UWB天线的简介

超宽带及其应用

超宽带技术的最初形式为脉冲无线通信，起源于20世纪40年代，从其出现到20世纪90年代之前，UWB技术主要作为军事技术在雷达和低截获率、低侦侧率等通信设备中使用。近年来，随着微电子器件的技术和工艺的提高，UWB技术开始应用于民用领域。超宽带通信是一种不用载波，而通过对具有很陡上升和下降时间的脉冲进行调制(通常，脉冲宽度在0.20-1.5ns之间)的一种通信，也称为脉冲无线电(Impulse Radio).时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。它具有GHz量级的带宽，并因其发射能量相当小，因此可能在不占用现在已经拥挤不堪频率资源的情况下带来一种全新的语音及数据通信方式。

超宽带要求相对带宽[4]比高出20%或者绝对带宽大于0.5GHz，其传输速率可超过100Mbps，具有这样特性的系统称为UWB系统。

图1.1 超宽带频谱图

UWB由于占有带宽达到数GHz，即使传送路径特性良好也会产生失真，但其具有以下的优点，使得UWB仍然倍受重视。

1、 抗干扰性能强：UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益，因此，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。

2、 传输速率高：UWB的数据速率可以达到几十Mbps到几百Mbps.

3、 带宽极宽：UWB使用的带宽在1GHz以上。超宽带系统容量大，并目可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。

4、 消耗电能小：通常情况下，尤线通信系统在通信时需要联系发剔载波，因此，要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬时脉冲电波，则只在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。

5、 保密性好：UWB保密性能表现在两方面:一方面是采用跳时扩频，接收机只有己知发送端扩频码时才能解出发射数据:另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。

6、 发送功率非常小：UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于Im w的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源的工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。这样，UWB的应用面就广。

7、 定位精度高：信号的定位精度与其带宽直接相关，UWB信号的带宽一般在500MHz以上，远远高出一般的无线通信信号，因此，其所能实现的定位精度也很高。基带窄脉冲形式的信号，因为其带宽通常在数GHz，所以其定位精度更是可以高达厘米量级。而且，它把多路径的时延分解到Ins以下，这样就能充分抑制多路径衰落的影响：利用高的路径分解能力，可用UWB实现室内的高速高质量近

距离无线通信:发送功率极低，不对其它宽带传输带来影响口。

下面，把USB技术用于天线、雷达和通信这三个方面的做简单介绍： 一、超宽带天线

超宽带天线顾名思义就是带宽非常宽的天线，这种说法其实是在频域的对天线带宽的定义是就某个参数而言，天线的性能符合规定标准的频率范围。 在此范围内天线的特性如输入阻抗、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等在允许的范围内。也就是，某项给定的技术指标不超出给定的范围所对应的频率范围。其实这正是传统的窄带天线性能分析方法。因为以前窄带天线要发送的信号基本都是己经调制过的正弦波信号，所以在设计天线时对带宽并没有要求非常苛刻(极宽的带宽)。只要针对某个载波频率设计就可以了，在这个载波频率附近天线的性能满足要求，变化不大。

但是，当要发送的信号不是正弦波调制信号天线就不能满足要求了，而是儿百皮秒或者纳秒级的窄脉冲信号时，一般的窄带那么传统的宽带天线能否满足要求呢？UWB天线与常规意义上的宽带大线还是有着显著区别的。常规的宽带天线大都是非频变天线，是指天线可以根据无线系统需要工作在不同频段，而并不是指天线地各个部分同时在整个宽频段内工作。例如TEM喇叭天线，对数周期偶极子天线和自相似螺旋天线都是典型的宽带天线，虽然可以工作在宽频带内的多个频率上，但是由于其相位中心和VSWR是随频率变化的，导致了信号时域上的色散[6],如图1.4所示，因而不适合于发射和接收UWB信号。因此，对于UWB天线来说，固定的相位中心和低驻波电压比是非常重要的两个电指标，它们决定着UWB天线的性能。

1、其特点：

在窄带通信系统里，传统的天线参数，例如输入阻抗匹配、效率、波瓣指向、波瓣宽度、副瓣电平、方向系数、增益、极化等等，被用来评估天线的技术性能，因此天线工程师只要根据这些参数的确定就能评估天线。但是在超宽带应用中，由于天线发射窄脉冲序列，系统要求天线的相对带宽很宽，情况就变得很复杂，

因此超宽带天线也就有了不同于传统窄带、宽带天线的一些技术特点，主要表现如下：

1、 在工作带宽内要保证UWB天线具有很好的匹配阻抗，这要求UWB天线在整个工作频带内驻波电压比低而平稳。驻波电压比（VSWR）是衡量天线输入/输出之间阻抗匹配额的参数，要求在工作带宽内，驻波电压比越小越好，既要求天线的反射波很小。同时，在UWB脉冲源输出端安装一个隔离器，以减小天线反射波对脉冲源的影响。

2、 要使辐射的极窄脉冲波形尽量不失真，尽量减小频率色散和空间色散，这就要求UWB天线在整个工作频带内相位中心不变。相位中心的变化可能会导致发射脉冲失真和接收机的性能变坏。

图1.2 对数周期天线（左上）发出色散电磁波（右上） 椭圆偶极子UWB天线（左下）发出非色散电磁波（右下）

3、 在工作带宽内天线要保证具有高而稳定的辐射效率。尤其是对于移动设备的UWB通信，由于设备功率受限，则对功率稳定性要求更高。如式(1.1)所定义的UWB天线的效率，其中激励源功率P和回波损耗S11(f)，而且海域源（f）inc脉冲的频谱有关。为了增加辐射效率，在工作带宽内要求源脉冲电路和UWB天线之间有很好的阻抗匹配。

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?P?f?dfinc04、 在工作带宽内天线还要保持具有稳定的天线增益、极化，在各个频点上的功率方向图要大致相同。

2、各种超宽带天线介绍

目前超宽带天线主要有加脊喇叭、TEM喇叭、单极子和偶极子、螺旋天线、双锥天线、Vivaldi天线等等,他们性能各异，原理不同。

各种天线时域、频域特性比较 Table 1. Plots for Ridged TEM, LPD, and Monopole. Antenna Geometry Normalized Impulse Response Frequency Response (dB) Table 1. Plots for Ridged TEM, LPD, and Monopole. Antenna Geometry Normalized Impulse Response Frequency Response (dB) Monopole (5GHz) TEM Horn Archimedean Spiral Ridged TEM Biconic Vivaldi LPD (log-periodic) Monopole (1 to 1.1 GHz)

二、超宽带雷达

超宽带( UWB)雷达是近年来国内外正在深人研究的一种新体制雷达，美国国防部己连续几年把它作为关键技术列入研究计划。与常规的窄带雷达相比，它抗干扰能力强，容易从强杂波背景中检测目标，能识别目标的属性，可对目标成像等诸多优越性，特别是它具有良好的反隐身潜力，因而受到了广泛的重视。美 国和俄罗斯是世界上在该领域研究较先进的国家。超宽带雷达在军事方面有着良好的应用前景，特别在隐身目标探测、目标识别、对抗反辐射导弹等方面有重要应用。

1、反隐身

目前人们所说的隐身技术主要指无源隐身技术。具体包括外形隐身技术和材料隐身技术。为了达到隐身的目的，隐身飞机采用了多面、多锥体和飞翼式布置及燕尾设计，把机身与机翼融为一体。此外还通过内置发动机和油箱等措施将机身的突出部位减少到最低程度，使整架隐身飞机形成一种平滑的过渡．以消除角反射效应。 材料隐身是通过在飞行器表面涂覆吸波材料来减小雷达散射截面（RCS）。目前的技术条件下，吸波材料一般都是窄带宽的，而且都是针对常规雷达的频段设计的，因此它对常规雷达具有很好的隐身能力。

然而，超宽带雷达由于具有很大的带宽，因此吸波材料即便吸收，也只是总能量的一小部分。其隐身性能对超宽带雷达来说，效果将大打折扣。另外，吸波材料大部分为铁氧体的电磁波吸收体，其吸收机理是磁壁共振和磁畴旋转共振引起的电磁波损耗，这就是铁氧体的驰豫现象。由于磁壁共振和磁畴旋转共振的建立需要一定的时间，当一个极短的超宽带雷达脉冲作用于吸收体时，在此时间间隔里共振还无法建立，吸波材料难以吸收波的能量，使其无法实现材料隐身，因此说超宽带雷达具有优越的反隐身能力。

探测森林中的隐藏目标，在美国，斯坦福研究所报告了采用机载超宽带合成孔径冲击示范雷达的试验结果。它工作的频率在100兆赫到600兆赫，能够探测到中美洲密林中的坦克和卡车，达到了1米的方位和距离分辨率。而且，超宽带雷达还可以用于地面地雷的探测。

2、目标识别

目标的几何形状和材料唯一地决定了目标的超宽带雷达信号特性。因为各种目标都有其不同的形状和材料，所以原则上总可以根据被测量到的超宽带雷达信号特性来识别目标。

从原理上来说，窄带雷达和宽带雷达的不同之处在于距离分辨力。对于远距离作用雷达，在微波频段，窄带雷达的距离分辨力大于目标尺寸。超宽带雷达分辨力高，小于目标尺寸的十分之一。高空间分辨力和宽频谱的结合为目标识别提供了雷达回波的两个特征。从目标散射中心返回的超宽带雷达回波是一系列回波，而不是窄带的一个集中回波，这些回波携带了一系列不同角度的信息．可通过逆合成孔径处理进行目标成像，如果所成的像具有足够多的细节以区分相似的

飞机类型，那么目标识别就成为可能。

3、抗反辐射导弹

反辐射导弹是利用留达信号的到达角度、到达时间及载波频率等参数来对雷达信号做出测向、识别的。超宽带雷达信号呈现低截获概率特性，反辐射导弹难以对其进行截获。反辐射导弹的导引头难以有效处理冲击雷达信号，信号的利用概率低，很难进行有效的寻的制导。

三、UWB通信系统

1.超宽带（UWB）系统与窄带系统的对比 超宽带U W B 窄带 小尺寸并具有一定增益和超宽频小尺寸、高Q、高增益带的天线设计：低阻抗和良好的宽带的天线容易实现， 匹配较难实现，需要对天线和前端机50Ω阻抗易于匹配， 综合设计 天线和前端可独立设计 超宽带LNA 功耗大， 窄带LNA 容易实现阻 实现宽带匹配难， 抗匹配。 RF 前端 前端机需要加AGC， 对于非恒定包络调制对线性要求低 需要很高的线性度，需要严格的滤波 中频 不需要中频 需要AGC,混频器, RF振荡口，P L L 需要宽带高速A/D 转换器， 窄带A/D 转换器容易模拟基需要扩展时延采样技术， 实现，一般只需要2倍数带 需要数字采样示波器技术 据速率 需要连续检测并要有极高的时间非连续检测 数字基分辩率，需要精确的时钟参考源 带 天线 其它 本机噪声、外来载波干扰阻塞问要考虑负载牵引、本题， 振泄漏和由功放引起的UWB 的信道特性不十分清楚，正在本振牵引等问题。 研 对窄带信道的衰落特究 性较清楚 2、USB通信技术特点

现在有许多公司在进行UWB技术的研究开发工作。美国XtremeSpectrun公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组，它采用双相调制技术和IEEE802.15.3MAC协议，传输速率达到100Mb/s。

（1）、传输速率高，空间容量大

根据香农（ShannON）信道容量公式，在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，系统无差错传输速率的上限为C=BXlog2(1+SNR)式中，B（单位：Hz）为信道带宽，SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz～76Hz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb／s的传输速率。例如，如果使用76Hz带宽，即使信噪比低至－10dB，其理论信道容量也可达到1Gb／s。因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合（如高速WPAN）是非常合适的，可以极大地提高空间容量。理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空间容量比目前WLAN标准IEEE 802.11a高出1～2个数量级。

（2）适合短距离通信

按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1～10.66Hz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数SNRr（d）。根据香农公式，信道容量可以表示成距离的函数C(d)=BXlog2[1+SNRr(d)]

另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。研究表明，当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于5GHz频段的WLAN系统，收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。因此，UWB系统特别适合于短距离通信。

（3）具有良好的共存性和保密性

由于UWB系统辐射谱密度极低（小于41.3dBm／MHz），对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。

（4）多径分辨能力强，定位精度高

由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此，UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。对于通信系统，必须辩证地分析UWB信号的多径分辨力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散（频率选择性衰落），接收机必须通过牺牲复杂度（增加分集重数）以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折中考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。

（5）体积小、功耗低

传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制／解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。FCC对UWB的新定义在一定程度上增加了无载波脉冲成形的实现难度，但随着半导体技术的发展和新型脉冲产生技术的不断涌现，UWB系统仍然继承了传统UWB体积小、功耗低的特点。

四、来来发展方向和趋势

它被认为是对目前被炒得沸沸扬扬的无线互联（Wi-Fi）技术最具竞争性的技术。虽然目前超宽带的发展面临诸多挑战，但是，我们有理由相信，在未来几年将会有更大的突破。在民用超宽带和移动式通信设备种超短带天线的发展也会朝着小型化、高效率、稳定增益、宽频带、超短快速脉冲响应的方向发展。而在雷达方向，则偏向于高功率、高效率、高增益、超短快脉冲响应方向发展。只有当超宽带系统中脉冲发射接收不再受到天线的制约之时，该领域的发展才会取得重大突破，否则它将永远收到现在。从这一点也得一看到其巨大的市场前景。

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