115338_張釗_超寬帶陷波天線設(shè)計(jì)與仿真_中期報(bào)告_1430210967224匯編

1、河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：超寬帶陷波天線設(shè)計(jì)與仿真專業(yè)（方向）：通信工程學(xué)生信息：學(xué)號：115338115338姓名： 張 釗班級：通信 C113C113指導(dǎo)教師信息：姓名：夏克文職稱：教授報(bào)告提交日期：20142014 年 4 4 月 2525 日內(nèi)容要求：本課題中期任務(wù)主要研究了超寬帶（UWB，Ultra Wideband）脈沖設(shè)計(jì)與窄帶干擾抑制等問題。（1） UWB 的干擾來源和對象：由于UWB 脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，其頻譜可能寬達(dá)數(shù)GHz,理論上它對現(xiàn)存所有電子系統(tǒng)都會產(chǎn)生干擾，同時(shí)

2、 UWB 系統(tǒng)也將受到來自其它無線通信系統(tǒng)的干擾。總體來說，與UWB 相互干擾的無線系統(tǒng)主要是：地面通信系統(tǒng)（固定點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)， 蜂窩通信和廣播）；GPS;衛(wèi)星通信；無線電導(dǎo)航或是探測系統(tǒng)；工作在美國供應(yīng)管理協(xié)會（the Institutefor Supply Management , ISM ）波段系統(tǒng)，比如 802.11a,802.11b，Bluetooth 等；其它業(yè)余無線電。這些無線系統(tǒng)相對于UWB 而言，都可以看成是窄帶系統(tǒng)。（2）UWB 系統(tǒng)對窄帶系統(tǒng)的干擾抑制：超寬帶陷波天線常用方案有兩個(gè)，第一，在天線前端添加具有帶阻特性的濾波器；第二，在天線輻射結(jié)構(gòu)中引入輻射單元。本文依據(jù)陷波的

3、原理， 設(shè)計(jì)了 FIR 和 IIR 陷波器，現(xiàn)有的抑制干擾的脈沖成形算法主要是依據(jù)特定的脈沖成形算法來產(chǎn)生在某頻點(diǎn)或頻段上功率值為零的點(diǎn)。在現(xiàn)有脈沖成形算法的基礎(chǔ)上，使脈沖通過陷波器來達(dá)到在特定頻段上陷波的目的，從而使脈沖具有一定的抑制干擾能力。1.1.脈沖波形設(shè)計(jì)傳統(tǒng)采用高斯脈沖、Rayleigh 脈沖、PSWFs 脈沖、小波函數(shù)等以及它們的高次階脈沖，其能量主要集中在某段頻譜上，不能充分挖掘UWB 的潛力。新的脈沖波形設(shè)計(jì)既要符合FCC 的功率限制并盡可能逼進(jìn)FCC 規(guī)定的功率最大限，同時(shí)也要考慮到與其它系統(tǒng)的共存問題。文獻(xiàn)1提出了采用 Doublet 脈沖的方式來避免對 GPS 等的干擾

4、， 但其脈沖頻譜上 的零點(diǎn)不是隨意可調(diào)的，脈沖頻譜零點(diǎn)的寬度也難于控制，因此學(xué)者們提出了另外的一些河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告解決方案， 其中很多思想都與軟頻譜自適應(yīng)（SSA）設(shè)計(jì)方案接近， 即在時(shí)域上設(shè)計(jì)一組脈沖波形，每個(gè)脈沖波形能高效率地匹配上目標(biāo)功率譜形狀的一部分，再通過組合脈沖合成河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告即使將來美國聯(lián)邦通訊委員會(Federal Communications Commission.也很容易修改設(shè)計(jì)，同時(shí)也提供了動態(tài)回避窄帶干擾的可能。表示為矩陣形式即為:氣1L“0L煜不同的功率譜形狀,FCC)更改了譜形,1.11.1 基于特

5、征值分解的UWBUWB 脈沖設(shè)計(jì)方法假定頻率響應(yīng)為H(f)，所求的脈沖信號呃)持續(xù)時(shí)間為Tm，它通過頻率響應(yīng)為H(f)的濾波器時(shí)要求有最小的失真,即信號 呃)通過濾波器，輸出為入們，其中入為衰減系數(shù)。嘰 t)是時(shí)間有限信號2，具有如下形式:“pt七/2t0其他(1-1)其中 p (t)為滿足條件的 UWB 信號。濾波器的輸出為:QQ- t二-( Th(t - TdoO(1-2)在一定 t = .T；2- (Th(t一Td一Tm/2(1-3)上式的精確解即為熟知的長球面波函數(shù)，但得到函數(shù)的精確解是很困難的。因此可以使上式Tm抽樣 N 次，上式就化為如下形式:N/2n=、m二N/2Im lh In

6、 - mn=-N/2 ,，N/2(1-4)-N一2h0h1Mh-1h-Nh0h-N 1MhjhW一2j- 12M 0M(1-5)ylhNhN -1h0河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告式(1-5 )可以寫為入2=H則可以通過對矩陣 H 的特征值分解求出入和嘰根據(jù)長球面波函數(shù)的特性，特征值對應(yīng)于特征向量的能量在頻譜模板H(f)中所占的比例，換言之，特征值越大，對應(yīng)的特征向量的能量就越接近H(f)。因此，只有對應(yīng)于較大特征值的特征向量可用于脈沖設(shè)計(jì)。此外，H 是一個(gè) Hermitian 陣，它的特征值是實(shí)數(shù)，特征向量正交，因此可以在UWB 系統(tǒng)中應(yīng)用多路正交 UWB 脈沖而相互之間不

7、產(chǎn)生干擾。FCC 頻譜限制被看成是一個(gè)濾波器的頻譜特性H ( f)=fd其他fu10其他其中，fd= 3.1GHz;fu= 10.6GHz。令h(t)為H f的傅里葉反變換，入為衰減系數(shù)，要產(chǎn)生的 UWB 脈沖波形 s(t)應(yīng)當(dāng)滿足：冷(t) . (f)h(t - f)df(1-8)為了限制 UWB 脈沖的持續(xù)時(shí)間，S(t)必須滿足：|t|Tm/2 時(shí)，S(t)= 0。這里，Tm 為脈沖持續(xù)時(shí)間。將 Tm 平均分為 N 等分，則式(2)可被離散化為N/2 sn = skh(n -k)(1-9)k=_N/2其中，sn=s(nTm/ N), hn=h(nTm/ N), n=-N/2 , -N/2+

8、 1 ,，N/2。將式(1-9)轉(zhuǎn)換為矩陣形式，得到2Hs(1-10)其中，向量 s s 表示離散化的 UWB 脈沖，其第 k 個(gè)元素為 sk-N/2;H 為(N+ 1) (N+ 1)維的矩 陣，其第i 行第 j 列的元素為 hi-j;k , i, j= 0 ,1，N。用 H 的最大特征值對應(yīng)的特征向量就能生成滿足 FCC 限制的 UWB 脈沖。h0h1JhNh1h Nh0 . hN 1MNNhq-1.hMhN-1.h0(1-6)(1-7)河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告1.21.2 抑制單窄帶干擾的 UWBUWB 脈沖下文將基于特征值分解法構(gòu)造能夠抑制單個(gè)窄帶干擾的UWB 脈

9、沖。假設(shè)在 UWB 頻帶范圍內(nèi)有通信系統(tǒng)，其中心頻率為f0，帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 UWB 信號帶寬。為了使所設(shè)計(jì)的 UWB 脈沖在滿足 FCC 限制的條件下，與這個(gè)窄帶系統(tǒng)之間的干擾能 夠得到有效抑制，一個(gè)最佳的方案就是讓UWB 脈沖的功率譜在f0處形成零點(diǎn)。在討論具體方法之前，先給出矩陣H 的幾個(gè)重要性質(zhì)。定義 1 如果向量X滿足，則稱 x 為奇向量；如果向量X滿足，則稱X為偶向量。這里，X表 示將向量X的元素倒序排列生成的向量。定理 1：H 的所有非零特征值對應(yīng)的特征向量要么是奇向量要么是偶向量。定理 2： 由 H 的偶特征向量構(gòu)造的 UWB 脈沖的頻譜只有實(shí)部；由奇特征向量構(gòu)造的 UWB 脈沖的

10、頻譜只有虛部。另外，采用特征值分解法構(gòu)造的UWB 脈沖功率譜有快速下降的上下邊帶2。利用上述性質(zhì)，就可以構(gòu)造出滿足條件的UWB 脈沖。具體方法如下：1在(fd,fu)的頻段范圍內(nèi)劃分一個(gè)低頻段(fd,S2(t)和一個(gè)高頻段(fd2,0(2 個(gè)頻段可以有交疊)。以這 2 個(gè)頻段為基礎(chǔ)，根據(jù)式(1)(4)構(gòu)造 2 個(gè)矩陣H和。2從H和耳中各選擇一個(gè)特征向量，使它們具有相同的奇偶性，且對應(yīng)的特征值盡可能大。再用它們分別構(gòu)造一個(gè)滿足 FCC 限制的子脈沖S (t)和S(t)。通過調(diào)節(jié)參數(shù)fd1、fd2和脈沖幅度，使得 2 個(gè)子脈沖的頻譜0(f)和S2(f)滿足S1(f0S2(f0)。圖中給出了由 2

11、個(gè)偶向量構(gòu)造的子脈沖頻譜。3將這 2 個(gè)子脈沖疊加就得到了在f0處功率譜為 0 的 UWB 脈沖。可以通過改變參數(shù)fu1、fd2和Tm，調(diào)整所得到的 UWB 脈沖在f0附近的干擾抑制能力。做以下幾點(diǎn)說明：1由定理 2 可知，具有相同奇偶性向量構(gòu)造的脈沖頻譜要么是實(shí)數(shù)，要么是虛數(shù)，因此，通過適當(dāng)調(diào)整參數(shù)能夠使S( fo ) = -S2(fo)，保證子脈沖疊加后的頻譜在fo處形成零點(diǎn)。2通過大量仿真可知，H2(或H2)的最大 2 個(gè)特征值對應(yīng)的特征向量總是具有不同的河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告奇偶性。因此，分別從 H,和耳的最大 2 個(gè)特征值所對應(yīng)的特征向量中選出一個(gè)向量組成一

12、河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告對具有相同奇偶性的向量。3因?yàn)?S(f)=S2(fo)+S2(f)=0,且在較窄的頻帶范圍內(nèi)，S和S2(f)的值變化很小，產(chǎn)生 UWB 脈沖的功率譜密度在f0附近幾乎等于零。4高頻脈沖在低頻段的頻譜接近于零， 則低頻段 UWB 脈沖的頻譜S(f)：、S2(f)；同理，在高頻段，S(f):S2(f)。因此，只需要讓低頻脈沖滿足FCC 對低頻的限制，高頻脈沖滿足 FCC 對高頻的限制就可以使所設(shè)計(jì)的UWB 脈沖滿足 FCC 頻譜限制。利用上述方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠有效抑制f0=6.88GHz 的窄帶系統(tǒng)與 UWB 系統(tǒng)之間相互干擾的 UWB 脈沖波 形

13、，如圖所示。其中，fu1=7GHz，fd2= 6.88GHz，N= 128，Tm= 1 ns。該脈沖是由H1和H2中具有最大特征值的 2 個(gè)奇特征向量構(gòu)造而成的。由圖可知，其功率譜不僅滿足 FCC 限制，而且在f0附近的功率譜也被有效抑制了。經(jīng)計(jì)算，在以 6. 88GHz 為中心的 100MHz 帶寬內(nèi)，其功率譜密度的最大值小于 -75 dBm /MHz;在 10 MHz 帶寬內(nèi)，其功率譜密度的最大值小于-96dBm/MHz。文獻(xiàn)3給出了在給定頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)陷波的算法，以PSWFs 脈沖為例，簡述如下：(1 )將整個(gè)頻帶劃分為兩個(gè)子帶(a，fH1)和(fL2,b)，且fH1(t)，兩個(gè)脈沖 的奇偶

14、性必須相同，所選的脈沖對應(yīng)的特征值盡可能大。(3) 將Sjt)、S2(t)相加得到S(t) = s(t) S2(t)，S(t)的頻譜S(f)二S1(f) S2(f)即 能實(shí)現(xiàn)在指定頻率點(diǎn)f。的陷波。若將整個(gè)頻帶劃分為多個(gè)子帶，按照同樣的步驟即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)陷波。抑制單點(diǎn)窄帶干擾算法仿真：將(3.1-10.6GHZ )的頻段劃分成(3.1-6.88GHZ )、( 6.88-10.6GHz )兩個(gè)頻段，分別求 每一頻段內(nèi)的脈沖響應(yīng)，然后將兩個(gè)脈沖疊加。仿真條件為n=1ns， N=128，如圖:河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告(c)疊加后的脈沖波形(d)該頻段的功率譜密度1.31.3 抑

15、制多窄帶干擾的 UWBUWB 脈沖假設(shè)在 UWB 帶寬內(nèi)有 N 個(gè)窄帶系統(tǒng)，把 UWB 帶寬分成了 N+ 1 個(gè)子帶(頻率間隔較近 的窄帶系統(tǒng)可看作是同一個(gè)窄帶系統(tǒng))。首先，利用特征值分解構(gòu)造出滿足 FCC 限制的 N+ 1 個(gè)子脈沖，然后調(diào)整各子帶的頻率范圍和脈沖幅度等參數(shù)，使其在頻域上相鄰子脈沖的頻譜在各窄帶系統(tǒng)的中心頻率處大小相等，符號相反。圖中給出了一個(gè)能夠抑制中心頻率為5.6 GHz 和 8.1GHz 的窄帶系統(tǒng)與 UWB系統(tǒng)之間相互干擾的 UWB 脈沖波形和功率譜密度，其中， N= 128，Tm=1 ns。它是由 3 個(gè) 奇特征向量構(gòu)造而成的。3 個(gè)子帶的頻率范圍依次為：(3. 1

16、 GHz， 5. 9 GHz)，(5. 3GHz，8.4GHz)和(7.8GHz，10.6GHz)。由圖可知，該脈沖的功率譜在5.6 GHz 和 8. 1GHz 附近被有效地抑制了。將(3.1-10.6GHZ )的頻段劃分成(3.1-5.9GHZ )、( 5.3-8.4GHZ )、( 7.8-10.6GHz )三個(gè)頻段，分別求每一頻段內(nèi)的脈沖響應(yīng)，然后將三個(gè)脈沖疊加。仿真條件為=1ns, N=128，如oo1X(a)10-o1X1111st/n圖 1.(a)3.16.88GHz 的脈沖響應(yīng)(b)6.8810.6GHz 的脈沖響應(yīng)藝apn七豆Esmpw_dEsmpa(ZH乏rlumPMl一cnu

17、ap -E芯ads河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告圖:河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告0.23vpw_dEwap=一一dEJI oo 143-sa一一dE5t/s (cj-10 x 10圖 2. (a)3.15.9GHz 的脈沖響應(yīng)5 .2- o.一1o.o-Jt/s0 6t/s (d)15 0 50-O. wcupnl一一duu11ii-I*1 J.di14IIi-F !A A 4 411i11j511015f/GHz圖 3該頻段的功率譜密度河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告總結(jié)：利用以上的方法設(shè)計(jì)的UWB 脈沖不僅具有很短的持續(xù)時(shí)間，而且能夠在

18、滿足FCC 頻譜限制的基礎(chǔ)上，有效地抑制 UWB 系統(tǒng)與多個(gè)窄帶系統(tǒng)之間的干擾。特別是由于此方法主要抑制窄帶系統(tǒng)頻段附近的UWB 脈沖功率譜，而不需要在整個(gè)頻段范圍內(nèi)降低其功率譜，這意味著可使所產(chǎn)生的UWB 脈沖的功率譜在各個(gè)窄帶系統(tǒng)的工作頻段范圍內(nèi)滿足FCC 限制(甚至更低)，而在其他頻段高于 FCC 劃定的上界，從而提高 UWB 系統(tǒng)的發(fā)射功率，突破 UWB 系統(tǒng)的短距離限制。參考文獻(xiàn)：1 Foerster,J.R .In terfere nee modeli ng of pulse-based UWB waveforms on n arrow band systemsJ,VTC Spri ng.14(10),1931-1935,.2 Parr B,Cho B,Wallace K,et al.A novel ultra-wideba nd pulse design algorithm. CommunicationsLetters IEEE, 2003, 7(5):219 - 221.3 LUO Zhe ndong, GAO Ho ng , LIU Yua nan. A new UWB pulse desig n method for n arrowba