一種超寬帶貼片天線(xiàn)的設計與研究

　　摘要：隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信和雷達系統的不斷完善發(fā)展，對天線(xiàn)性能提出了體積小、重量輕、制作簡(jiǎn)單和寬頻帶等特性要求，超寬帶天線(xiàn)技術(shù)應運而生。通過(guò)介紹超寬帶貼片天線(xiàn)的技術(shù)特性、研究現狀及趨勢，提出了一種特有的超寬帶貼片天線(xiàn)設計方案。簡(jiǎn)要介紹了Ansoft HFSS仿真軟件，且用其對回波損耗和遠場(chǎng)輻射圖進(jìn)行仿真及優(yōu)化設計，使得設計的天線(xiàn)的帶寬大致在1.50~11.50GHz范圍內，且在WLAN頻段達到了良好的陷波特性，有效地抑制了超寬帶通信與窄帶通信之間的潛在干擾，實(shí)驗結果表明該設計滿(mǎn)足了超寬帶的頻帶要求。

　　引言

　　隨著(zhù)當前通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，頻譜效率、速率越來(lái)越高，帶寬也不斷增寬。無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )綜合一體化是一個(gè)趨勢，各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)都將在這一體化的網(wǎng)絡(luò )中發(fā)揮自己的作用。從移動(dòng)通信來(lái)看，3G乃至4G技術(shù)將成為主導，從而形成對全球的廣泛無(wú)縫覆蓋;而WLAN、WiMAX、UWB等寬帶接入技術(shù)，將因其各自不同的技術(shù)特點(diǎn)，在不同覆蓋范圍或應用區域內，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )形成有效互補。本文對超帶寬(UVB)貼片天線(xiàn)技術(shù)做了一個(gè)系統的闡述，并對貼片天線(xiàn)做了新的設計方案，通過(guò)HFSS 12.0進(jìn)行了系統仿真的優(yōu)化，并最終達到設計要求。

　　超寬帶天線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

　　超寬帶天線(xiàn)(UWB)技術(shù)是一種新型無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低等優(yōu)點(diǎn)。重量輕，體積小，制作簡(jiǎn)單且寬頻帶。從2002年美國FCC允許將超寬帶技術(shù)應用于民用通信領(lǐng)域以來(lái)^[1]，迅速發(fā)展為未來(lái)短距高速商用無(wú)線(xiàn)通信系統實(shí)現的有力競爭方案。

　　UWB天線(xiàn)覆蓋非常寬的頻率范圍，多用于移動(dòng)設備，所處位置不固定，擺放角度隨機，因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脈沖編碼，需要有較好的時(shí)域特性，也要求其具有非色散特性，即平坦的幅頻響應和在帶寬內的線(xiàn)性相位。因FCC建議的3.1~10.6GHz頻段與WLAN有沖突，研究熱點(diǎn)集中在具有帶阻功能的UWB天線(xiàn)，很多人提出了采用了寄生耦合，對接地面處理、分形等技術(shù)的具有濾波器功能的新型設計。

　　HFSS簡(jiǎn)介和設計流程^[2]

　　HFSS簡(jiǎn)介

　　HFSS是美國Ansoft公司開(kāi)發(fā)的基于電磁場(chǎng)有限元法分析微波工程問(wèn)題的全波三維電磁仿真軟件。廣泛應用于航空、電子、通信等多個(gè)領(lǐng)域，有精確的場(chǎng)仿真器，強大的電性能分析能力和后處理功能，可用于分析、計算并顯示S、Y、Z等參數矩陣，電壓駐波比(VSWR)，端口阻抗和電流分布，天線(xiàn)輻射方向圖和各種天線(xiàn)參數如增益、方向性、波數寬度等。借助HFSS，能有效降低設計成本，縮短設計周期，為設計實(shí)物天線(xiàn)做出理論和現實(shí)保障。

　　HFSS設計流程

　　HFSS進(jìn)行電磁分析和高頻器件設計的簡(jiǎn)要流程如圖1所示，設計時(shí)選擇模式驅動(dòng)求解。根據天線(xiàn)初始尺寸和結構，在HFSS模型窗口中創(chuàng )建天線(xiàn)的HFSS參數化設計模型。設計中，與背景相接觸的表面默認設置為理想邊界，為模擬無(wú)限大的自由空間，該表面也設置為輻射邊界條件或理想匹配層邊界條件，這樣HFSS才會(huì )計算天線(xiàn)的遠區域輻射場(chǎng)。由于天線(xiàn)必須通過(guò)傳輸線(xiàn)或者波導傳輸信號，其與傳輸線(xiàn)或者波導的連接處即為饋電面。天線(xiàn)設計中饋電面的激勵方式主要有兩種，分別是波端口激勵和集總端口激勵，與背景相接觸饋電面的激勵方式使用波端口激勵。設置求解參數時(shí)要設定求解頻率和掃頻參數，而求解頻率通常設定為天線(xiàn)的中心工作頻率。

　　上述操作完成，即可執行求解分析操作命令來(lái)仿真計算。經(jīng)分析結果收斂，說(shuō)明設置的參數達到精度要求。求解分析完成后，在數據后處理部分可查看HFSS分析出的天線(xiàn)的各項性能參數，如回波損耗(S11)，電壓駐波比(VSWR)、輸入阻抗、天線(xiàn)遠場(chǎng)輻射圖、軸比和電流分布等。此時(shí)仿真計算的

　　天線(xiàn)性能滿(mǎn)足設計要求，接著(zhù)著(zhù)手天線(xiàn)的制作和調試工作。

　　超寬帶貼片天線(xiàn)的設計與優(yōu)化

　　超寬帶貼片天線(xiàn)

　　UWB通信系統采用FCC開(kāi)放的3.1~10.6GHz頻段，有目前商業(yè)通信系統中最大的7.5GHz的帶寬分配，也就決定了UWB信號的寬帶特殊性。貼片天線(xiàn)因為滿(mǎn)足了重量輕、體積小、制作簡(jiǎn)單、易共形和寬頻帶等特性要求而深受關(guān)注，近年來(lái)的應用也越來(lái)越廣泛。本文致力于研究超寬帶貼片天線(xiàn)的設計工作。貼片天線(xiàn)常用在高頻的工作狀態(tài)，有全方向輻射的優(yōu)點(diǎn)，它的類(lèi)型有多種多樣，由圓形、橢圓、方形演化的居多，本文綜合以往成果，結合學(xué)習經(jīng)驗設計了一種別樣的貼片模型。