一種新穎的結(jié)構(gòu)緊湊型超寬帶單極子天線設(shè)計(jì)

 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(shì)，成為這個(gè)時(shí)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(duì)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(duì)無線通信系統(tǒng)日趨小型化集成化的趨勢(shì)，超寬帶天線的小型化成為近年來研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。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(shì)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(duì)地板進(jìn)行開槽，切角很好的擴(kuò)展了天線帶寬，覆蓋了整個(gè)2.96～14.6GHz頻段，而且在整個(gè)頻帶內(nèi)獲得了良好的阻抗匹配，駐波比VSWR在幾乎整個(gè)頻帶內(nèi)都小于1.5。同時(shí)，該天線的尺寸只有25×24×1.6mm3，且在整個(gè)頻帶內(nèi)都具有良好的輻射特性，滿足了對(duì)無線超寬帶通信的各種要求，具有良好的實(shí)用性。

2 天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

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(duì)介電常數(shù)εr=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wf=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(gè)橢圓貼片而形成的，左右橢圓貼片對(duì)稱，尺寸如圖1所示，左右的兩個(gè)橢圓貼片的半長軸r1=(w-wf)/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(gè)切角尺寸為Ws×Ls=6mm×11mm，矩形槽尺寸為Wc×Lc=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(gè)部分對(duì)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(duì)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(diǎn)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(duì)高頻段的阻抗匹配有影響，特別是對(duì)第四個(gè)諧振頻率點(diǎn)。帶切角并開槽的地板是本天線設(shè)計(jì)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(duì)地板切角，能夠極大的擴(kuò)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(gè)通帶內(nèi)的阻抗匹配。地板變化對(duì)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€(gè)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?yàn)樵诟哳l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(duì)回波損耗的影響

圖3 地板變化對(duì)回波損耗的影響< 結(jié)論

本文提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的平面印刷單極子超寬帶天線。該天線總尺寸僅為25×24×1.6mm3，許多參數(shù)被優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過采用帶弧形邊的Y型輻射貼片和在地板上切角、開槽，不僅提高了阻抗帶寬，還提高了阻抗匹配。天線優(yōu)化后的工作頻帶為2.96~14.6GHz，且在整個(gè)頻帶內(nèi)有穩(wěn)定的全向輻射方向圖。因此該天線是具有一定工程應(yīng)用潛力的超寬帶天線。

3.6 GHz

5.8 GHz

8.2 GHz

12.4 GHz

圖4 天線的輻射方向圖