一種新型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)

1、 研究與開發(fā)研究與開發(fā) 提出了一種微帶線饋電的新型平面超寬帶單極天線。該天線由帶有弧邊的金屬貼片與開槽接地板構(gòu)成，通過(guò)等腰梯形與圓弧形相結(jié)合的方式對(duì)接地板進(jìn)行開槽，將其等分為相互耦合的兩部分，起到了阻抗匹配與拓寬帶寬的效果。仿真結(jié)果表明反射損耗在-10dB 以下的頻率覆蓋范圍為311.8GHz ，并且在3.411.2GHz 頻帶駐波比在1.5以下，具有良好的全向輻射特性。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，適合在UWB 通信中應(yīng)用。關(guān)鍵詞微帶線饋電；平面超寬帶單極天線；等腰梯形；圓?。婚_槽一種新型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)*趙紅梅，田向，路立平（鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院鄭州450002）摘要1引言近年來(lái)，

2、隨著對(duì)無(wú)線通信需求的不斷增加，超寬帶技術(shù)作為一種短距離高速率無(wú)線通信技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。2002年美國(guó)FCC （federal communications commission ，聯(lián)邦通信委員會(huì)）規(guī)定UWB 頻段為3.110.6GHz 1，自此有許多技術(shù)針對(duì)這一頻段展開研究。作為超寬帶通信技術(shù)的重要組成部分，UWB 天線應(yīng)具有頻帶寬、全向輻射、輻射效率高等特點(diǎn)2；同時(shí)，為了適應(yīng)電路集成化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)，超寬帶印制單極天線在通信設(shè)備中被廣泛采用35。對(duì)于微帶線印制單極天線，為實(shí)現(xiàn)其超寬帶特性，應(yīng)從天線輻射體與微帶線兩方面考慮，通過(guò)調(diào)整其結(jié)構(gòu)和尺寸實(shí)現(xiàn)超寬帶性能。參考文獻(xiàn)6采用了對(duì)地板

3、開一個(gè)半圓形槽的方式，改善天線在58.2GHz 的輻射性能，并起到在一定頻帶內(nèi)穩(wěn)定增益的效果，但并不能改善更低頻帶的輻射特性；參考文獻(xiàn)7采用了漸變的叉狀調(diào)諧枝節(jié)和對(duì)稱的金屬底板獲得超寬帶的頻率性能，但天線尺寸較大；參考文獻(xiàn)8采用具有矩形和圓形組合結(jié)構(gòu)的饋電單元和輻射單元展寬天線工作帶寬。參考文獻(xiàn)9提出具有漸變梯形接地面結(jié)構(gòu)（A 型）和具有凹形接地面結(jié)構(gòu)（B 型）兩種印制天線，本文對(duì)B 型天線進(jìn)行改進(jìn)，將凹形開槽接地面調(diào)整為等腰梯形與半圓弧相結(jié)合的開槽接地面，同時(shí)將矩形輻射貼片的側(cè)邊改為弧狀，從而大大減小了天線尺寸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，成本低。2天線結(jié)構(gòu)和特性分析根據(jù)參考文獻(xiàn)9中提到的等效原理設(shè)

4、計(jì)天線尺寸，并通過(guò)HFSS 軟件仿真對(duì)其尺寸進(jìn)行調(diào)整，最終確定天線各尺寸的大小。整個(gè)介質(zhì)基片長(zhǎng)L =30mm ，寬W =28mm ，采用厚度H =1.6mm 、相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4材料，根據(jù)微帶線74電信科學(xué)2011年第8期的特性阻抗計(jì)算公式，可以得出微帶線寬度為3mm 。微帶線饋電的小型化超寬帶天線及尺寸如圖1所示。 對(duì)于小型化超寬帶微帶天線，最不易滿足的就是低頻帶參數(shù)，隨著天線尺寸的減小，其諧振頻率點(diǎn)也相應(yīng)地增大。在天線尺寸一定小的情況下改善低頻帶性能，需要采取一定的方法間接地達(dá)到“增加”天線尺寸的目的。本文提出的微帶天線，通過(guò)調(diào)整輻射金屬貼片兩弧邊的弧度變化改善中低頻帶的反射損耗

5、，并通過(guò)在接地板開等腰梯形凹槽和半圓形槽拓寬帶寬，同時(shí)在仿真中還發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)調(diào)整微帶線的長(zhǎng)度可以有效地將諧振點(diǎn)左移，從而改善低頻帶性能。輻射貼片弧邊的弧度對(duì)天線性能影響很大，改變其大小，可以改善微帶線與輻射貼片之間的阻抗匹配以及輻射貼片上電流的流通路徑，在天線其他各個(gè)參數(shù)不變的情況下，通過(guò)調(diào)整輻射貼片弧邊的弧度變化觀察天線的反射特性。橢圓長(zhǎng)軸為15mm 時(shí)，輻射貼片弧邊的弧度為0.4、0.3、0.2、0.1時(shí)對(duì)反射系數(shù)的影響如圖2所示。由圖2可見，隨著橢圓弧度的增加，兩諧振頻率點(diǎn)間距縮小，使36GHz 處的反射損耗變小，有效地拓展了低頻帶帶寬，改善了低頻帶反射系數(shù)。為了進(jìn)一步改善天線的輻

6、射特性，在其他各個(gè)參數(shù)不變的情況下，對(duì)地面四邊形凹槽形狀進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)天線表面的電場(chǎng)分布可以發(fā)現(xiàn)，微帶線表面電場(chǎng)與其正下方接地面表面電場(chǎng)形成強(qiáng)耦合，耦合電場(chǎng)與微帶線表面電場(chǎng)大小成正比，相位相反。在電場(chǎng)沿著微帶線流入輻射貼片進(jìn)行輻射的同時(shí)，微帶線正下方接地面表面形成的強(qiáng)耦合電場(chǎng)也順著微帶線流向輻射貼片方向，并在接地面截?cái)嗵幭騼蛇厰U(kuò)散。通過(guò)對(duì)微帶線上頻率為3GHz 處場(chǎng)強(qiáng)及接地面耦合場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在接地面中間開等腰梯形凹槽時(shí)，微帶線上流入輻射貼片的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，但耦合到接地面的場(chǎng)強(qiáng)卻增強(qiáng)，使得大部分3GHz 處的電場(chǎng)強(qiáng)度通過(guò)接地面輻射出去，有效地減小了反射系數(shù)。頂邊為1mm 、底邊為0.2

7、mm 、高為10.5mm 的等腰梯形凹槽和寬0.2mm 、高10.5mm 的矩形凹槽與無(wú)矩形和等腰梯形凹槽3種情況對(duì)天線性能的影響如圖3所示。由圖3可見，在地面開槽可以使諧振頻率點(diǎn)左移，使低頻性能變優(yōu)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)漸變的等腰梯形凹槽效果要好于矩形槽。通過(guò)觀察頻率為3GHz 處接地面耦合電場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)半圓形槽可以有效地將電場(chǎng)平滑地引流到接地面兩側(cè)，使得在3GHz 附近的反射系數(shù)降低，調(diào)整接地板上的半圓形槽的圓心位置觀察天線特性的變化。圓心距接地面0.8mm 、1.2mm 、1.6mm （即沒(méi)有圓弧凹槽），半徑為1.6mm圖1微帶饋電印制單極天線結(jié)構(gòu)（單位：mm） 圖2輻射貼片弧邊的弧度對(duì)天線反射系數(shù)

8、的影響75 研究與開發(fā) 的圓所形成的圓弧形凹槽對(duì)天線性能的影響如圖4所示。由圖4可見，隨著地面圓弧切口的增大，低頻諧振頻率點(diǎn)性能變優(yōu)，為了滿足低頻處3.1GHz 最小頻點(diǎn)的性能要求，應(yīng)選擇較大的圓弧切口。微帶線長(zhǎng)度是接地面長(zhǎng)度和接地面與輻射貼片之間的縫隙寬度之和。通過(guò)參考文獻(xiàn)9可知，間隙和接地面都作為振子體的一部分產(chǎn)生輻射作用，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整可以改變饋入電抗成分和振子結(jié)構(gòu)，增加輻射體尺寸，改善低頻諧振頻率。當(dāng)間隙調(diào)整到1.5mm 時(shí)性能最優(yōu)，在間隙不變的情況下，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整微帶線的長(zhǎng)度觀察天線性能的變化。微帶線長(zhǎng)度對(duì)天線性能的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著微帶線長(zhǎng)度的增加，諧振頻率點(diǎn)左圖3天線接

9、地面四邊形凹槽對(duì)天線性能的影響圖4天線接地面圓弧形凹槽對(duì)天線性能的影響圖5微帶線長(zhǎng)度對(duì)天線性能的影響76電信科學(xué)2011年第8期 移，但諧振點(diǎn)間距不變。 3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論對(duì)于優(yōu)化后的天線，因其在接地面上引入等腰梯形和圓弧形凹槽，在輻射貼片與接地面之間引入的電抗成分增加，減小了因頻率變化而引起的阻抗偏移，使其反射系數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)都能滿足要求，如圖6所示。由圖6可見，在311.8GHz 反射損耗都在-10dB 以下，在3.411.2GHz 頻帶駐波比保持在1.5以下。對(duì)于不同頻率的天線方向，仿真結(jié)果如圖7、8所示，它們分別是頻率為3GHz 、6GHz 、9GHz 處的天線xOz 面與y O

10、z 面的方向圖，在3GHz 時(shí)天線增益保持較好的全向性，但隨著頻率的增加，部分方向上的增益變化很大。由天線在x O z 平面的方向圖可見，隨著頻率的增加，增益在30°、90°（+x ）、180°（-z ）、270°（-x ）4個(gè)方向附近下降比較快，而對(duì)于y O z 面，主要在0°（+z ）、90°（+y ）、180°（-z ）方向增益下降。觀察x O z 輻射方向圖，可以發(fā)現(xiàn)在±x 方向輻射并不對(duì)稱，尤其是頻率在9GHz 時(shí)表現(xiàn)最為明顯，此現(xiàn)象也可以通過(guò)天線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況看出，其主要原因是電場(chǎng)通過(guò)微帶線進(jìn)入輻

11、射貼片過(guò)程中，一部分耦合到了接地面，并通過(guò)接地面向空間輻射，隨著頻率的增加，耦合到接地面的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯小于“流入”輻射貼片的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此才出現(xiàn)±x 方向輻射不對(duì)稱的情況。 在x O z 與y O z 方向圖中也可以發(fā)現(xiàn)，±z 方向的增益也不對(duì)稱，其主要是由于在輻射面兩側(cè)介質(zhì)不同而造成的；隨著頻率的增加，-z 方向的增益衰減明顯大于+z 方向，這說(shuō)明介質(zhì)的介電常數(shù)越大，儲(chǔ)存到介質(zhì)中的電場(chǎng)能量越大10，增益衰減將會(huì)越大。4結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)參考文獻(xiàn)9中B 型天線各尺寸進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)接地板和輻射貼片進(jìn)行改進(jìn)，從而提出一種新型的超寬帶微帶單極子天線，其尺寸為28mm ×30m

12、m ，相對(duì)于原來(lái)的31.5mm ×38.2mm ，尺寸明顯減小，阻抗帶寬為311.8GHz，圖6天線反射損耗仿真結(jié)果圖7x O z平面方向圖圖8y Oz 平面方向圖77 研究與開發(fā)滿足FCC 規(guī)定的超寬帶帶寬3.110.6GHz 的要求，并且在3.411.2GHz 內(nèi)駐波比都保持在1.5以下，具有很好的全向輻射特性：采用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)，價(jià)格便宜，易于制作和集成。但還需要做進(jìn)一步研究，一方面進(jìn)一步減小其體積，另一方面使其在5.155.825GHz 11，12具有帶阻特性，以遏制與其他通信頻段的相互干擾。參考文獻(xiàn)1Federal Communications Commiss

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14、onference，Loughborough，UK，20095Zaker Reza，Abdipour Abdolali. A very compact ultrawideband printed omnidirectional monopole antenna. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010（9）：4714736賈登權(quán)，史志緯. 一種新型超寬帶微帶天線. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（1）：41427程勇，呂文俊，程崇虎等. 一種小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：5825858張文梅，陳雪，

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16、d M R Razavizadeh. A band -notched UWB microstripantenna with a resonance back C -shaped ring. In：Second International Conference on Advances in Satellite and Space Communications，Athens，Greece，2010作者簡(jiǎn)介趙紅梅，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄉ漕l天線技術(shù)、超寬帶無(wú)線通信技術(shù)；田向，鄭州輕工業(yè)學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾⌒突瑢拵炀€；路立平，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)閭鞲衅?、電子測(cè)量和

17、檢測(cè)控制等。Design of a Novel Planar Ultra -Wideband AntennaZhao Hongmei，Tian Xiang，Lu Liping（College of Electric and Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China）Abstract A microstrip -fed novel planar ultra -wideband monopole antenna with a metal patch of arc sid

18、e and a notched ground plate is proposed. A notch of semicircle unite isosceles trapezoid structure divided the ground into two coupled parts，the antenna impedance matching and bandwidth have been enhanced. The simulation results show that return loss-10dB bandwidth covers a frequency range between 3GHz and 11.8GHz. And the frequency range that VSWR 1