的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究历史和现状
• 1.2.1 脉冲及超宽带天线的研究概况
• 1.2.2 超宽带脉冲信号的研究概况
• 1.3 几类典型的脉冲及超宽带天线
• 1.3.1 双锥天线及其变形
• 1.3.2 单极和偶极天线
• 1.3.3 分形大线
• 1.3.4 TEM喇叭天线
• 1.3.5 加脊喇叭
• 1.3.6 Vivaldi天线
• 1.3.7 环形天线
• 1.4 本论文的内容安排和主要工作成果
• 2 脉冲及超宽带技术基本理论和方法
• 2.1 脉冲辐射的基本理论
• 2.2 表征脉冲天线特性的一些概念
• 2.2.1 脉冲天线的理想传递特性
• 2.2.2 脉冲天线的实际传递特性
• 2.2.3 脉冲的保真度
• 2.3 超宽带通信技术简介
• 2.4 研究方法
• 2.4.1 时域有限差分法
• 2.4.2 时域有限积分法和CST软件
• 2.4.3 有限元法和HFSS软件
• 3 环天线的时域特性研究
• 3.1 天线结构和理论分析
• 3.2 计算结果和讨论
• 3.2.1 FDTD程序验证
• 3.2.2 环天线的时域特性
• 3.2.3 阻抗匹配对天线性能的影响
• 3.3 本章小结
• 4 锥天线的脉冲特性和超宽带特性研究
• 4.1 双锥天线的特性
• 4.2 主辐射方向在水平面内的脉冲天线设计
• 4.2.1 盘锥天线基本辐射特性研究
• 4.2.2 方向图优化
• 4.2.3 阻抗优化
• 4.2.4 所设计天线的结构参数和特性
• 4.3 加臂盘锥天线的仿真结果及讨论
• 4.3.1 带宽特性
• 4.3.2 天线表面电流
• 4.3.3 辐射场方向图
• 4.3.4 结论
• 4.4 实验验证
• 4.5 本章小结
• 5 叶形偶极方向性脉冲天线的设计
• 5.1 偶极天线的脉冲辐射特性分析
• 5.2 叶形偶极超宽带天线的分析与设计
• 5.2.1 叶形偶极脉冲天线的辐射机理分析
• 5.2.2 天线结构和计算结果
• 5.2.3 结论
• 5.3 并联介质叶形偶极天线的辐射特性研究
• 5.3.1 并联介质叶形偶极天线的设计思想
• 5.3.2 天线结构和计算结果
• 5.3.3 结论
• 5.4 实验验证
• 5.5 本章小结
• 6 天线对超宽带脉冲信号波形设计的影响
• 6.1 超宽带系统对信号的要求
• 6.2 超宽带系统中常用脉冲波形的特性分析
• 6.2.1 与高斯函数相关的脉冲信号族
• 6.2.2 其它几种脉冲波形
• 6.3 几种设计超宽带脉冲信号的算法
• 6.3.1 基于高斯函数设计超宽带脉冲的算法
• 6.3.2 基于Rayleigh脉冲设计超宽带脉冲的算法
• 6.4 天线对超宽带脉冲信号波形设计的影响
• 6.4.1 理论分析
• 6.4.2 数值结果及讨论
• 6.5 本章小结
• 7 超宽带天线在可穿戴设备中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 天线结构和仿真结果
• 7.2.1 天线结构
• 7.2.2 人体模型的构造
• 7.2.3 仿真结果及讨论
• 7.3 小结
• 8 总结和展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 本文的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历
• 学位论文数据集