一種新穎的結(jié)構(gòu)緊湊型超寬帶單極子天線設(shè)計

1 引言

超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)以其極大的容量和極小的功率特性等優(yōu)勢，成為這個時代最具潛力的技術(shù)之一。近年來，隨著超寬帶技術(shù)的不斷發(fā)展，超寬帶天線已在衛(wèi)星通信、雷達(dá)、電子對抗系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。另一方面，為了應(yīng)對無線通信系統(tǒng)日趨小型化集成化的趨勢，超寬帶天線的小型化成為近年來研究的熱點與難點。寬帶平面單極子天線由于具有超寬頻帶，良好的輻射特性，緊湊的結(jié)構(gòu)和容易制作等優(yōu)勢而成為將來最有前景的超寬帶天線之一。常見的超寬帶平面單極子天線有：矩形，圓形，橢圓形，蝶形等

。

基于以上背景，本文提出了一種采用微帶線饋電，具有4.93：1的阻抗帶寬的Y形平面單極子天線，通過對地板進(jìn)行開槽，切角很好的擴展了天線帶寬，覆蓋了整個2.96～14.6GHz頻段，而且在整個頻帶內(nèi)獲得了良好的阻抗匹配，駐波比VSWR在幾乎整個頻帶內(nèi)都小于1.5。同時，該天線的尺寸只有25×24×1.6mm³，且在整個頻帶內(nèi)都具有良好的輻射特性，滿足了對無線超寬帶通信的各種要求，具有良好的實用性。

2 天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計

本文提出的新型超寬帶天線如圖1所示。Y形輻射貼片和50Ω的微帶饋線印制在尺寸為L×W×H=25×24×1.6mm³，相對介電常數(shù)ε_r=4.5的FR-4介質(zhì)基板正面，而帶有矩形開槽的梯形地板印制在介質(zhì)板的背面。50Ω的微帶線寬度w_f=3.2mm，固定不變。Y形輻射貼片是在原始的矩形貼片的基礎(chǔ)上，分別在它的左下方、右下方和正上方減去三個橢圓貼片而形成的，左右橢圓貼片對稱，尺寸如圖1所示，左右的兩個橢圓貼片的半長軸r₁=(w-w_f)/2=10.4mm，半短軸r₂=2mm，而正上方橢圓貼片的半長軸r₃=15mm，半短軸r₄=6mm。通過這種帶弧形邊的Y形結(jié)構(gòu)可以有效的改善阻抗匹配，展寬頻帶。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

為了進(jìn)一步降低回波損耗，達(dá)到寬頻帶的要求，接地板采用梯形結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的矩形地板兩邊切角，并且在頂端中心開矩形槽，地板上的兩個切角尺寸為W_s×L_s=6mm×11mm，矩形槽尺寸為W_c×L_c=4mm×1.8mm。

3 優(yōu)化結(jié)果及其分析

為了更好的研究天線各個部分對天線整體性能的影響，我們通過商業(yè)仿真軟件CST進(jìn)行了一系列參數(shù)掃描和優(yōu)化。其中r2對天線的整體阻抗匹配具有重要的影響，如圖2所示，通過增加或減小r2，天線的阻抗匹配變差且諧振點減少，因此通過優(yōu)化我們最終選擇r2為2mm。r3不僅可以調(diào)節(jié)高頻段的阻抗匹配，還可以通過影響電流長度來降低頻帶的較低頻率。r4對高頻段的阻抗匹配有影響，特別是對第四個諧振頻率點。帶切角并開槽的地板是本天線設(shè)計的有效部分，修改后的地板上的電流分布影響了天線的阻抗特性。結(jié)果，通過對地板切角，能夠極大的擴展帶寬，并且再在地板上開矩形槽不但可以增大一定帶寬，還能改善整個通帶內(nèi)的阻抗匹配。地板變化對回波損耗的影響如圖3所示，可見該天線能夠完全覆蓋超寬帶通信所需頻帶，而且?guī)缀跽麄€頻帶內(nèi)駐波比VSWR都小于1.5。

天線的輻射方向圖如圖4所示，天線的表現(xiàn)與典型的印刷單極子天線非常類似。H面（phi=0）呈現(xiàn)的幾乎是全向的、穩(wěn)定的輻射特性，但是，在高頻段有惡化，這是因為在高頻段天線的電長度增大了，電流輻射在遠(yuǎn)場有局部抵消或疊加。

圖2 參數(shù)r2對回波損耗的影響

圖3 地板變化對回波損耗的影響