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（脉冲宽度在0.20-1.5ns之间）进行调制的一种通信，也称为脉冲无线电（Impulse Radio）、时域通信或无载波通信。具有系统简单、功耗低、信号穿透力强的特点。超宽带无线通信信号占用极宽的频带（GHz级），可以与其他通信系统共享频谱资源，功率谱也可以做到极低，从而不去干扰其他通信系统。另外值得一提的是，超宽带通信可以实现很高的定位精度，这得益于宽带宽和高频率。

超宽带要求相对带宽比高于25%或相对带宽大于0.5GHz，传输速率可以超过100MHz，具有这样特性的系统称为UWB系统。

所谓的窄带、宽带、超宽带通信的定义是基于相对带宽来说的，相对带宽是用带宽除以中心频率获得的。窄带、宽带、超宽带基于相对带宽的定义如下表所示：

表1：不同带宽的定义 以上部分内容引自https://www.sohu.com/a/315656211_695278

大的工作带宽就是将超宽带天线与其他一般天线区分开来的标志。具体有如下两个标准：

“现代超宽带天线”，这类天线都是设计成 具有大概 3 : 1 带宽、用于 FCC 所划定的 3.1~10.6GHz 超宽带通信系统的频段。它与多窄带天线不同的 是，在同一时间内，它使用的哪怕不是全部工作带宽，也是绝大部分的带宽。因此，现代超宽带天线必须具有足够好的特性，能与工作带宽配合起来，其特性指标包括方向图、增益、 匹配、无色散或低色散。

超宽带天线的功能是需要被设计得能实现特定频带内的匹配特性。在这个工作频率范围内，天线都要具有稳定而连续的性能。

我们可以将天线看作一个将传输线上的电信号与自由空间中的电磁波耦合起来的传感器（转换器），其性能可以用增益、方向图、极化方式、带宽、色散、匹配等特性参数来描述。

正如我们之前反复提到的那样，超宽带天线与其他天线的不同之处就是它具有很大的带宽，带宽 (BW) 就是指上下限工作频率之差： B W = f H − f L BW=f_H-f_L BW=fH​−fL​

在特定的应用场合下要同时对天线的匹配、增益、方向图等特性综合考虑

可见，对于以上三种标准，单从任何一个方面出发，都不能完整客观地对天线的性能进行评估。

最近， FCC 在提案报告中规定并定义了超宽带系统的 "-l0dB 功率带宽＂。根据 FCC 的定义，上下限频率就是辐射功率比中心辐射功率下降－l0dB 所对应的频率。

超宽带天线如此大的工作带宽带来了另一个难题：信号的色散。

所谓色散，就是超宽带信号波形出现展宽、拖尾变长以致畸变的现象，或者说，随着观察角度的变化，波形也出现变化的现象。信号在天线上的等效中心有时被称为“相位中心”，如果相位中心随着频率移动， 则辐射出来的波形就会出现色散现象。

20 世纪 50 年代中，维克多·拉姆塞指出宽带天线设计中的一大核心原则：只要天线的形状仅仅是角度的函数，那么它的阻抗与方向图特性都是与频率无关的, 也就是著名的**“等角原理”**。满足这种条件的频率无关天线的带宽，仅仅受其外形尺寸的比例大小影响。 以对数螺旋天线为例，这种天线在锥顶（即天线的小尺寸部分）进行馈电，故低频分量必须传输到锥体底部的大尺寸部分才能辐射出去，色散的具体表现：

非色散天线适用于超宽带通信，在典型的传播环境中，严重的多径特性和时延会使发送信号严重畸变和质量下降，非色三天线可以很好地解决这个问题。一个例子是平面椭圆偶极子天线。 平面椭圆偶极子天线可以保证收发波形地一致性，只是极性相反。

尺寸再小的天线也会出现角度色散的现象。考虑一个脉冲信号激励的平面环形天线，首个信号从环的近端辐射出去，第二个信号则从远端辐射出去，于是，远端的信号相对近端信号滞后了一段时间，这段时间差就是信号穿越天线径向所需的时间。这些有不同时延的信号在空间中会相互叠加。 为了避免色散，必须保证辐射信号的电流分布保持对称，并对角度保持固定的相对时延。 对于多频段超宽带系统，同样也存在类似信号占用全部带宽的系统中出现的色散问题。 如果天线在不同的角度或者不同的频率有不同的工作特性，则超宽带系统必须对这些差异作出补偿——这是具有难度和带来较多资源开销的过程，更重要的还是很难保证一个色散的天线如何才能变得与非色散天线完全等效。因此，超宽带系统的一般设计原则就是色散越小越好。

天线设计中的一个最基本的问题就是场形（方向图）和敏感度（增益）之间的取舍。天线辐射信号时，其方向图特性决定其场形，从而将信号的能量导向方向图指向的方向。场形越窄，则天线辐射的能量越集中，能量集中的程度则被用于确定天线的增益。通常，窄带天线的方向图、增益等特性在其相对较窄的带宽内都可以认为是非常稳定的，对超宽带天线而 言，情况就要复杂多了一超宽带天线的工作带宽通常很大，以致在如此宽的带宽内方向图和增益特性都会发生显著的变化。

各项同性天线在所有方向上能均匀辐射并吸收能量，真正的各向同性天线是不可能实现的。

全向天线在其方位角面（也就是说，在某个特定的平面上）上能均匀地辐射和接收能量，这样的全向方向图是可以得到的。事实上，偶极子和小环天线都是全向天线的极好例子。这种全向的方向图如同面包圈形状，方向图的盲点就好比是面包圈中心的“洞”。

消费类电子产品（如蜂窝电话）通常采用全向天线，这些设备通常垂直或近似垂直指向 （实际上可以任意指向）链路的另一端（比如基站发射塔）。因此，全向天线使得这些设备可与其他放置在同一平面内任何位置上的设备建立连接。

定向天线使能量相对集中在一个较窄的场形内，将其用于点对点通信链路或者通信链路两端的天线要对准的应用场合是非常理想的。 典型的定向天线包括喇叭天线和反射器天线，当电磁能量从喇叭天线发射出来后，电场垂直于天线单元，一旦得知天线单元的指向和分布情况，就可以知道电场的指向。

天线的方向图函数 P ( θ , φ ) P(\theta, \varphi) P(θ,φ)描述的是天线辐射和接收能量的空间分布情况；半功率（或 -3dB) 点定义的是天线的场形。对千理想的各向同性天线， P ( θ , φ ) P(\theta, \varphi) P(θ,φ), 方向图在各个方向都是均匀的，无限细的电小偶极子天线的方向图函数 P ( θ , φ ) = s i n 2 θ P(\theta, \varphi) = sin^2\theta P(θ,φ)=sin2θ, 这种天线的方向图是全向的，与 φ \varphi φ无关，通过令 P ( θ , φ ) = s i n 2 θ = 0.5 P(\theta, \varphi) = sin^2\theta=0.5 P(θ,φ)=sin2θ=0.5可以求出半功率点位于±45° 处。波束宽度由半功率点之间的张角确定，因此电小偶极子天线具有 90° 的仰角波束宽度和全向的方位面方向图。

方向图描述的是天线的方向，或者能量在特定角度上的集中程度；天线的方向性系数则定量地描述能量指向的能力，若一个天线可将更多的能量集中在更小的角度内，则它在主瓣内辐射和接收信号的能力就越强；同样条件下，以各向同性天线信号强度作为基准，得到的信号强度增加量就是增益，增益与方向性系数成正比，其比例系数就是天线的效率。 天线的孔径描述的是天线的有效面积，即其获取入射电磁波的能力。

方向性系数的定义为方向图内所表示的峰值能量与平均能量的比值：

方向性系数与增益是通过效率 η \eta η联系起来的，效率就是辐射功率 P r a d P_{rad} Prad​与输入功率 P i n P_{in} Pin​之比。 对于理想的或者高效率天线（ η = 1 \eta=1 η=1)，增益与方向性系数相等 (G=D)，两者是紧密联系的。 天线的方向性越强，它把能量集中到特定角度中的能力越强，增益也越高。增益与方向性之间的关系正是能量守恒原理在天线系统中的典型体现。 对于增益为1的各向同性天线，其发射功率比均匀分布在距离天线半径为r的球面上，因此可得其辐射功率密度为： 对于一个非各向同性、 G T X G_{TX} GTX​不等于1的天线而言： 等效各向同性辐射功率为： G T X G_{TX} GTX​是发射天线的最大或峰值增益。

天线的有效孔径是指它的有效捕获面积，即天线能接收到的入射波波前面积。天线的有效孔径可以通过增益与工作波长得到： 一般地，等效孔径都是根据天线的最大增益来定义的。对于增益为G=1的各向同性天线，其等效孔径为 A = λ 2 4 π A=\frac{\lambda^2}{4\pi} A=4πλ2​因此其孔径可以等效为 r = λ 2 π = c 2 ω r=\frac{\lambda}{2\pi}=\frac{c}{2\omega} r=2πλ​=2ωc​的圆盘。由这个半径定义的球面通常称为“弧度球”，这层球壳定义的是小天线近区（感应场区）场幅度与其远区（辐射场区）场幅度可比较的边界，也就是近场与远场的分界线。 r = λ 2 π r=\frac{\lambda}{2\pi} r=2πλ​这个距离 给出的同时也是两种场能相互耦合的距离。 接收功率 P R X P_{RX} PRX​等于入射波功率密度与等效孔径之积 假设等效孔径为 A、增益为 G R X G_{RX} GRX​的接收天线接收从距离 r 处、增益为 G T X G_{TX} GTX​的发射天线发射出来的信号: 上式就是著名的弗里斯定律(Friis)定律，这个定律表述了自由空间中两个天线间的基本联系，它是研究天线传输特性的出发点。 不难发现，对于一对等增益天线，接收功率将以 1 4 π r 2 \frac{1}{4{\pi}r^2} 4πr21​的规律衰减，这是由于在距离r上，发射功率分布在面积为 4 π r 2 4{\pi} r^2 4πr2的球面上。另一方面，这个规律还显示就收功率比随着频率 f f f的增加而按照 1 f 2 \frac{1}{f^2} f21​的规律衰减，这两种效果叠加起来就是“路径损耗”。同时也给人一种这样的印象：自由空间中的传输衰减与频率相关，当然实际上并不是这样。真正的原因在于增益与孔径的定义——恒定增益的天线，对频率变化具有不变的方向图。例如，一个具有半波振子方向图的天线，随着频率变化，其电尺寸也在变化。频率增倍后，方向图不变，天线的尺寸减小一半，结果其有效孔径只有原天线的 1/4, 也就是只能接收到原低频情况下天线能收到能量的 1/4, 这就 是弗里斯 (Friis) 定律为什么带有 1/ (f^2)项的原因。

人们还把接收到的信号电压与入射场强联系在一起，天线因子AF就是入射场强 ∣ E i n c ∣ \left| E_{inc}\right| ∣Einc​∣与接收电压 V r e c V_rec Vr​ec的比值。 天线因子具有长度单位倒数的量纲。通常天线因子用“分贝” 表达，由千它本身并不是一个无量纲的量，因此必须找到参考量。好的天线因子列表中通常能给出采用何种单位的解释，一种常用的选择就是用分贝（微伏／米）（dBµv/m) 作为入射 场强的单位，用分贝（微伏）（dBµv) 作为接收电压的单位。由于使用分贝来表示，原有的乘法运算变成了对数的加法运算，因此有： 其中， C 是天线电缆引入的损耗分贝数。 天线因子还能与前述的其他天线参数联系起来，它与天线孔径之间的关系式是： 其中， Zs=376.7Ω, 为自由空间的波阻抗， Zload为负载阻抗，假定 Zload=50Ω 另外，天线因子AF与信号频率，天线增益之间的关系为： 记得天线因子的量纲是波长单位的倒数，天线因子同时也是“有效天线高度”的倒数（有效天线高度与信号波长相等）。

与普通的窄带天线不同，超宽带天线的增益、功率、孔径等参数都是频率的函数:

对于效率很高的天线，增益等于其方向性系数。若一个天线能作为频率上的恒增益和恒效率的天线来看待，则它应该同时具有恒定的增益和方向性系数，这也就意味着天线在工作频带内的方向图没有变化（这样才能得到恒定的增益）。 通常（但不总是这样）恒增益天线都具有较低的增益和全向的场形。对于超宽带天线而言，对频率变化而保持恒定的方向图通常是必需的，这也意味着天线的场形随着频率变化而保待固定不变。高频和低频分量能得到均匀的辐射，在时域中表现为小的色散。

观察上式我们知道，如果增益 G T X G_{TX} GTX​对频率的变化保持恒定，则保持恒定的发射功率密度 P T X P_{TX} PTX​就能得到恒定的全向辐射功率(EIRP)。由于典型规定的限制（比如 FCC 提出的要求），需要在特定频段内保持恒定的 EIRP, 恒增益天线需要恒定的发射功率密度，因此天线的设计者仅需要注意天线增益随频率的变化。 观察上式我们知道，接收端天线恒增益意味着天线的孔径与频率的平方成反比，随着频率增加，恒增益天线接收到的能量将会减少。 总之，用 3 种属性才能描述一个恒增益天线：第一，恒增益天线具有固定不变的方向图和最小的色散；第二，恒增益天线需要恒定的功率密度激励，才能获得恒定的 EIRP（全向辐射功率）信号； 第三，如果恒增益天线接收恒 EIRP 信号，则接收功率密度在频带内按 1 f 2 \frac{1}{f^2} f21​递减。

恒孔径天线的等效孔径在工作频段内保持某一定值。 由上式可知，如果等效孔径 A R X A_{RX} ARX​随频率变化保持恒定则天线增益 G R X G_{RX} GRX​需要与 f 2 f^2 f2成正比。折合天线增益将以6dB/频程的速度增加。但是如果增益上升，则场形和方向图就会变窄，它辐射或接收的波形将在场形的边缘出现色散。喇叭天线和反射器天线通常（但不总是）都是恒孔径特性的，恒孔径天线倾向属于定向辐射、高增益和体积相对较大的一类天线。 恒定的 EIRP 信号将获得恒定的接收功率密度。因为恒孔径天线的增益一般较高，接收功率会比采用低增益全向天线接收的情况高。若应用场合能允许场形随着频率变化而变得足够的窄，则恒孔径天线可以作 为一种很好的接收天线。

用作发射天线时，恒孔径天线的优点就没有那么突出。高增益的恒孔径天线必须用千补偿为了保持固定 EIRP 规定而采用的低发射功率。再一次地，采用恒孔径接收天线得到的是恒定的接收功率谱密度，增益相对较高的恒孔径接收天线比同等情况下的全向接收天线能接收到更多的功率。恒孔径天线的窄场形，在需要定向辐射能量的应用场合下很有好处，因为D能避免干扰。否则，其他场合下采用恒孔径天线发射，与采用全向天线发射相比并没有显著的优点。

总之，同样需要用 3 种属性来描述恒孔径天线：第一，恒孔径天线具有较窄的场形，在 场形的边缘会出现波形色散的情况；第二，若要辐射恒 EIRP 信号，恒孔径天线需要功率 密度按照 1 f 2 \frac{1}{f^2} f21​下降；第三，若恒孔径天线接收恒 EIRP 信号，则带内的接收功率密度将保持恒定。

恒增益天线与恒孔径天线是两种用于解释各种重要超宽带天线行为的原型：典型的恒增益 天线是具有类似偶极子方向图、在工作频段内具有连续而恒定增益特性的小单元天线；典型的恒孔径天线是具有较窄波束、且波束在工作频段内不断变窄的喇叭天线。这两种原型天线固然重要然而它们并不代表全部的超宽带天线。** 恒定方向图特性对超宽带天线而言是非常需要的特性**，因为它能避免波形的色散以及方向图随着频率变化而引起的其他畸变现象。恒定的方向图通常意味着恒定的增益，然而，可以通过利用低频段辐射效率下降从而造成增益下降的原理来控制增益的增加，合成恒定的方向图。

对千传输方向而言，电磁波是横波，即电场的指向落在垂直于传播方向的平面内，极化就是定义这种指向的特性。垂直极化波的电场分量是垂直指向的，水平极化波的电场分量是水平指向的，当收发天线的主极化轴没有完全对正、假定互成夹角 α \alpha α 的情况下，与完全对正的情况相比， 接收信号功率将乘以系数 c o s 2 α cos^2{\alpha} cos2α, 表明接收信号功率有所衰减。若两个天线的轴线是垂直的 ( α = 90 ° \alpha=90° α=90°)，那么将收不到任何信号。