超宽带是一种新颖的无线通信技术,它在现代无线系统中有着广泛的应用,如超宽带通信系统、超宽带雷达系统和超宽带电子侦察系统等。超宽带系统的飞速进步使得各种超宽带电子设备都朝着小型化方向发展,这就要求研制出能与之相适应的超宽带小型化天线。本文以一种具有超宽频带的天线类型——圆片单极天线为基础,提出了几种在阻抗带宽以及辐射特性等方面均能满足通信要求的新型超宽带小型化天线,通过理论分析、仿真设计和实验测量等手段对各类型天线进行了系统的研究。作为全篇的理论基础,本文首先用三个模型研究了圆片单极天线之所以能够在超宽频带范围内获得较好阻抗特性的原因。按照行波驻波模型,天线在低频端运行于驻波模式,在高频端运行于行波模式,因为行波模式的存在使得天线的带宽很宽;按照多环多谐振模型,圆片单极天线可以被认为是多环叠加或者多环互补复合而来的,多个相近谐振模式的重叠使得圆片单极天线拥有非常宽的带宽;按照渐变线模型,圆片天线与由指数渐变线、三角渐变线、Klopfenstein渐变线以及抛物线渐变线构成的天线非常类似,这些渐变线宽带阻抗匹配特性非常好,因而圆片天线本身也可以获得非常宽的阻抗带宽。圆片单极天线具有良好的电特性,分析结果表明其至少具有10:1以上的阻抗带宽和全向性的方向图,同时具有无失真的收发时域短脉冲信号的能力。这种天线虽然有诸多优点,但是因为其地板垂直于辐射器,天线的空间尺寸较大,因此本文提出了平板圆片单极天线,该结构大大缩小了地板的空间尺寸,并且能够通过剪切、折叠和弯角的方法进一步缩减天线的尺度。为了解决天线的风载问题,本文提出了超宽带环形单极天线,单环和多环结构都能够在保持天线基本特性不变的情况下提高天线的抗风能力,利用相似原理设计的大尺寸环状单极天线具有更广阔的实用价值。超宽带天线固然可以用一副天线覆盖超宽频带,但是不同的应用条件对天线的带宽有不同的要求,为此提出了能够将频率高端阻陷的天线形式,即波浪边缘的圆片及环形单极天线,其频率覆盖范围基本上在3.1~10.6GHz民用超宽带通信范围之内。以上设计都是为适应不同的需求,通过改变圆片天线的形状或者结构来达到天线小型化的目的,除此之外,还可以通过电阻加载改变天线的电流分布来实现天线的小型化。电阻加载圆片单极天线是在圆片单极子两侧进行电阻加载,天线末端两侧的电流被电阻吸收,从而减小了低频反射信号的幅度,拓展了天线的低端频率,实际上也就是缩小了天线的尺寸。电路中的渐变线理论可以引入到异型单极子天线的设计中,以获得更为良好的电特性。为此本文对圆片单极天线进行了优化设计,提出一种新型的Klopfenstein渐变单极天线。基于阻抗匹配性能最优的Klopfenstein渐变线设计的立体单极子天线,其电性能与圆片单极天线十分类似。在此基础上,分别设计了共面波导以及微带馈电的平面Klopfenstein渐变单极天线。仿真和实测结果证明,这些天线尺寸较小且性能良好,平面印刷结构可以使天线方便的与其它射频电路集成。这种利用渐变线理论直接设计天线的思路可以为实际应用提供有价值的参考。本文的主要目的是解决超宽带天线设计中的小型化问题,为此提出了几种天线设计的思路和方法,并制作了相应的实物,进行了实际测量,得出了必要的分析结果。所研究的超宽带小型化天线主要针对3.1~10.6GHz的民用超宽带通信频段,但不局限于此,其研究成果可以向更宽的频带推广,为相应的军事和民用需求提供参考与借鉴。