一種新型小型化的雙陷波超寬帶天線的設計

1、    一種新型小型化的雙陷波超寬帶天線的設計隨著室內(nèi)高速無線數(shù)據(jù)接入技術的發(fā)展，要求無線通信系統(tǒng)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。特別是IEEE802.15.3a標準提出分配3.110.6 GHz頻段給超寬帶使用后，超寬帶通信系統(tǒng)越來越受到重視?？紤]到與以往天線的設計要求，UWB天線不僅要求天線具有體積小、良好的輻射效率、全向覆蓋特性，同時應避免和其他通信系統(tǒng)相互干擾，主要重疊的通訊頻段有WLAN（5.25.8 GHz），WIMAX（3.33.6 GHz）和c波段（3.74.2 GHz）雷達通信系統(tǒng)，因此能否     隨著室

2、內(nèi)高速無線數(shù)據(jù)接入技術的發(fā)展，要求無線通信系統(tǒng)具有更大的數(shù)據(jù)吞吐量。特別是IEEE802.15.3a標準提出分配3.110.6 GHz頻段給超寬帶使用后，超寬帶通信系統(tǒng)越來越受到重視?？紤]到與以往天線的設計要求，UWB天線不僅要求天線具有體積小、良好的輻射效率、全向覆蓋特性，同時應避免和其他通信系統(tǒng)相互干擾，主要重疊的通訊頻段有WLAN（5.25.8 GHz），WIMAX（3.33.6 GHz）和c波段（3.74.2 GHz）雷達通信系統(tǒng)，因此能否實現(xiàn)小型化UWB天線及雙阻帶性能已成為當今研究的重點。微帶天線以其剖面薄、體積小、重量輕、可與載體表面相共形、易集成、成本低、易制作等優(yōu)點備受關注，

3、常見的小型UWB天線主要包括印刷型單極子和寬縫隙天線。從上述背景出發(fā)，本文設計了一種雙U縫隙的UWB天線，帶寬2.9712.75 GHz（VSWR<2），在滿足天線性能的基礎上實現(xiàn)了雙阻帶功能565 MHz（3.354.00 GHz）和590 GHz（5.235.82 GHz）。在天線設計中，地板采用了CPW饋電結構，通過調(diào)節(jié)饋線寬度W3可以達到高頻匹配，實現(xiàn)設計天線的小型化；輻射板采用了圓形輻射板CDM，通過調(diào)節(jié)它的半徑可以實現(xiàn)低頻段的阻抗匹配；輻射板上雙U縫隙的作用是產(chǎn)生雙阻帶，避免與其他通訊系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾。在經(jīng)驗的基礎上進行了大量的仿真實驗，獲得天線的具體結果參數(shù)。通過實物測量，

4、顯示天線性能基本得到滿足，是一種具有實用意義的UWB天線。1 天線結構設計天線的具體尺寸結構示意圖如圖1所示。圓形輻射板、微帶饋線和地板印制在FR4介質(zhì)板的同一面，F(xiàn)R4介質(zhì)板厚度h=1.0 mm，相對介電常數(shù)r=4.4，尺寸為20.0 mm×27.0 mm×1.0 mm。饋線寬度設計為W3=5 mm與50 端口進行匹配。其中，天線尺寸為：W=20 mm，L=27 mm，R=10 mm，W1=8 mm，W2=3.5 mm，W3=5.0 mm，L1=10mm，L1=10.2 mm，L2=7.8 mm，s1=0.8 mm，s2=1 mm，s3=0.6 mm。圖1 天線的具體尺寸

5、結構示意圖（1）地板對天線駐波的影響?；趫A形輻射板超寬帶天線理論已被廣泛引用。文中超寬帶天線的輻射板采用圓形輻射板，在天線設計中采用了新型復合地板，它由兩個半橢圓組成通，通過調(diào)節(jié)橢圓主半徑和長短軸比，可以實現(xiàn)高頻段的阻抗匹配（VSWR<2）。在天線設計中為了實現(xiàn)天線的小型化，可以通過調(diào)節(jié)地板的參數(shù)使得天線的駐波比特性達到設計要求。設計天線的寬度W=20 mm情況下，仿真結果中橢圓的主半徑為4.9mm，如圖2所示，實現(xiàn)了小型化天線的設計。圖2 駐波比隨W1變化的特性（2）U型縫隙對天線駐波的影響。通過在饋線和輻射板上設計雙U型縫隙實現(xiàn)了雙陷波特性。圖3所示給出了設計天線開鑿對駐波比的影響

6、。從圖中可以看出，該天線的帶寬為2.9712.75 GHz，已經(jīng)超過了超寬帶所給定的帶寬3.010.6 GHz。腐蝕在饋線和輻射板上的U型縫隙寬度分別設為S1，S2和S3，大小直接影響阻帶帶寬。與文獻的設計比較，它們的縫隙都是開在輻射板上，這種設計可以在輻射板上激勵新的電流起到諧振作用。本文開了兩個U型縫隙，可以產(chǎn)生雙諧振作用。圖3 開鑿前后天線的駐波比特性縫隙2開在輻射板和饋線的連接部分，它的設計特點在于不僅可以產(chǎn)生諧振，而且對饋線電流到輻射板電流起到匹配作用。當改變縫隙2的位置時，可以減小饋線和輻射板之間的反射，調(diào)節(jié)駐波比的大小。仿真過程中發(fā)現(xiàn)中心諧振頻率被縫隙的長度L1，L2直接影響，長

7、度變短時，中心頻率變大，否則相反。通過分析知道，縫隙的本質(zhì)作用相當于12波長諧振器。在這個基礎上，通過仿真優(yōu)化實現(xiàn)了所需阻抗特性如圖4所示。加工時，寬度<0.1 mm的縫隙不易加工，所以仿真優(yōu)化中，S1，S2和S3最終取值分別是0.8 mm，1 mm和0.6 mm以達到整體優(yōu)化的折衷。圖4 駐波比隨L1、L2變化的特性2 結果分析天線實物如圖1所示。天線的仿真使用了Ansoft公司的高頻仿真軟件HFSS11，天線的駐波比測量使用的是安捷倫E8363B網(wǎng)絡分析儀。駐波比的仿真結果與測量結果的比較如圖5所示。測量結果表明整個天線的帶寬為2.9712.75 GHz（VSWR<2），滿足U

8、WB的工作帶寬要求。并且實現(xiàn)了雙阻帶特性，兩個阻帶帶寬分別為3.354.00 GHz和5.235.82 GHz。仿真和測量結果在低頻較吻合，但高頻段測量時的駐波比結果稍微大于仿真結果，兩個阻帶同時有輕微右移，這是因加工精度和介質(zhì)材料的介質(zhì)常數(shù)不均勻所引起的，這種誤差在應用中是允許的。圖5 駐波比的仿真結果與測量結果的比較為考察天線在整個工作頻段內(nèi)的輻射特性，測量的工作頻率為3 GHz、6 GHz和9 GHz時的天線E面和H面的輻射方向圖，具體如圖6所示。天線的H面輻射方向圖具有良好全向特性，不圓度<8 dB。整個頻段內(nèi)其輻射方向圖的形狀能保持穩(wěn)定而且具有較好的不圓度，滿足超寬帶通信系統(tǒng)對天線輻射特性的要求。圖6 天線在3 GHz、6 GHz和9 GHz時的方向圖3 結束語本文提出了一種新型小型化UWB微帶縫隙天線。陷波特性是通過在饋線和輻射板上開兩個U型縫隙，引入半波長諧振結構而獲得的。通過電磁仿真軟件HFSS11仿真計算，確定了天線的幾何尺寸。在微波暗室中對天線實物樣品的輸入端反射特性、輻射方向圖等進行測量。研究結果顯示，天線的仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)有較好的一致性，該天線在2.9