一種小型化超寬帶共面波導饋電蘑菇形單極子天線(xiàn)

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饋電單板子天線(xiàn)，它由梯形槽口接地板、蘑菇形輻射貼片和RF4介質(zhì)板構成。詳細討論了梯形槽口結構和矩形漸變結構對阻抗特性的影響，分析了天線(xiàn)的輻射特性和增益特性，獲得該天線(xiàn)的回波損耗小于-10 dB的帶寬為3～13 GHz，在3～11 GHz頻段內具有全向性，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；蘑菇形天線(xiàn)

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作為超寬帶系統的工作頻譜范圍，并允許將其應用于一些民用無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。近幾年來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信系統也對天線(xiàn)的結構和性能提出了更高的要求。因此易于和通信設備集成的共面波導饋電的單極子天線(xiàn)得到了廣泛關(guān)注，而小型化超寬帶天線(xiàn)更以其低剖面、低功耗、寬頻帶和結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為研究的重要對象。目前，國內外專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)研究出了不少超寬帶天線(xiàn)，文獻提出了一種新型的平面印制單極子天線(xiàn)，此天線(xiàn)結構簡(jiǎn)單，全向性較好，但并沒(méi)有達到超寬帶低頻的要求。文獻的超寬帶天線(xiàn)均采用共面波導饋電方式和寬縫隙結構，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。文獻中提出采用微帶線(xiàn)結構的超寬帶天線(xiàn)，在保證良好阻抗匹配的同時(shí)也存在著(zhù)尺寸較大等問(wèn)題，在某些無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信設備應用中存在著(zhù)一定程度上的局限性。
本文提出一種采用共面波導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(xiàn)。使用仿真軟件分析了該天線(xiàn)結構中的一些參數對天線(xiàn)阻抗特性的影響，并分析了天線(xiàn)的輻射特性及增益特性。

1 天線(xiàn)結構
天線(xiàn)結構如圖1所示，圖1(a)為俯視圖，圖1(b)為側視圖。半徑為R的半圓形輻射貼片下方加載兩個(gè)適當尺寸的矩形帶狀貼片，形成類(lèi)蘑菇形結構。梯形槽口的接地板和蘑菇形貼片印制在FR4基板的同一側，基板相對介電常數為4．4，尺寸W=23 mm，L=25 mm，h=1 mm。為了獲得更好的阻抗匹配，采用漸變共面波導結構，中間饋線(xiàn)寬度Wg=2．4 mm。部分天線(xiàn)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，這里討論了槽口結構和矩形漸變結構尺寸對天線(xiàn)性能的影響。分析某一參數的影響時(shí)，其他參數保持不變。

2．1 參數分析
該天線(xiàn)通過(guò)對接地板開(kāi)梯形槽，并通過(guò)加載矩形帶狀貼片作為漸變結構來(lái)調整和改善天線(xiàn)的輸入阻抗，因此接地板的槽口結構及輻射貼片的漸變結構對該天線(xiàn)的性能影響較大。下面將主要通過(guò)仿真分析s，W2，L3，W4等參數對天線(xiàn)阻抗帶寬的影響，仿真結果如圖2～圖5所示。
從圖2可以看出參數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結構的漸變程度，當參數s逐漸增加時(shí)，低頻段回波損耗減小，低頻段帶寬得到擴展，但高頻段回波損耗增大，當s=0．7 mm，13 GHz頻點(diǎn)處S11參數已經(jīng)不能滿(mǎn)足小于-10 dB的要求。