一種小型化超寬帶共面波導(dǎo)饋電蘑菇形單極子天線

摘要：提出一種簡(jiǎn)單的尺寸為23 mmx25 mmx1 mm小型化超寬帶共面波導(dǎo)饋電單板子天線，它由梯形槽口接地板、蘑菇形輻射貼片和RF4介質(zhì)板構(gòu)成。詳細(xì)討論了梯形槽口結(jié)構(gòu)和矩形漸變結(jié)構(gòu)對(duì)阻抗特性的影響，分析了天線的輻射特性和增益特性，獲得該天線的回波損耗小于-10 dB的帶寬為3～13 GHz，在3～11 GHz頻段內(nèi)具有全向性，增益變化范圍是2．2～5 dB。
關(guān)鍵詞：小型化；超寬帶；共面波導(dǎo)；蘑菇形天線

0 引言
    2002年，美聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)通過(guò)決議，將3．1～10．6 GHz作為超寬帶系統(tǒng)的工作頻譜范圍，并允許將其應(yīng)用于一些民用無(wú)線通信領(lǐng)域。近幾年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)也對(duì)天線的結(jié)構(gòu)和性能提出了更高的要求。因此易于和通信設(shè)備集成的共面波導(dǎo)饋電的單極子天線得到了廣泛關(guān)注，而小型化超寬帶天線更以其低剖面、低功耗、寬頻帶和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為研究的重要對(duì)象。目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)研究出了不少超寬帶天線，文獻(xiàn)提出了一種新型的平面印制單極子天線，此天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全向性較好，但并沒(méi)有達(dá)到超寬帶低頻的要求。文獻(xiàn)的超寬帶天線均采用共面波導(dǎo)饋電方式和寬縫隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)輻射貼片與寬縫隙之間的耦合形成了超寬帶的性能。不足的是其尺寸較大或增益較小。文獻(xiàn)中提出采用微帶線結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，在保證良好阻抗匹配的同時(shí)也存在著尺寸較大等問(wèn)題，在某些無(wú)線移動(dòng)通信設(shè)備應(yīng)用中存在著一定程度上的局限性。
    本文提出一種采用共面波導(dǎo)饋電的蘑菇形輻射貼片與梯形槽口組合而成的超寬帶單極子天線。使用仿真軟件分析了該天線結(jié)構(gòu)中的一些參數(shù)對(duì)天線阻抗特性的影響，并分析了天線的輻射特性及增益特性。

1 天線結(jié)構(gòu)
    天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為俯視圖，圖1(b)為側(cè)視圖。半徑為R的半圓形輻射貼片下方加載兩個(gè)適當(dāng)尺寸的矩形帶狀貼片，形成類蘑菇形結(jié)構(gòu)。梯形槽口的接地板和蘑菇形貼片印制在FR4基板的同一側(cè)，基板相對(duì)介電常數(shù)為4．4，尺寸W=23 mm，L=25 mm，h=1 mm。為了獲得更好的阻抗匹配，采用漸變共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，中間饋線寬度Wg=2．4 mm。部分天線尺寸如下：g=0．5 mm，L1=5 mm，L2=14．5 mm，L4=1 mm，L5=1 mm，W1=9．8 mm，W3=17 mm，W5=1．7 mm，R=4．2 mm。

2 仿真分析與結(jié)果
    為了獲得更好的阻抗特性和輻射特性，這里討論了槽口結(jié)構(gòu)和矩形漸變結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)天線性能的影響。分析某一參數(shù)的影響時(shí)，其他參數(shù)保持不變。

2．1 參數(shù)分析
    該天線通過(guò)對(duì)接地板開(kāi)梯形槽，并通過(guò)加載矩形帶狀貼片作為漸變結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整和改善天線的輸入阻抗，因此接地板的槽口結(jié)構(gòu)及輻射貼片的漸變結(jié)構(gòu)對(duì)該天線的性能影響較大。下面將主要通過(guò)仿真分析s，W2，L3，W4等參數(shù)對(duì)天線阻抗帶寬的影響，仿真結(jié)果如圖2～圖5所示。
    從圖2可以看出參數(shù)s主要影響阻抗帶寬的低頻段和高頻段。s值的大小代表共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的漸變程度，當(dāng)參數(shù)s逐漸增加時(shí)，低頻段回波損耗減小，低頻段帶寬得到擴(kuò)展，但高頻段回波損耗增大，當(dāng)s=0．7 mm，13 GHz頻點(diǎn)處S11參數(shù)已經(jīng)不能滿足小于-10 dB的要求。

    從圖3可以看出參數(shù)W2幾乎影響著阻抗帶寬的整個(gè)頻段。隨著W2值的增大，第一個(gè)諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)，高頻段回波損耗明顯減小。槽越寬低頻特性越好，天線帶寬越寬。
    從圖4可以看出，隨著輻射貼片與共面波導(dǎo)地面之間距離L3的增加，天線的阻抗帶寬大大增加。主要由于L3的增加使輻射貼片更靠近頂部的共面波導(dǎo)，與共面波導(dǎo)地面之間的激勵(lì)增加，耦合增強(qiáng)，使得天線的阻抗帶寬增加。
    在圖5中，參數(shù)W4主要影響著阻抗帶寬的低頻段和諧振點(diǎn)的數(shù)目。主要原因是這些矩形帶狀線的引入不但增加了電流流過(guò)貼片路徑的長(zhǎng)度而且增強(qiáng)了輻射貼片的不連續(xù)性，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更低頻的阻抗匹配，產(chǎn)生額外諧振點(diǎn)。最終優(yōu)化后的各參數(shù)值為s=0．4 mm，W2=9 mm，L3=1.5 mm，W4=1．3 mm。
    圖6是優(yōu)化后天線的回波損耗隨頻率變化曲線。由圖6可知，天線滿足回波損耗小于-10 dB的帶寬為3～13 GHz，阻抗帶寬達(dá)到10 GHz，符合超寬帶的要求。因此，梯形槽口結(jié)構(gòu)和加載的矩形帶狀貼片使天線有好的阻抗匹配特性。
2．2 輻射方向圖與增益
    阻抗帶寬不足以說(shuō)明天線的實(shí)際帶寬性能，下面將進(jìn)一步考察天線在整個(gè)頻段內(nèi)的輻射方向圖特性。本文選取了四個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)天線的輻射方向圖進(jìn)行分析。圖7是天線在3 GHz，5 GHz，7 GHz和10 GHz頻點(diǎn)的xOz平面歸一化輻射方向圖。從圖7中可以看出，此天線的xOz平面方向圖在四個(gè)頻點(diǎn)下方向圖變化不大，均為全向輻射。圖8是天線在3 GHz，5 GHz，7 GHz和10 GHz頻點(diǎn)的yOz平面方向圖，從圖中可以看出yOz平面方向圖類似于單極子輻射方向圖，且在不同的頻率下基本保持不變，一致性較好。在高頻段，雖然xOz平面和yOz平面方向圖發(fā)生了一些畸變，但是變化較小，不足以對(duì)其應(yīng)用構(gòu)成威脅，因此，此天線具有穩(wěn)定的輻射特性，能夠滿足UWB頻段通信的要求。

    圖9是在3～13 GHz帶寬范圍內(nèi)得到的增益曲線圖，可知該天線最小增益為2．2 dB，當(dāng)頻率超過(guò)11 GHz時(shí)，增益最高可達(dá)7 dB，適用于超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用。

3 結(jié)論
    本文給出的共面波導(dǎo)饋電的小型化超寬帶單極子天線，是由一個(gè)梯形槽口接地板和蘑菇形輻射貼片構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的天線使貼片與槽口縫隙的阻抗隨頻率變化而形成互補(bǔ)，從而使得天線在很寬的頻率范圍內(nèi)都能達(dá)到良好的匹配。通過(guò)優(yōu)化梯形槽口尺寸，加載矩形帶狀貼片形成的漸變結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了天線的小型化與超寬帶。最終實(shí)現(xiàn)了回波損耗低于-10 dB的超寬帶頻段為3～13 GHz，而且?guī)缀踉谡麄€(gè)頻段上x(chóng)Oz平面輻射方向圖都能保持穩(wěn)定的全向性，增益保持在2．2 dB以上。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有低剖面特性，因此便于應(yīng)用在各種無(wú)線超寬帶移動(dòng)通信設(shè)備中。