一種小型共面波導饋電H型枝節超寬帶天線(xiàn)設計

與微帶傳輸線(xiàn)相比，共面波導傳輸線(xiàn)具有更低的輻射泄漏和更小的分布參數，在單片微波集成電路領(lǐng)域變得越來(lái)越常見(jiàn)。超寬帶技術(shù)具有數據傳輸率高、抑制多徑干擾能力強等諸多優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的通訊系統中是一種極具潛力的解決方案。自從2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)將3.1-10.6GHz頻段劃歸超寬帶(UWB)的民用頻段，UWB無(wú)線(xiàn)通訊系統的設計和應用便成為科學(xué)界和工程界的熱門(mén)研究課題。

高速無(wú)線(xiàn)通訊正朝著(zhù)寬帶化和小型化方向發(fā)展，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通訊設備越來(lái)越需要性能優(yōu)良和尺寸較小的器件。在這樣的系統中，用來(lái)接收和發(fā)射信號的天線(xiàn)是一個(gè)關(guān)鍵部件。合適的天線(xiàn)設計在一定程度上可以降低電路設計的難度，同時(shí)改善系統性能。近些年來(lái)，小型化天線(xiàn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。減小天線(xiàn)尺寸通?？赏ㄟ^(guò)使用高介電常數的材料和優(yōu)化天線(xiàn)幾何結構來(lái)達到。在小型化天線(xiàn)的設計中，平面單極子天線(xiàn)、縫隙天線(xiàn)和偶極子天線(xiàn)等眾多結構都可以用來(lái)實(shí)現小型化的要求。本文采用共面波導饋電結構和H型枝節設計了一種新的小型化超寬帶天線(xiàn)，天線(xiàn)如圖1所示。該天線(xiàn)尺寸為19×24×1.6 mm3，在3.3-12.1GHz頻率范圍內，該天線(xiàn)的電壓駐波比小于2，具有良好的寬帶阻抗匹配特性。

圖1 天線(xiàn)結構圖

2 天線(xiàn)仿真和分析

天線(xiàn)結構如圖1所示，參數L0和W0分別為矩形槽的寬度和長(cháng)度，d為H型枝節和饋電線(xiàn)之間的距離，L1和W1分別為H型枝節下端貼片的長(cháng)度和寬度，L2和W2分別為H型枝節上端貼片的長(cháng)度和寬度，L3和W3分別為H型枝節中間貼片的長(cháng)度和寬度。L和W分別為天線(xiàn)的長(cháng)度和寬度。本文中，選用厚度h為1.6mm、相對介電常數為4.4(FR4)的介質(zhì)板。

共面波導饋電結構采用50Ω阻抗匹配，饋線(xiàn)寬度為2.6mm,縫隙寬度g為0.3mm。天線(xiàn)實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 天線(xiàn)實(shí)物圖

為了評估本文所設計天線(xiàn)的性能，我們用HFSS 12仿真軟件對其進(jìn)行仿真和分析。天線(xiàn)最優(yōu)參數值如表1所示。

圖3為電壓駐波比(VSWR)的仿真與測量結果對比圖，從圖中可以看出，天線(xiàn)的阻抗帶寬為8.8 GHz(3.3-12.1 GHz)。

表1 天線(xiàn)最優(yōu)參數表

圖3 天線(xiàn)電壓駐波比圖

天線(xiàn)在4、7、10GHz的E面和H面歸一化輻射方向圖如圖4所示。

(a)4GHz E面方向圖

(b)4GHz H面方向圖

(c)7GHz E面方向圖

(d)7GHz H面方向圖

(e)10GHz E面方向圖

(f)10GHz H面方向圖

圖4 E面(yoz平面)、H面(xoz平面)歸一化輻射方向圖

由圖4可以看出，本文所設計的天線(xiàn)在H面具有較好的全向特性，在H面可以實(shí)現良好的信號收發(fā)。圖5是天線(xiàn)增益隨頻率的變化曲線(xiàn)，由圖中我們可以發(fā)現，天線(xiàn)增益保持在3dB以上。

圖5 天線(xiàn)增益圖

3 結論

本文提出了一種尺寸為19×24×1.6 mm3的小尺寸共面波導超寬帶天線(xiàn)。測量結果表明，該天線(xiàn)在3.3-12.1GHz頻帶內VSWR<2。在不同頻率均表現出良好的H面全向輻射特性，同時(shí)在全頻帶內增益均可達到3dB以上。由于只使用介質(zhì)板的一層，所以該天線(xiàn)非常適合用于集成到小型手持超寬帶系統中