超宽带技术广泛应用在雷达、定位、电子对抗以及保密通信等领域,长期以来被各国视为尖端军事技术而严加保护,近年来才逐渐对商业应用开放,随即成为了研究热点并获得了快速的发展,涌现出一些具有良好应用前景的新系统:1)超宽带无线通信系统可以灵活地使用一个宽频带并以极低的发射功率收发信号,具有传输速率高、空间容量大、硬件成本低的优势,有望解决现有频谱资源紧张的突出问题,极具商业价值;2)低剖面定向超宽带天线安装方便,电磁兼容性好,具有良好的应用前景。同时在军事领域可以同时实现通信、雷达、导航和电子战的功能,大幅降低天线系统的体积和载荷,实现天线系统在载体上的最优布局,有效减小天线系统的雷达散射截面,是必须抢占的国防技术高点;3)无线互连技术利用片载电路进行高速电路的互连通信,特别是超宽带无线互连方式具有传输时延小、数据传输率高、功耗低、与CMOS工艺兼容性好以及对片载电路干扰小等突出优势,有望从根本上解决当前严重阻碍高速电路发展的“互连线危机”,意义重大。应该看到,上述超宽带系统对与其配套的超宽带天线的性能、尺寸、载荷、成本以及可靠性等诸多方面提出了相当苛刻的要求,是传统超宽带天线技术远远无法满足的。现有的超宽带天线在理论、技术甚至理念上都明显滞后于超宽带系统的发展,成为了限制超宽带系统成熟应用的主要瓶颈,集中体现在:1)对超宽带天线的应用带宽理解有局限性,片面追求天线阻抗带宽的最大化;2)对新兴的超宽带振子天线的时域、频域辐射模型缺乏系统认识,天线优化过程效率低下;3)现有移动终端超宽带天线在尺寸、应用带宽等方面仍存在较大不足;4)缺少低剖面定向超宽带天线的有效解决方案;5)缺乏完善的片上天线评价标准、测试方案和高性能片上天线。本文面向上述超宽带系统应用的实际需求,针对现有超宽带天线在理论、技术和理念上存在的诸多不足,开展了大量细致的研究和实验工作,取得了许多原创性的成果。本文总结了超宽带天线的评价标准,完善了超宽带振子天线的时域、频域辐射理论,给出了两种实现低剖面定向超宽带天线的技术路线,在片上天线性能的评估、设计和实验等方面也做了许多有益的探索。本文提出了多种在军民诸多领域有很高实用价值或应用前景的新型超宽带天线,为超宽带系统应用提供了有力的支持。本文的具体研究成果归纳如下:1.完善了超宽带印刷单极子天线的频域辐射模型,指出移动终端小型化单极子天线应等效为单端馈电的不对称偶极子天线,因此应同时考虑单极子和接地板的辐射贡献。在此基础上发展了类圆单极子、叠圆单极子和接地板刻槽技术,证明了辐射模型的正确性和可操作性。2.对单极子和接地板的辐射贡献进行了整体分析,指出接地结构和方式在改善超宽带单极子天线方向图带宽的重要作用。提出等宽地和梯形地的设计思想,为改善单极子天线的方向图带宽提供了新思路;基于等宽地技术的样品天线尺寸仅30×8 m m2,实测阻抗带宽为2.75-16.2 GHz,在阻抗带宽内天线H面方向图全向性优于4 dB。提出改善印刷单极子天线传输特性稳定性的镜像地设计方法。3.完善了超宽带印刷单极子天线的时域辐射模型,即单极子辐射、接地板辐射和微波介质基片寄生辐射。提出曲线地和六边形地,可从结构上对天线时域特性进行优化并保持天线结构紧凑,仿真和测试结果表明天线的视距脉冲收发保真性比矩形地天线可改善14 %以上。4.提出一种采用无耗终端补偿结构和较大比例因子的新型超宽带对数周期微带天线,有效地解决了匹配负载对天线效率的不利影响,整个频带内天线平均效率比采用终端匹配负载的天线提高了6 %,同时天线尺寸较采用小比例因子的天线缩减了40 %以上。5.研究了采用H型和E型周期结构反射器的超宽带偶极子天线的工作特性,提出一种新型栅状周期结构反射器并给出完整的设计实例。结果表明该天线在主要性能与现有天线可比拟的条件下,剖面比Vivaldi天线或波纹喇叭天线降低70 %以上,增益比采用吸收腔的天线高2 dB以上。6.提出使用多层金属互连结构实现片上天线小型化及宽带化的思想,并采用HJTC 0.18μm工艺完成六层金属互连层组合偶极子天线的设计、流片和实验。初步探讨了在氮化铝导热层中引入基片介质波导(SIW)进行全局互连的技术路线。最后简单总结了片上天线研究过程中积累的经验和想法。