具有寬頻帶的天線可以稱之為寬頻天線。天線上的電流是駐波分布的，其阻抗特性和方向特性都隨頻率改變，因此它們的頻帶都很窄。但在某些通信中需要寬頻帶的天線。大約在一個倍頻程內，天線的方向特性和阻抗特性沒有顯著變化的天線可稱為寬頻天線。
基本介紹
- 中文名：寬頻天線
- 外文名：Broadband antenna
- 又稱：寬頻天線
發展概況,展寬天線頻帶方法,寬頻優勢,系統構架,主要套用,
天線是把高頻電磁能（信息）通過各種形狀的金屬導體向空間輻射出去的裝置。它也可以接收空間的電磁能（信息）。就是說發射天線與接收天線無根本性差異。
天線有磁場天線和電場天線。磁場天線的測量頻段為25HZ-30MHZ,而電場天線的測量頻段則在10KHZ-40GHZ範圍。根據用途的不同，天線又分有源和無源兩類。電磁兼容測量中多使用寬頻天線。
寬頻天線指的是有較寬頻寬的天線，如：圓錐天線、V 錐天線、TEM喇叭天線、對數周期天線、螺旋天線、波紋喇叭天線、微帶天線、新型天線以及電小天線
發展概況
歷史上，寬頻天線的發展大致可以分為以下幾個階段：20世紀50年代以前是早期發展階段，主要面向廣播電視通信套用；20世紀50年代到90年代初，是寬頻天線的蓬勃發展時 期，在這一階段提出多種寬頻和非頻變天線的設計理論，並在各類通信及雷達探測方面得到廣泛套用；20世紀90年代是現代意義上的UWB天線發展的初期，但直至2002年FCC開放民用的UWB設備使用頻段，套用在短距無線通信中的UWB天線的研究設計才真正地發展起來。
早期的寬頻天線與脈衝天線設計具有多樣性。自1886年徳國物理學家赫茲在實驗室中證實了Maxwell方程以來，在無線電套用中扮演能量輻射和接收角色的天線也得到了廣泛研究.Hertz演示的無線電系統，使用了一個長度為半個波長的偶極子傳送一個火花脈衝並在附近的諧振圓環內進行檢測，該實驗中所使用的天線結構可以認為是最早的寬頻天線。1898年，英國物理學家Lodge對其設計的一個諧振無線系統申請了專利，在這個專利當中，他認為在系統中採用如錐體或三角形金屬板這類具有擴展角度並將其頂點相對放置的結構更為有利，為此提出了球形、方形平板、雙圓錐和蝴蝶結形等多種結構形式的偶極天線（見圖1.12),此外他還介紹了將地面作為地的單極天線設計理論，這是天線設計上的一大突破。義大利工程師Marconi在1901年進行了從英格蘭到紐芬蘭的長距離的無線信號傳送實驗，使用了由幾十根線結構構成的倒錐形與大地構成的單極天線來進行發射和接收，實現了天線進早的商業套用。但隨著對窄帶連續波無線系統研究的日益深入以及有效的窄帶信號發生器的出現，具有緊湊結構和低成本的細線單極天線和環形天線日漸成為當時主流，而寬頻天線結構複雜、體積龐大，其需求日益降低，發展也進入了一個停滯階段。
20世紀30年代，無線電套用頻率已達30 MHz,波長的減小使得四分之一波長的天線具有可操作性。1933年寬頻信號頻率調製方法的發明使得無線系統頻寬達到150kHz以上，而電視的發明則將信號頻寬展至數MHz的量級。在這一階段，具備高性能、寬頻帶特性的天線重新成為研究熱點.1939年Carter對雙圓錐偶極天線和圓錐單極天線進行了重新設計並將其用於短波套用，同時針對Lodge原先的天線結構使用了一種漸變式的饋電方法，這也是天線設計史上首次在傳輸線和輻射單元之間採用過渡性饋電結構。更為突出的寬頻天線結構是Lindertbald設計的用於電視信號傳送的同軸喇叭式天線，該結構在同軸末端將內芯和外芯向外漸變擴展其直徑，內外芯中間的空隙部分漸展成一喇叭結構。 到20世紀40年代，寬頻天線的設計都遵循著結構逐漸展開的模式，認為天線越“胖”越有利於寬頻的實現。Schelkunoff和Friis設計了一系列具有這類性質的天線結構，並對其進行了專門的理論探討，Kraus發明的火山煙狀天線也是這類天線的典型代表，見圖1. 13。 在40年代後期，基於電磁的對偶關係，也提出了一些槽形天線，在設計上通過結合漸變形式饋電來擴展其頻寬。
第二次世界大戰後，隨著GHz頻段以上的電子速調管和磁電管的發明，無線電的套用朝著更高頻段發展。早期提出的許多經典天線結構，在20世紀50年代以後仍被重新設計以便在更高頻段內使用。例如Brown等對Lodge設計的蝶形天線結構進行了重新討論,Master提出了一種鑽石狀的三角形偶極天線結構用於UHF頻段的電視接收， Lamberty將Marconi設計的平板單元用於微波頻段。Rumsey提出的頻率不變天線概念是這一時期天線發展的重要事件，他認為如果天線形狀僅隨角度變化，那么其阻抗和方向圖將在極大頻寬內保持不變，其頻寬僅受天線的最大和最小物理尺寸限制，等角螺旋天線是該理論的典型套用。基於類似設計思想，對數周期天線也是一種頻率不變天線。這類頻率不變天線結構見圖1. 14,其倍頻程度頻寬可超過40:1，能工作在10 MHz-10 GHz 頻段內，廣泛套用於廣播電視和點對點通信等場合，不過由於這類天線的相位中心隨頻率而改變，事實上脈衝的輻射和接收性能並不佳。
到20世紀70年代，隨著脈衝雷達技術的發展，出現了用於針對具有納秒級寬度時域脈衝的輻射接收的天線，如採用分散式電阻載入的偶極線天線或雙圓錐天線。Harmuth利用環形輻射的等效原理，製作了大電流輻射器在大功率的脈衝輻射方面，則包括有TEM喇叭和拋物面反射的脈衝輻射天線等結構。圖1. 15是這類脈衝天線結構的簡單示意圖。
20世紀90年代以前套用在高頻段內的寬頻天線在設計上仍較多地沿用早期的結構， 這些天線通常為三維結構。目前在大多數的實際套用當中，尤其在需要小型化天線的套用場合，天線採用平面結構在尺寸以及系統整合上都比三維結構更具優勢。90年代以來，隨著無線通信技術的日益發展，套用在1-10GHz頻段內的超寬頻天線結構有向平面化、小型化發展的趨勢。
平面化的寬頻天線可由傳統上的三維寬頻天線演變而來。1992年，Honda等人提出的一種圓盤單極天線就是球形單極天線的變形，可獲得8 : 1以上的阻抗頻寬。此後為獲取較大的阻抗頻寬，研究人員相繼提出了包括橢圓形、環形、半圓形、方形和五邊形等多種變形在內的平板型單極天線(見圖1.16)，極大地豐富了寬頻單極天線的種類。單極寬頻天線通常可獲得10 : 1以上的極大阻抗頻寬，同時在輻射單元所在的半空間內具有近似於全向的輻射場型，但由於天線的接地平面輻射單元相垂直，這類天線仍然不是真正意義上的平面天線，在實際套用中存在一定的局限性。為進一步拓展天線套用範圍，同時獲取具有全空間輻射場形的平面天線結構，將三維平板單極天線以接地平面做鏡像即可得到平面偶極天線，例如蝴蝶結形天線以及Thomas等提出的圓盤偶極天線都是在原有的錐形天線和球 狀天線基礎上的變形結構。但在實際的高頻套用當中，這類偶極天線結構會帶來新的問題：天線頻寬下降，並且饋電變得非常不便，難以同傳統傳輸線如同軸線或微帶線相連.此時天線輻射特性也對饋電非常敏感。要讓這類平面天線能真正用於實際系統，仍需做更多的研究：從天線性能發展角度看，在於如何克服現有天線結構在性能上的弱點；而從套用角度來看，在於如何為實際系統量身定做符合要求的天線結構。
因此，寬頻天線的主要設計難點集中在同時滿足小型化、寬頻、優良的時域特性以及系統性能優良等特點。
展寬天線頻帶方法
(1)行波天線。在對對稱振子的分析中可知，由於對稱振子上的電流為駐波分布，其阻抗頻帶很窄，限制了對稱振子的頻頻寬度，因而如果能展寬對稱振子的阻抗頻寬，則可有效地展寬對稱振子的頻頻寬度。根據傳輸線理論，如果在導線末端接匹配負載，則其上的電流分布為行波分布，輸入阻抗就等於傳輸線的特性阻抗，不隨頻率改變，即具有寬頻帶阻抗特性。將天線上電流按行波分布的天線稱為行波天線。行波類型的天線一般具有較好的單向輻射特性，較高的方向係數，較寬的阻抗頻寬特性，因此行波天線的頻帶較寬。由於有部分能量被端接負載所吸收， 故較之諧振式駐波天線，天線的效率較低。
(2)突出角度而不是長度。例如螺旋天線，避免了固定的長度單元而產生了寬頻帶。無限長雙錐天線的結構只與角度有關，而與有限的長度無關，因而其輻射特性和阻抗特性都與頻率無關，頻頻寬度為無限。實際中可通過使有限的長度效應最小化和角度依賴性最大化來設計非頻變天線。
(3)粗導體。增加諧振式天線如振子天線的線徑，可增加其阻抗頻寬，因而可增加其頻頻寬度。
(4)自補結構。自補特性也可導致非頻變性能。自補結構是通過平移和（或）旋轉手段精確覆蓋它的互補結構的結構。由於天線的輸入阻抗Zin和它的互補結 構天線的輸入阻抗Zin互補滿足關係Zin*Zin互補=η2/4，自補天線的輸入附抗和它的互補天線的輸入阻抗相等，因此，自補天線的輸入阻抗為Zin=η/2,與頻率無關。在自由空間Zin=η0/2 = 60k = 188. 5(Ω)。
(5)自比例結構。對於不同的頻率，天線上有相對應的有效區（輻射區），對於不同頻率，其有效區不同，但與電長度相關的結構不變。大部分輻射發生在天線的長度為半波長的對稱振子上或周長為個波長的圓環部分（有效作用區）如對數周期天線、平面螺旋天線等。
(6)通過改變振子型天線的阻抗頻寬來增大振子型天線的頻頻寬度，如套筒天線等。
寬頻優勢
目前，寬頻技術是無線通信領域的一個重要發展方向，已經成為了國內外通信界近年來的熱點問題和研究方向之一。寬頻技術之所以得到了廣泛的關注，主要因為其具有如下的技術優勢。
1)傳輸速率高。寬頻信號的脈衝寬度通常在亞納秒量級，頻寬極寬，寬頻信號在頻域上有非常寬的能量譜，頻寬達數GHz，可提供很大的系統容量，這使得超寬頻無線系統適合於高速率無線傳輸套用;數據傳輸速率範圍可在數十Mbit/s到數百Mbit/s，甚至上Gbit/s。從信號傳播的角度考慮.超寬頻無線電由於能有效減小多徑傳播的影響，使得可以傳輸高速率數據。
2)處理增益高。極寬的頻寬使得系統具有很大的增益。抗窄帶干擾的能力強.超寬頻無線電處理增益主要取決於脈衝的占空比和傳送每個比特所用脈衝數，可以做到比目前實際擴譜系統高得多的處理增益。超寬頻系統進一步通過採用跳時或擴頻信號，比IEEE 802.11系列無線區域網路和IEEE 802.15藍牙等有更強的抗干擾功能。
3)多徑分辨能力很強.也具有比較強的時間分辨能力，有利於多徑環境下通信和精確定位方面的套用。常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大於多徑傳播時間，限制了通信質量和數據傳輸速率。由於超寬頻無線電發射的是持續時間極短的脈衝且占空比極低，多徑分量在時間上是可分離的。這樣寬頻系統在接收端可以實現多徑信號的分集接收，可以充分利用分離出來的多徑分量提高超寬頻無線電解調輸出的信噪比，降低由於多徑干擾造成的性能損失。寬頻信號的抗多徑衰落的固有魯棒性特別適合於室內等多徑、密集場合的無線通信套用。
4)提高現有的頻譜利用率。超寬頻信號的發射功率十分低，僅僅相當於一些背景噪聲，對其他窄帶系統的干擾小，可以和現存的窄帶通信系統同時運行，具有比較好的共存性， 可與其他系統共享頻譜資源，提高頻譜利用率。
5)隱蔽性好。同樣由於發射功率十分低，超寬頻信號被截獲、偵測到的機率低，有利於安全保密通信。超寬頻無線電的射頻頻寬可達1GHz以上，且所需平均功率很小，信號被隱蔽在環境噪聲和其他信號中，難以被敵方檢測，這裡的隱蔽性好主要是指信號在頻域的隱蔽性。UWB信號具有極低的功率譜密度和偽隨機特性，這使其具有類似噪聲的性質難以被截獲，同時對其他現有的無線系統干擾較小。
6)低功耗。超寬頻無線電的手持通信設備的功耗僅為目前功耗的百分之一，大大延長了電源的供電時間，同時減少了對人體的影響。
7)利用頻寬優勢，不需要使用複雜的調製方法和接收方法，系統實現相對簡單，成本較低，並且低複雜度、低成本。直接脈衝寬頻系統的低複雜度來源於其傳輸信號的基帶特性。寬頻系統直接利用極窄脈衝來進行信息傳輸，信號不需要上變頻以及功放，因此可省去射頻混頻以及功率放大模組，在接收端也可以省去相對應的混頻模組。此外，接收時複雜的時延和相位跟蹤環也不再需要。
8)系統容量大。“空間容量”(每平方米每秒的傳輸比特)已成為重要的衡量指標。根據Intel公司的研究報告，IEEE 802．1lb的空間容量為1(s·m2)，“藍牙”的空間容量為30 kbits/m2，IEEE 802．11a的空間容量為83 kbits/m2，超寬頻無線電的空間容量為1000 kbits/m2。可見，在空間容量方面，超寬頻無線電比現有類似系統具有更大的優勢。
9)穿透能力強。實驗系統證明，寬頻無線電具有很強的穿透樹葉和障礙物的能力，有希望填補常規超短波信號在叢林中不能有效傳播的空白。實驗表明，適用於窄帶系統的叢林通信模型同樣可適用於超寬頻系統；超寬頻技術還能實現隔牆成像等。
10)定位能力強。信號的距離分辨力與信號的頻寬成正比。由於信號的超寬頻特性，寬頻系統的距離分辨精度是其他系統的成百上千倍。寬頻信號脈衝寬度在納秒級，其對應的距離分辨能力可高達厘米級，這是其他窄帶系統所無法比擬的。這使得超寬頻系統在完成通信的同時還能實現準確定位跟蹤，定位與通信功能的融合極大地擴展了系統的套用範圍。
11)系統結構簡單，成本低，易數位化。寬頻系統發射和接收的是超短窄脈衝，無須採用正弦載波而直接進行調製，接收機利用相關器能直接完成信號檢測，這樣收發信機不需要複雜的載頻調製解調電路和濾波器等，它只需要一種數字方式來產生超短窄脈衝。因此，大大降低系統複雜度，減小收發信機的體積和功耗，易於數位化和採用軟體無線電技術。
系統構架
寬頻天線系統的構架及模組如圖8．69所示，它主要包括十個組成部分，整個寬頻天線系統可能只用接收、發射或兩者都有，它涉及輻射場的設計、微波部件的設計和結構工程的設計等。
(1)對於艦載平台和車載設備而言，針對設備所處的環境為海面、地面或山地等具體情況，輻射部分要減小環境基本是採用架高要求至少為10個波長的量級。同時最佳化俯仰面方向圖使其在作用距離內輻射到媒介面上的能量減小，還可以在系統體制上採用技術措施等。而對於機載或彈道、星載電子設備工作環境的媒質相對理想，只是在環境適應性方面多考慮實際問題。
(2)載體平台是工程設計與理想設計方面的一大區別，適用的無線電設備，總是安裝到某一平台上(飛機及吊艙、軍艦、汽車、氣球、衛星、飛彈等方面)。這些平台對天線的性能影響是比較大的，因此，在平台上選取合適的位置。例如，飛機垂尾上和飛機頭部，軍艦上的桅桿高處，但有的安裝處天線輻射體與下面微波組件有較遠的距離，長的饋線損耗不可避免。另外，除了優選在平台的架設位置還必須聯合考慮由此導致的對載體運動狀況的影響，最好將載體作為天線的一部分進行設計。實際上，天線在載體上的布局是機載天線設計中的一項重要技術，它決定於天線的分布、波束指向等。
(3)電磁視窗實際上就是天線罩。它有三個方面的作用：起透波及保護天線的作用、輻射口寬頻寬角極化扭轉作用。包括圓極化變換和斜45。極化、輻射波束圖的調製作用。這種視窗有集中式和分散式兩類，根據具體的工程設計而定，即每個天線輻射口單獨有罩，每個天線有一個罩子，稱為分散式；另一種是多個天線或陣列和大口徑天線共用一個罩子。有時將天線罩和極化罩一體化設計減小體積，它是天線部分與外部的接合處，它的形狀、外觀、接口、環境適合性、材料及加工顯得更重要。
(4)寬頻天線單元或陣列部分。如果很多天線在平台分散安裝，只要在平台上狀態一定，其接口部分就已經固化，此時天線與平台的關係很密切。如果天線集中安裝在平台上某處，此時天線單元之間的影響、天線與支架體的影響、載體平台的影響等方面變大，同時還涉及天線的極化方式、指向及波束覆蓋範圍、收發通道之間的隔離及隔離屏和表面阻抗措施，系統自檢件或校正件的接口關係等。為了提高輻射場的電磁兼容能力，儘可能採用寬頻多種功能的陣列天線，必要時在其邊緣處加入一定數目的虛單元。天線用於測頻、測向、告警、連續波制導、自檢、分區天線、切副瓣天線、大功率干擾天線及空間功率合成干擾等，一般情況下天線為線極化，有些天線為圓極化輻射或接收。
(5)寬頻有源網路部件。包括：微波開關(含機械脊波導開關)、限幅放大器、低噪聲放大器、數字移相器、可控衰減器、固態功率放大器、寬頻T/R組件、TwT相位一致性行波管等以及相關的散熱結構件和校正自檢接口。這些部件按一定的方式組合及控制形成可掃描的相位梯度和幅度加權方式，這些有源器件的一致性調試難度大，但通道之間因閉合場的原因，它們的電磁兼容易控制些。
(6)寬頻無源網路部件。包括：微波功率分配器或合路器、定向耦合器、移相器(包括同軸可調移相器)、固定的衰減器、濾波器、和差器等組成的Butler矩陣饋電、單脈衝波束產生器、鑒相器和光學波束形成技術產生的Bootlace透鏡、Rotman透鏡、介質型Rotman透波、龍伯透鏡等產生寬頻指向恆定的波束圖，各連線通道採用相位一致性好的電纜。在具體網路的組合中可能是無源部件和有源部件配合套用，工程中往往為實現多個功能，對微波網路部件的小型化、高可靠性提出了要求。
(7)變頻、檢波及A/D轉換部分。該部分為各天線通道接收信號經微波網路幅、相變換後進行變頻或直接輸出數位訊號，以用於高精度雷達參數測試(含測向精度)用。這涉及系統的同步及信號的配對等，變頻所需要的本振信號由接收機後端供給。而通過檢波器得到視頻信號，對於多路檢波器的體制要求檢波器為匹配型檢波器，實際中微波條已經將檢波器集成形成模組。
(8)供電、偏置及控制部分。該部分為微波網路有源組件提供偏置，為TwT行波管等提供高壓電源提供初級輸入，這些電源要求穩定，紋波小。同時控制電平由該模組中的控制電路提供，它通過某種約定產生順序碼，使得開關通斷，控制移相器產生寬頻的數字移相值。該模組的技術成熟性比較高。
(9)自檢或校正源部分。通過點頻振盪源經放大器後給自檢天線饋人信號或通過有源微波組件的自檢接口處饋人信號，通過各天線和射頻通道輸出信號至檢測儀器或接收機，判定各連線部分是否正常運行。同樣從預留的自檢輸入口饋入寬頻的信號電平，從輸出口測試它的幅度和相位，通過接收機將各通道幅、相誤差記錄到校正資料庫中。完成各通道初始射頻數據的提取，並且可以進行動態校正，該模組由供電、偏置及控制模組提供電源及控制。
(10)結構設計部分。包括：寬頻天線系統的受力分析、有源器件的散熱和各連線部分的結構加固及保證、環境適應性設計，“三防”措施考慮、天線的狀態調整、各通道部分的電纜走向、固定，天線結構的實現及支架的優選設計、材料的選用，天線重心的調整到位等。如果對於大型的寬頻天線系統，電磁兼容的特性比較重要，同時收發天線部分進行分塊設計。
主要套用
寬頻技術在雷達方面的套用研究發展較早，也相對成熟。寬頻雷達距離解析度高，通常遠小於目標尺寸，高的距離解析度使它具有精確目標識別能力，能獲得複雜目標的細微特徵；並且穿透能力強，能穿透葉簇、地表、雲層等障礙，探測並分辨隱蔽目標。因此，寬頻雷達在雷達探測、成像、目標識別等方面具有廣泛的套用價值，可用於地質探測、人員搜救、醫務監護等諸多領域，以後還可能被用於道路檢測、相機自動聚焦、RFID、呼吸心臟監護等用途方面，完成許多其他技術難以實現的特殊功能，因而其研究也備受重視。從20世紀60年代至今已有數百篇相關論文、專利發表，以及數種特殊用途的超寬頻雷達問世。
