超宽带UWB陷波天线的设计与实现.docx
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1、本科毕业论文(设计)题目 超宽带UWB陷波天线设计与实现 姓名 吴其帆 学号 201510537082 二级学院 机电工程学院 专业 通信工程 指导教师 宫淑兰 职称 副教授 齐鲁理工学院教务处制目 录摘要1关键词1Abstract1Key words21 绪论21.1 研究背景21.2 技术回顾31.3 发展前景42 超宽带天线的理论基础52.1 技术特点52.2软件介绍62.3 工作安排73新型超宽带微带天线的研究分析73.1天线介质基板的确定73.2 天线馈电方式的选择73.3参考天线的选取84 天线的设计与仿真84.1 建模84.2 仿真124.3 开槽13总结17参考文献18致谢19
2、超宽带UWB陷波天线设计与实现通信工程专业学生 吴其帆指导教师 宫淑兰摘要:超宽带技术利用脉冲信号实现了信息的传递,从而简化了信息传递过程中相关机器结构。这些年来,随着时间的推移,超宽带天线已经成为研究的热点之一。本文的主旨思想是研究一个小型化的超宽带天线,能够使其即便是采用简单的硬件设施也能够实现其技术要求。超宽带系统工作带宽的范围是 3.110.6 GHz,在这个带宽范围内还存在着其他信息系统的窄带信号,这样就会出现互相干扰的问题。为此本文设计了一款具有陷波功能的微带天线,使其在所需要的范围内出现陷波。该天线在频段内具有良好的陷波特性、增益和全向辐射特性,同时所设计的天线结构简单,使用价值
3、高。关键词:超宽带 陷波特性 HFSS软件DesignandImplementationofUWBNotchAntennaStudent majoring in communication engineeringWuQifanTutor GongShulanAbstract:Ultra-wideband technology uses pulse signals to achieve information transfer, which simplifies the structure of related machines in the process of information tra
4、nsfer. Over the years, over time, ultra-wideband antennas have become one of the research hotspots. The main idea of this paper is to study a miniaturized ultra-wideband antenna that enables it to meet its technical requirements even with simple hardware. The operating bandwidth of the UWB system ra
5、nges from 3.1 to 10.6 GHz. There are also narrowband signals of other information systems in this bandwidth range, which causes mutual interference problems. To this end, a microstrip antenna with notch function is designed to make a notch in the required range. The antenna has good notch characteri
6、stics, gain and omnidirectional radiation characteristics in the frequency band, and the designed antenna has a simple structure and high use value.Key words: Ultra-wideband Notch characteristics HFSS software1 绪论1.1 研究背景随着时代的发展和永不休止的利益冲突,军用科技不断的朝着尖端发展。其中军用雷达技术对传统战争模式发起了挑战,掀起了一种新的变革。而应用其中的超宽带技术,也随之水
7、涨船高,不断的获得突破和发展。超宽带技术的发展方向和发展深度得到了不断地完善和进步,以此为基础的一系列科技产品具备了生产应用的可能。超宽带无线技术又被称之为脉冲无线电技术。这项技术最早的出现时间大约在二十世纪六十年代,当时主要研究了比较简单的相关技术,层次比较浅显简易。通过对一些顶尖的公司的研发成果进行综合研究,UWB技术在20世纪70年代取得了十分重要的突破和发展,主要表现在雷达系统方面的相关应用,比如探地雷达系统的应用。到了20世纪80年代末的时候,超宽带技术已成为广为人知的一项科学技术。人们称之为无载波无线电技术,或者又叫做脉冲无线电技术。关于这项技术的名称,一直都是众说纷纭。不同的人或
8、者学派都其都有着不同的称呼,直到1989年的时候,美国国防部首次称之为“超宽带”。作为超级大国和在该领域内的佼佼者,这一名称也随之正式统一化。一项科学技术如果被束缚在一个应用层面,那么它的价值将会大打折扣。为此科学研究工作者纷纷探索超宽带技术在民用领域的可能性。联邦通信委员会(FCC)从1998年开始研究超宽带相关方面的技术问题,通过大量的实验数据资料进行了分析,证实了超宽带技术在民用领域的可用性。一开始的时候,该技术由军用拓展到民用引起了大量的反对声潮,但是联邦通信委员会仍然坚持超宽带技术向民用领域发展,并向其提供应用许可。由此不难看出,超宽带技术的潜在市场价值巨大,发展前景十分广阔。自军用
9、天线的部分频带达成开放协议,能够应用于民用后,天线的研究已成为雷达、无线电、探测器、对讲机、无线电话、无线局域网、移动电话等领域的研究热点。近几年来,大量的短距离控制器的使用在市场经济利益和技术科研革新两方面推动了超宽带天线技术的飞速发展。至此之后,超宽带技术的发展由低速车轨迈入高速车轨。日新月异的技术和不同的功能需求,加之广阔的市场前景,与之相关的超宽带天线的设计也成为了研究的热点。国内对超宽带方面的技术知识从一开始的一片空白到后来的奋起直追,付出了常人难以想象的艰辛。时至今日,我国各大高等院校以及相关的研究所单位通过不懈的努力,在超宽带技术领域均获得了不同程度的科研成果。特别是信息产业部
10、36 所、22 所等在 UWB 天线、UWB 雷达、UWB 信号分析和 UWB 匹配网络设计等方面都获得了一定研究成果。尽管如此,国内对 UWB 天线的研究仍落后于国外。2007 年 1 月的统计数据显示,有关 UWB 天线的发明专利共计63项,来自国内的只有 9 项,其余主要来自美、日、韩等先进国家1。在超宽带技术领域,我们仍然需要攻关克难,不断前进。 1.2 技术回顾冷战结束后,由于超宽带技术的巨大价值,大量研究公司不断提出解除对UWB的民事禁令。迫于压力和可观的经济利益,该禁令最终在2月被解除。2002年,由于UWB军转民的趋势渐成定局。美国联邦通信委员会(FCC)最终同意该技术进入到民
11、用领域,用户不需要提交申请也可以使用。超宽带以前无法用于民用,并不仅仅是军用转民用的规则问题。其主要的原因是因为UWB具备“超宽带”这一特殊性质。基于UWB的通信所需要的带宽非常大,从几百兆赫兹到几千兆赫兹都涵盖在内。比如说英特尔的试用机器使用从2 GHz频段到6 GHz频段的4 GHz带宽。这个带宽是相当之大,一般的模拟电话所使用的带宽只有30千赫。与其相比,足见差距。在实际当中,并没有这么宽的波段。因此,不管采用何种技术手段,总会有一些部分的频带与其他的系统存在着重复。也就是说因为这个原因所造成的干扰必然会存在,亦即解决该问题迫在眉睫。2002年2月,联邦通信委员会允许UWB技术在履行制定
12、协议的条件下进入民用领域。随着该技术民用化过程的解禁,相关企业纷纷投入到研究当中,超宽带技术研究人员也正式放开拳脚大展身手。经过实验研究数据得出结论,UWB可以在10米的范围内达到数百兆每秒的传输速率,同比其他无线技术传输效率要高。但是有些无线局域网在20米处传输速率则更高。也就是说,不同距离内不同的无线技术传输速率存在差异,UWB并不是一项功能重复的技术。由于UWB将与现有的无线技术共存,并在短距离传输上的优异表现,所以它不会用于远程传输。由于UWB完全不同于现有的无线通信,例如移动电话和无线LAN,所以需要这种带宽。超宽带技术不需要使用载波,在这一点上与其它的通信技术存在着巨大的差别。超宽
13、带利用极快的脉冲信号来传输信息。由于光只能在1纳秒内传播30cm,所以这个脉冲非常的短暂。同样的道理,当使用脉冲来发送信号时,脉冲越小,在一个时间单位内发送更多的信号。带宽越大,可以发送更多的脉冲。不仅能提高速度,而且能有效降低能耗。由于接通时间非常短,所以平均功耗非常低。1.3 发展前景科研工作者结合超宽带通信技术的各种特点,发掘出其在各个领域应用的潜能,发挥出该技术不俗的价值。如:个域网中应用:令其他系统望尘莫及的超强短距传输能力加上与众不同的低输出功率,使其在一定范围内同比性能出类拔萃。在室内使用UWB能够提供非常快速的数据传输,因此UWB特别适合于个域网。使用UWB技术,可以在室内环境
14、利用无线技术快速的实现数据在移动设施和电脑等之间传递。具有类似功能的蓝牙无论是在传输速率还是功耗上,都逊色于此项技术。例如说手机向播放器传输视频文件,如果使用蓝牙则需要的时间将会远远超出使用UWB传输的时间,相差可以达到400倍左右。智能交通应用:利用UWB的定位和搜索能力,可以制造主动探测地形的简易雷达。现在道路的车流量十分大,而行车环境也各不相同。在驾驶员疲劳或者大意的时候,装载了这种雷达的汽车会在探测到车身附近有障碍物或者变化地形的时候,根据智能系统分析距离会及时提醒驾驶员注意避让或者及时停车。利用UWB可还以建立多个互联通信系统,例如自身车身和收费站、道路监控等设备均装备了该技术系统,
15、那么将会获得不断更新的各种数据信息。比如行驶的里程、道路信息和定位信息等等。传感器联网:UWB使用低成本、功耗低,因此UWB非常适合应用在无线传感网上面。传感器通过无线的方式输数据将具有简便快速的特点。无线传感网技术需要相对应的成本比较低廉的设施;同时为了设备维护更换,需要减少损耗。而超宽带技术恰恰具备功耗低的特点。成像应用:由于UWB对于物体的穿透能力比较强,所以UWB自然而然的就应用于成像系统上面。利用UWB技术,可以制造具有一定穿透功能的雷达。该种雷达无论是用于范围侦查还是警用探测,亦或是矿物资源的探查。特别是在一些自然灾难灾后寻人救援方面,亦能发挥奇效。由于UWB有着很多优点,它还可以
16、用于智能标识、有线网络的无线延伸以及在军事方面用来实现超保密的通信系统2。2 超宽带天线的理论基础2.1 技术特点比较之中才能得出优劣。与其它的通信系统相比较,基于超宽带技术的通信系统也有着其与众不同的特点:抗干扰性能:UWB利用脉冲信号传递数据,因此它的输出功率很低,甚至低于有些设备的噪声,所以受到的影响很小。换而言之它能在极短的时间内完成信息传递,也就是说信号的还原度较高。因此,与蓝牙等其他传输技术相比,UWB抗干扰性比较强。传输速率高:UWB在4m内的数据传输速率甚至可以达到480Mbit/s,而蓝牙大概在1Mbit/s左右,其传输能力高下立判。在短距离传输条件下,UWB技术存在着无可比
17、拟的速度优势,令其他技术望尘莫及。带宽极宽:UWB使用的带宽在1GHz以上,甚至再扩大几倍。最关键的是采用一些简单的处理方式后,它能在其他系统工作频率内使用而不产生相互之间的影响。这样一来,不变的频率资源通过一种另类的方式得到了“增加”。系统容量大:因为不需要使用载波而使用脉冲信号,所以UWB系统的频谱很宽,同时也正是因为如此而导致输出功率很低,这样一来UWB系统与其他系统便能共同在一段频谱内使用。因此不变的范围而变相的得到了“扩容”,即提高了频谱利用率,实现了系统容量的变相扩大。发射功率低:由于使用脉冲信号传递数据信息,而产生和接受脉冲信号的时间又非常的短暂,换而言之就是接电时间非常的短暂,
18、所以平均功率低。保密性好:UWB保密性表现为跳时扩频和发射功率谱密度极低两个方面。同时,与其它通信系统的传输信号相比,超宽带的信号隐蔽性较好。通信距离短:随着传输距离的增加,超宽带的传输速率会降低。在短距离的范围内,超宽带强大的传输能力才能得以体现。多径分辨率:基于超短时脉冲信号工作的超宽带技术,也因此具有强大的分辨能力。便携:超宽带技术使用基带传输,其设备功耗小且结构简单。小型化的设计适合便携式装备3。2.2软件介绍HFSS(High Frequency Simulator Structure)是美国 Ansoft 公司开发的全波三维电磁仿真软件,该软件基于有限元法,计算结果准确可靠,界面友
19、好,功能强大,是业界公认的三维 电磁场设计和分析的工业标准4。 HFSS操作简单,易于上手。能够通过短时间内学习掌握建模、设置参数、设置边界条件、设置激励方式等等。通过运行无差错的模型后可以观测电场分析、S参数、史密斯圆图等等,并从中摄取自己所需要的数据信息。HFSS软件可以设计分析天线,并在检查无误运行后得到天线的各种特性,比如增益特性、电场分布特性和幅值变化特性等;绘制极化特性,包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比5。使用HFSS,可以计算: 基本电磁场数值解和开边界问题,近远场辐射问题; 端口特征阻抗和传输常数; S参数和相应端口阻抗的归一化S参数; 结构的本征
20、模或谐振解6。而且,由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案,是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案,提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段,覆盖了高频设计的所有环节7。在同类型的仿真软件中HFSS也同样显得出类拔萃,易于为大众接受。HFSS成为了相关专业学生到专业导师最实用且容易上手的仿真软件。2.3 工作安排本文首先通过查阅资料学习来掌握超宽带技术的基础知识,然后分析超宽带技术的发展历史。查看超宽带天线的国内外发展状况,并根据此状况陈述超宽带技术发展的前景。参考资料学习超宽带技术相关的知识,了解它的技术特点和功能应用。然后安装
21、HFSS 软件,学习其仿真运用知识。查阅资料,讲述该软件的功能和同比其他软件所具有的特点。然后根据要求设计一款具有陷波特性的微带贴片天线,然后学习相关方面的知识。比如说模型构建中的参数设置等,以及如何建模才能达到要求。接下来阐述了微带天线的设计过程,包括材质的选择和模型的构造参数的设置。即确定参考地、介质层、辐射元贴片、微带馈线、波端口激励等的参数。在菜单栏点击Validate查看,发现检测所有步骤都是正确即对话框所有条件都打勾,之后点击Analyze All运行。运行结束后得出普通贴片天线的S参数和电压驻波比曲线图,然后参考资料对该天线贴片开槽,运行仿真后得到S参数曲线图和电压驻波比曲线图,
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