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超宽带脉冲天线研究综述

• 1 引言

  基于短脉冲技术的雷达是超宽带雷达的一种形 式，比其他形式的超宽带雷达如线性调频、伪随机编 码、频率步进信号、随机噪声波雷达占有更宽的带 宽，这种直接发射脉冲的雷达又称为非正弦波雷达、 基带雷达、视频脉冲雷达、时域雷达、无载波雷达等。 这些雷达中的短脉冲多为冲激脉冲，脉冲宽度在纳 秒(ns)级或亚纳秒级，频带宽度在吉赫兹(GHz)级， 比带宽(最高频率与最低频率之比)达10：1，这种频 带对天线提高出了很高的要求。目前这种雷达在远 距离对空目标探测上有一定的应用，但由于功率有 限使其作用距离有限，但在地下目标探测中应用广 泛，如工程地质结构探测、道路下空洞及裂缝调查、 埋设物探测、水坝的缺陷检测、隧道及堤岸探测等，冲激雷达对非金属反步兵地雷的探测具有 相当的优势。探地雷达最小探测深度可在几个厘 米，最大深度可在30～50 m。

  用于脉冲发射的天线有双锥天线或单锥天线， 以及其平面结构的领结天线，TEM喇叭天线等，为 了更好地进行雷达接收后续信号处理及提高探测效 果，展宽天线的带宽、减小脉冲的失真是研究的一条 主线。研究方法多是从时域进行，通过对天线的脉 冲激励，观测天线的辐射电场的时域波形变化，常用 保真系数这一参数来表征脉冲信号的失真程度。时 域有限差分法(FDTD)特别适合用于分析这种瞬态 信号，在这种天线研究中的应用最多；矩量法 (MOM)也可通过多次宽带频点的分析后用傅氏反 变换也可得到时域波形。

  脉冲天线不仅可用于雷达，也可用于通信。UWB通信技术近几年也是国内外的研究热点。 在短距离高速率通信中有很好应用前景，如在个人 无线局域网(WPAN)、家庭数字媒体流传输中的应 用。UWB通信技术有基于冲激脉冲(IR)和多波段 (Multi—band)两种实现方式，FCC在2002年发布的 报告中指定其工作频段在3．1～10．6 GHz，且辐射 功率谱密度不大于一41 dBm／MHz。近几年来基 于这种应用的超宽带天线的研究报道很多，可以说 成为超宽带天线研究的另一主线。研究的目标是使 天线辐射信号的带宽在这一频带内，且多为小型、低 成本、可集成的印刷平面天线结构。

  下文就脉冲天线的时域特性、天线的加载技术、 高功率脉冲天线技术、平面天线技术几个方面进行 了讨论，回顾总结了相应的研究状况。

  2脉冲天线多从时域特性进行研究

  传统的窄带天线多从频域进行参数定义，如方 向性、增益、辐射效率、输入阻抗、有效辐射口径等都 是在一定频率下的数值，这些参数可描述天线性能。 超宽带脉冲天线又称为瞬态天线或时域天线，占有 相当宽的频带，无法从某一频率下的参数描述天线 特性，可以用天线传递函数来描述天线性能，如在整 个宽频带内平坦的幅度响应和线性相位响应就认为 好的性能；也可用类似窄带天线的参数来描述，但有 所不同，多从能量不从功率角度来定义参数，如把 天线天线方向图定义为辐射信号的能量空间分布， 成为发射能量图，而不是一般意义的场强(或功率) 空间分布变图，这就考虑了信号的频谱特性和天线 的发射传递函数。天线波瓣图上某点的值由峰值接 收幅值与上升时间之比来计算，再归一化到最大波 瓣值；波形保真系数作为脉冲天线性能的一个重要 衡量参数，对发射天线保真系数定义为输入电压的 时间导数与辐射场的互相关系数，对接收天线定义 为人射场与接收电压的互相关系数，其值介于0到 1之间。Allen等人给出了时域天线参数的计算 式，并以高斯脉冲作天线激励源，圆锥天线作发射天 线，两种TEM喇叭作接收天线，测试比较了TEM 喇叭天线的方向性、天线有效面积和波形保真性。 喇叭天线在喇叭轴向有最大的辐射，波形保真性也 最好，保真系数最大约为0．85。

  尽管时域天线参数有了计算式，但实验研究中 不方便使用，基于现有的失量网络分析仪和高速采 样示波器等仪器，对这种天线的实验研究还是要从 频域上考查VSWR带宽、增益、收发天线问的传递函数等。在时域，采用FD7FD可以对天线辐射脉冲 波形进行模拟，大多文献给出了激励脉冲与响应波 形的比较图，以考查波形保真度。也有时域近场方 向图测试系统研制出来用于脉冲天线的测量。

  3 天线加载技术展宽频带以提高脉冲 辐射特性

  线天线的带宽与其长粗之比有关，长粗之比越 小，带宽越宽。天线加载提高带宽的原理是从天线 的馈电端到天线末端的电阻以线性或指数关系增大 变化，使得激励电流在天线上从馈电处到天线末端 逐惭减小到零，消除天线馈电端与末端的多次反射 (振铃)，使天线上的电流为行波分布。天线的激励 脉冲多为高斯脉冲或微分高斯脉冲形式，这种脉冲 有很强的低频成分，提高天线的辐射带宽，特别是低 频端的带宽可以减小辐射脉冲的失真，有利于接收 机的接收。无反射式连续电阻加载天线的理论在 1965年就由T．T．wu等人提出，文献比较全 面地分析了五种加载模型技术对脉冲辐射单极子天 线的时域波形、保真系数、反射系数、增益的影响，分 析结果可知，基于“wu—King”分布的电阻加载和阻 容加载方式天线的反射最小且波形保真度最高。近 几年国内也有不少这样的分析研究报道证实 了加载展宽频带和减小波形失真，并对线单极子改 进为球形、锥形或泪滴形天线结构。这些研究还多 是停留在基于FDTD或MOM数值分析方法的理 论分析上，实验研究或应用的文献还很少有见到。

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