基于微帶饋電的平面單極子超寬帶天線(xiàn)

1 引言

自從2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communication Committee, FCC）開(kāi)放超寬帶標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，超寬帶技術(shù)引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。超寬帶傳輸具有高傳輸率，低輻射、低散射損耗等特點(diǎn)。用于脈沖輻射和接收的超寬帶天線(xiàn)是超寬帶系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。所以對(duì)超寬帶小型化天線(xiàn)的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。

過(guò)去幾年的研究表明，TEM 喇叭 、貼片天線(xiàn)和開(kāi)槽天線(xiàn)等可以作為超寬帶天線(xiàn)使用，其中貼片天線(xiàn)有輪廓低、重量輕、容易集成和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信的應(yīng)用中有潛在的優(yōu)勢(shì)。但是貼片天線(xiàn)的帶寬比較窄，一些研究者已經(jīng)嘗試做了增進(jìn)帶寬的工作，電阻加 載和改變天線(xiàn)的形狀是兩類(lèi)成功的嘗試。電阻加載會(huì)降低天線(xiàn)的效。有的平面單極子天線(xiàn)有一個(gè)較大的地板與天線(xiàn)臂垂直放置，這給天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)帶來(lái)了不便。 共面波導(dǎo)饋電和開(kāi)槽相結(jié)合的方法也可以增加天線(xiàn)的帶寬。FCC批準(zhǔn)商用的UWB 系統(tǒng)可以工作在3. 1~10. 6 GHz的頻帶內(nèi)，本文嘗試通過(guò)改變振子和饋線(xiàn)形狀來(lái)增加帶寬。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出在2.8 GHz-18.6GHz的頻帶內(nèi)回波損耗小于-10 dB。

2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

天線(xiàn)被設(shè)計(jì)在一塊大小為25 mm × 30 mm，厚度為1.9 mm，介電常數(shù)為4.4的Rogers5880基片上。天線(xiàn)采用微帶線(xiàn)饋電，輻射臂和地板分別位于基片的兩側(cè)，地板的大小為25 mm ×14 mm。為了增加天線(xiàn)的帶寬，微帶饋線(xiàn)被設(shè)計(jì)錐形漸變線(xiàn)，其長(zhǎng)度為15 mm，輸入阻抗為50Ω。在改變微帶饋線(xiàn)形狀的同時(shí)，也采用了非對(duì)稱(chēng)饋電的方法來(lái)增加天線(xiàn)的帶寬，通過(guò)參數(shù)仿真，饋電點(diǎn)選在了天線(xiàn)偏左的位置。天線(xiàn)的具體 參數(shù)值為：?jiǎn)挝唬╩m）

（1）介質(zhì)基片：W=25，L=30，H1=1.9；（2）地板：L1=14，H2=0.08，g=1；（3）錐形漸變線(xiàn)：W1=3，W2=8，S=3.6，S₁=1.6，L3=2.5，L4=3.5，L5=9，H=0.08；（4）輻射臂：W3=25，W4=15，r1=5，r2=5。

　　圖1 天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)

3 天線(xiàn)的仿真結(jié)果

為了使所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)在回波損耗小于-10 dB的頻帶內(nèi)具有最大的增益。設(shè)計(jì)中使用了基于有限元法的仿真軟件CST MWS對(duì)天線(xiàn)的參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。仿真的最后結(jié)果如圖2所示，從中可以看到在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內(nèi)，天線(xiàn)的回波損耗小于-10 dB。

　　圖2 天線(xiàn)的回波損耗

　　6GHz E 平面 （Y-Z 平面）

　　6GHz H 平面（Y-X 平面）圖3（A）

　　9 GHz E 平面（Y-Z 平面）

　　9 GHz H 平面 （Y-X 平面）圖3（B）

　　16 GHz E 平面 （Y-Z 平面）

　　16 GHz H 平面 （Y-X 平面）圖3（C）

　　圖3 天線(xiàn)的輻射方向圖

　　圖4 天線(xiàn)的增益

圖4為天線(xiàn)的增益對(duì)頻率的變化，從圖中那個(gè)可以看出在頻率為2.8 GHz -18.6 GHz的范圍內(nèi)天線(xiàn)的增益為1.7 dBi 到5.05 dBi 之間。

4 不同參數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)對(duì)天線(xiàn)的影響

在天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中，有些敏感的參數(shù)將會(huì)很大的影響天線(xiàn)的性能。為了使天線(xiàn)的性能達(dá)到最優(yōu)，將會(huì)在仿真 中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描。從仿真結(jié)果中可以看出參數(shù)變化對(duì)天線(xiàn)性能的影響，從而選擇最終合適的參數(shù)。圖5和圖6是不同參數(shù)的變化與天線(xiàn)性能的關(guān)系，從圖 中可以看出當(dāng)
g=1mm，W1=4mm時(shí)天線(xiàn)的仿真結(jié)果最好。

　　圖5 取不同的g時(shí)天線(xiàn)的回波損耗

　　圖6 取不同的w1時(shí)天線(xiàn)的回波損耗

為了減小天線(xiàn)的反射損耗，對(duì)天線(xiàn)的直角進(jìn)行了導(dǎo)圓角。使天線(xiàn)的反射減小，從而也在一定程度上優(yōu)化了天線(xiàn)的性能。圖8為導(dǎo)圓角前后天線(xiàn)的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，導(dǎo)圓角后天線(xiàn)的回波損耗有所減小。

　　圖7 兩種不同形狀的天線(xiàn)

　　圖8 兩種不同天線(xiàn)的回波損耗

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的平面單極子超寬帶天線(xiàn)基于微帶饋電，具有較寬的帶寬。通過(guò)錐形漸變饋線(xiàn)和不對(duì)稱(chēng)饋電增 加了天線(xiàn)的帶寬，使天線(xiàn)的回波損耗在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內(nèi)小于-10dB。同時(shí)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于加工，所以該天線(xiàn)完全符合小型化超寬帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。