超宽带天线设计及其阵列研究概要

2020年第08期86UWB 超宽带无线定位系统研究与设计陶　凯华北电力大学，北京 102206摘要：文章以高精度定位需求为出发点，结合泛在电力物联网建设思想，采用 DecaWave 公司的 DW1000作为UWB（ Ultra -Wide Band，超宽带） 无线收发器，ST 公司的 STM32单片机作为定位系统的核心控制器，设计了UWB 定位系统基站标签一体化的硬件平台。

该平台可应用于电厂连续堆取料的斗轮机等高效装卸机械作业中，实现电厂堆取料作业的自动化。

在软件算法实现上，采用双向测距的机制准确估计基站（anchor）与标签（tag）之间的距离，通过下位机的硬件模块将测距信息发送给上位机进行处理。

上位机软件根据飞行时间（TOA -Time of Flight）定位算法计算标签与基站的距离，利用多个距离数据可计算出目标标签在三维空间中的坐标值。

此外，在坐标运算过程中采用改进的泰勒算法进行误差消除，从而完成高精度室内定位系统的设计与实现。

关键词：无线定位；UWB；飞行时间；定位系统；双向测距中图分类号：TN925.930 引言在巨大的市场需求的驱动作用下，建立室内实时定位系统（Real Time Location Systems，RTLS）［1］成为目前研究的焦点。

在定位系统的研究与设计中，UWB（Ultra -wideband，超宽带）技术已经在无线通信领域应用得极为广泛［2］。

相比于其他的传统无线信号，超宽带技术信号拥有更大的带宽，其频率范围在3.1 GHz~10.6 GHz ［3］。

同时，超宽带技术信号具有非常低的功率谱密度、高的时间分辨率［4］和良好的抗多径能力［5］。

因此，采用 UWB 技术的室内定位系统具有很高的实用价值。

在UWB 定位系统中，无线收发数据的芯片主要使用的是来自著名公司DecaWave 的产品——DW1000（超宽带无线收发芯片），该芯片根据基站与标签之间无线信号在空气中传播的时间（即飞行时间）来计算出该组物体之间的间隔距离，使用的测距算法为双边双向测距算法（dual -Sided Two -wayrange，DS -TWR）。

宽带宽角扫描相控阵天线系统随着无线通信技术的快速发展，相控阵天线系统在雷达、无线通信和电子战等领域的应用越来越广泛。

宽带宽角扫描相控阵天线系统具有宽频带、高角度覆盖和快速扫描等优势，成为当前研究的热点。

本文将介绍宽带宽角扫描相控阵天线系统的设计思路、实验结果及总结与展望。

关键词：相控阵天线、宽带宽角扫描、相控阵列、天线元、波束形成相控阵天线系统最早应用于军事领域，通过控制天线阵列中天线元的相位和幅度，改变波束的方向和形状，实现扫描和跟踪目标。

随着科技的不断发展，相控阵天线系统的应用逐渐扩展到民用领域，如无线通信、导航和雷达等。

宽带宽角扫描相控阵天线系统能够在宽频带内实现高角度覆盖和快速扫描，提高系统的抗干扰能力和目标检测能力，具有很高的应用价值。

宽带宽角扫描相控阵天线系统的设计思路主要包括以下方面：天线元设计：为了实现宽带宽角扫描，需要设计具有宽带性能的天线元。

可以采用偶极子、贴片天线或波导缝隙天线等，并优化其结构以实现宽频带覆盖。

相控阵列设计：根据应用需求，设计合适的相控阵列规模和排列方式。

为了实现高角度覆盖，需要合理设计天线元的激励幅度和相位，以及它们在阵列中的排列方式。

波束形成网络设计：采用合适的波束形成网络，实现天线元激励的幅度和相位的控制。

可以使用模拟移相器、数字波束形成器或其他波束形成网络来实现。

控制系统设计：为了实现快速扫描，需要设计高效的控制系统，包括数据采集、处理和传输等环节。

可以采用高速数字信号处理器或其他专用控制芯片来实现。

我们设计并制作了一个宽带宽角扫描相控阵天线系统，并对其实进行了实验测试。

实验中采用了24个天线元组成正方形阵列，每个天线元为24GHz双极化贴片天线。

通过波束形成网络对天线元进行激励，实现波束的高角度覆盖和快速扫描。

实验结果表明，该系统在20GHz 频带内具有良好的宽带性能，并且在40°扫描角度范围内波束形状变化平滑，角度分辨率达到5°。

UWB阵列信号处理算法研究一、前言随着无线通信和定位技术的发展，尤其是 5G 网络的广泛应用，人们对无线数据传输的速度和距离要求越来越高。

这就需要更精确、更快速的信号处理算法来支撑这些应用。

UWB 阵列信号处理算法是一种应对这些需求的有效方式。

二、什么是 UWB 阵列信号处理算法UWB（Ultra Wide Band）广义上指的是信号带宽大于 25% 的信号，但实际运用中一般指带宽大于 500MHz 的信号。

UWB 技术可以克服传统无线通信技术的诸多限制，比如抵抗干扰和多径衰减等。

而阵列信号处理算法则是利用阵列天线接收到的信号进行精确定位或者信号处理的技术。

UWB 阵列信号处理算法结合了这两种技术，它利用 UWB 技术接收信号后，通过算法处理得到所需的信息。

比如可以利用 UWB 阵列信号处理算法进行高精度的测距和定位，可以实现毫米级的定位精度和高速数据传输等功能。

三、UWB 阵列信号处理算法的应用UWB 阵列信号处理算法的应用非常广泛，涵盖了室内定位、室外定位、UWB 通信、UWB 信号检测等领域。

下面简单介绍几个 UWB 阵列信号处理算法的应用案例。

1.室内定位室内定位需要在复杂的室内环境下实现精确定位功能，传统的 GPS 定位技术难以满足这种需求。

利用 UWB 阵列信号处理算法，在室内环境下可以实现精准的定位。

2.室外定位UWB 阵列信号处理算法还可以用于室外定位，因为室外环境多变，加之电磁波在空气中会出现多径效应，对定位造成影响。

利用 UWB 阵列信号处理算法，可以克服这些影响，实现高精度的定位。

3.UWB 通信传统的无线通信技术受到带宽限制和多径效应等因素的影响，通信距离较短。

而 UWB 技术由于带宽和信号功率大，在短距离通信中表现出良好的性能。

利用UWB 阵列信号处理算法可以进一步提升 UWB 通信的性能，实现高速稳定的数据传输。

4.UWB 信号检测在电磁环境中 UWB 信号易被其他电子产品干扰，为此需要对 UWB 信号进行检测和干扰消除。

2021.10设计研发2-18GHz超宽带斜极化水平全向天线设计徐瑶俊，樊雪婷，郭庆功(四川大学电子信息学院，四川成都，610065)摘要：设计了一款2-lSGHz斜极化的全向天线，天线由一个超宽带水平全向的双锥天线和一个五层斜极化器构成。

通过增加卷边结构以及优化双锥天线母线长度，改善了超宽带双锥天线低频增益不足和高频方向图裂瓣的现象，釆用五层极化栅结构使辐射电场由垂直极化均匀的转换为45°斜极化。

使天线在2-18GHZ内电压驻波比(VSWR)小于2,不圆度小于3.5dB,0.89<|£fl|/<1.15,165°<AE e-5,<186°,具有良好的斜极化性能。

关键词：全向天线；超宽带；斜极化；双锥天线Slant-Polarized Horizontal Omnidirectional Antenna for2-18GHzUWB ApplicationsXu Yaojun,Fan Xueting,Guo Qinggong(School of electronic information,Sichuan University,Chengdu Sichuan,610065) Abstract：The article designed a2~18GHz obliquely polarized omnidirectional antenna.The antenna consists of an ultra wideband horizontal omnidirectional biconical antenna and a five layer t订ted polarizer.By increasing the curl strueture and optimizing the bus length of the biconical antenna, the phenomenon of low-frequency gain deficiency and high-frequency pattern split of the ultra wideband biconical antenna is improved.The radiation electrie field is uniformly converted from vertical polarization to45°oblique polarization by using a five layer polarization grid structure.The VSWR is less than2,roundness is less than 3.5db,0.89<|场|/隔<1.15,165。

基于典型结构的共形阵列天线设计技术研究基于典型结构的共形阵列天线设计技术研究一、引言共形阵列天线是目前无线通信领域中一种常用的天线结构，其能够实现多种天线功能，如波束形成、多输入多输出（MIMO）等。

然而，目前的共形阵列天线设计存在着一些问题，如天线尺寸较大、频率选择性较强、成本较高等。

为了解决这些问题，本文通过研究基于典型结构的共形阵列天线设计技术，以期提高天线性能并降低设计成本。

二、典型结构概述典型结构是指与所研究的共形阵列天线相似的模型或构造。

典型结构的选择应基于天线的设计要求和目标。

在共形阵列天线设计中，常用的典型结构包括一维和二维的线性阵列、圆形阵列、方形阵列等。

不同的典型结构具有不同的特点和优势，在实际应用中需要根据具体情况进行选择。

三、共形阵列天线性能分析共形阵列天线的性能主要通过以下几个指标来评估：增益、波束宽度、辐射效率、频率选择性和天线尺寸等。

1.增益：共形阵列天线的增益是衡量其向特定方向辐射能力的指标。

天线的增益越大，其辐射功率越强，传输距离越远。

2.波束宽度：共形阵列天线的波束宽度是指天线的主瓣方向上辐射功率下降到峰值功率的一半所对应的角度范围。

波束宽度越小，天线的指向性越强。

3.辐射效率：共形阵列天线的辐射效率是指天线所提供的辐射功率与其所消耗的输入功率之比。

辐射效率越高，天线的性能越好。

4.频率选择性：共形阵列天线的频率选择性是指天线在一定频率范围内对不同频率的信号的响应程度。

频率选择性越小，天线对不同频率的信号的响应越均匀。

5.天线尺寸：共形阵列天线的尺寸与其工作频率和波束宽度有关。

通常情况下，天线的尺寸越大，其工作频率范围越宽，但也会增加天线的成本和制造难度。

四、基于典型结构的共形阵列天线设计技术基于典型结构的共形阵列天线设计技术主要包括以下几个方面的研究内容：1.共形阵列天线的结构优化：通过对不同典型结构的优势进行比较和分析，选择合适的结构以满足设计要求。

同时，针对不同结构进行参数优化，以提高天线的性能。

一种新型UWB平面单极子贴片天线设计引言：超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种基于宽带脉冲信号的通信技术，能提供高速、低功耗、高容量的无线通信。

在UWB系统中，天线的设计是至关重要的。

在本文中，我们将介绍一种新型的UWB平面单极子贴片天线设计。

设计原则：1.超宽带频段：根据UWB技术的定义，该天线应该在3.1GHz至10.6GHz的频段内具有良好的性能。

2.尺寸紧凑：该天线设计应该尽可能小巧，以便于集成到各种应用中。

3.高效率：该天线应该具有高辐射效率以提供高品质的通信连接。

4.平面化设计：平面单极子贴片天线具有较低的体积和重量，适合于集成到基于PCB的设备中。

设计流程：1.频带选择：根据UWB频段的要求，选择适当的频带。

2.初始几何结构：设计一个简化的电极结构，如直线或矩形形状。

3.参数调整：根据模拟仿真结果和电磁理论进行参数调整，优化天线的性能。

4.优化结构：使用优化方法进行结构优化，以获得更好的性能。

5.确定最佳结构：根据最终的仿真和优化结果，确定最佳的天线结构。

6.制作和测试：将设计好的天线制作成样品，并进行性能测试和验证。

设计结果：根据上述的设计流程，我们设计了一个新型的UWB平面单极子贴片天线。

该天线具有以下特点：1.频带范围广：在3.1GHz至10.6GHz频段内具有良好的性能，满足UWB技术的要求。

2.尺寸紧凑：天线尺寸小巧，适合于集成到各种应用中。

3.高辐射效率：天线具有高辐射效率，提供稳定且高品质的通信连接。

4.平面化设计：采用平面单极子贴片天线结构，体积和重量较轻，适合于基于PCB的设备集成。

测试结果表明，该天线在UWB频段内具有良好的性能，满足了设计原则和要求。

未来，我们将进一步研究该天线的实际应用，并不断优化其性能。

结论：本文介绍了一种新型的UWB平面单极子贴片天线的设计。

该天线设计在频带范围、尺寸、辐射效率和平面化设计等方面都具有良好的性能。

通过该设计，我们可以实现高品质、稳定的UWB通信连接。

基于HFSS的超宽带天线仿真设计超宽带技术（uhra-wideband/UWB）是一种新型无线通信技术，它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有Ghz量级的带宽。

不同于普通的载波调制，直接在时域中进行信号操作，所以UWB方式占用带宽非常宽，且频谱功率密度极小，具有通常扩频通信的特点。

在与其他系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其他系统干扰的优点。

摆脱了传统通信技术中在带宽和通信质量之间取舍两难的境地，在频率资料日益紧张的今天这种优势显得尤为突出。

这种优势使得超宽带技术首先在雷达等军用领域得到较为广泛的应用。

近年来，超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视，在雷达跟踪、无线通信、穿透障碍物成像、武器控制系统、测距、精确定位等领域大展拳脚，它的应用也从军用领域逐渐过渡到民用领域。

由于超宽带系统的特点，对超宽带天线的特性又提出了不同于一般天线的要求。

本着对知识的求真探索的精神，设计出性能优良的超宽带天线，得要从实际实验出发，但现实条件有限：一是天线测试场地要求较高，难以满足；二是天线测量设备昂贵，院校测量设备有限；三是天线种类繁多，很多天线的制作要求较高，周期较长等，降低了实验的可实施性。

所以AnsoftHFSS、CSTMICROWA VESTUDIO等为代表的电磁仿真软件应运而生，解决了实际实验中一系列问题。

下面将利用HFSS软件进行超宽带天线仿真实验并进行优化设计。

HFSS仿真软件的介绍高频结构仿真器（HighFrequencyStructureSimu-lator）是美国Asoft公司开发的一款电磁仿真软件。

这是一款用于解决复杂电磁学问题的计算机辅助设计软件。

HFSS是一种基于有限元分析法的电磁仿真辅助软件。

它的计算结果非常准确，是业界公认的可靠的电磁仿真软件。

采用图形用户界面，界面简洁直观，操作简单。

在仿真过程中，用户创建或者导入相关模型并设置边界条件和激励等，软件就能自动进行仿真计算并得到用户需要的相关结果。

微带贴片天线阵列的研究与设计随着无线通信技术的快速发展，天线作为无线通信系统的重要组件，其性能和设计受到了广泛。

微带贴片天线作为一种常见的平面天线，具有体积小、重量轻、易于集成等优点，被广泛应用于现代通信系统中。

本文将重点探讨微带贴片天线阵列的研究与设计。

微带贴片天线的基本原理是利用微带线来传输信号，并在贴片表面形成电磁场，从而实现电磁波的辐射和接收。

微带贴片天线的应用范围广泛，如移动通信、卫星通信、雷达等领域。

为了满足现代通信系统的需求，微带贴片天线阵列的研究与设计成为了关键。

微带贴片天线阵列的研究与设计方法包括理论分析、实验测试和数据分析。

理论分析是研究微带贴片天线阵列的基础，通过建立模型来分析天线的辐射特性和性能参数。

常用的分析方法包括电磁场理论和有限元法等。

实验测试是研究微带贴片天线阵列的重要环节，通过测试数据来验证理论分析的正确性。

实验测试包括天线性能参数的测量和辐射特性的测试等。

数据分析是对实验测试结果进行处理和解释的过程，通过对比不同数据来优化天线阵列的设计。

实验结果表明，微带贴片天线阵列具有优良的性能特点和优势。

微带贴片天线阵列的辐射性能较强，能够实现方向性和增益的控制。

微带贴片天线阵列的带宽较宽，有利于实现多频段通信。

微带贴片天线阵列易于集成和制造，具有较低的成本和较高的可靠性。

这些优点使得微带贴片天线阵列在未来通信领域中具有广泛的应用前景。

本文通过对微带贴片天线阵列的研究与设计，总结了其性能特点和优势，并指出了微带贴片天线阵列在技术创新和应用推广方面的意义。

微带贴片天线阵列作为一种重要的平面天线，具有广泛的应用前景。

在未来的研究中，可以进一步探索微带贴片天线阵列的高效设计和优化方法，提高其性能和可靠性，以满足不断发展的无线通信需求。

随着无线通信技术的快速发展，天线作为通信系统中关键的组成部分，其性能和设计受到了广泛。

特别是高性能宽带双极化微带贴片天线，其在无线通信领域具有广泛的应用前景。

Vivaldi天线小型化及组阵研究本文首先介绍了现在常用的一种天线即Vivaldi天线，分别研究了Vivaldi天线的优缺点。

因其良好的辐射特性而被广泛使用，且具有结构不复杂易于制造等特点，更容易实现天线宽频宽带的目的。

随后对Vivaldi天线的组阵技术作了研究，对组阵后的Vivaldi阵列进行分析。

最后对Vivaldi 天线的散射特性作简要介绍，说明了Vivaldi天线在实际生活中的广泛应用。

1 Vivaldi天线1.1 Vivaldi天线原理简介随着天线技术的快速发展，小型化、超宽带等特性越来越被天线设计研究者所重视。

微带天线因其结构简单易于馈电、易于共形加工等特点而被广泛应用于微波通信的各个领域中。

微带天线通常采用的一类微带天线即在一个薄介质基板（如聚四氟乙烯）上，一面涂层金属薄层作为接地板，另一面用蚀刻等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就是微带天线的简单结构。

可以看出，微带天线结构简单易加工，方向性好，不管在民用还是军用中都有良好的发展前景。

而Vivaldi天线即属于微带天线，不但具有微带天线制造上的简易的优点，更具有超宽带的良好特性，使其在实际应用中表现出色，也开始被广泛关注和研究。

Vivaldi天线在蚀刻面采用渐变槽式，蚀刻线为一种连续成比例的渐变曲线，而这部分渐变结构的缝隙即为天线的辐射单元。

Vivaldi 天线是一种线极化天线，辐射电场矢量方向与介质平面平行。

通过已有的一些文献研究结果可以发现，对于Vivaldi天线，频带的最低频率与其开口的宽度有直接关系。

Vivaldi天线在不同频率下，只有槽线宽度与波长接近的部分有有效辐射。

随着工作频率的改变，辐射部分也随着变化，而这部分槽线的宽度与辐射波长直接成比例。

可以看出，Vivaldi天线在体积较小且结构比较简单的前提下，实现了超宽带特性，而且由于加工简单，可以适用于大批量生产的情况，因此得到了快速的发展。