一種蝶形平面超寬帶(UWB)天線(xiàn)的設計

超寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以其低功耗、高帶寬、低復雜度等優(yōu)點(diǎn)而倍受重視，使用蝶形結構設計了一種新的平面超寬帶天線(xiàn)。 該天線(xiàn)由同軸饋電，天線(xiàn)的制作是通過(guò)在介質(zhì)基板上下面上分別印刷一個(gè)半圓形金屬，在上層刻蝕掉2個(gè)正方形圖案，下層刻蝕掉2個(gè)半圓形圖案實(shí)現。仿真和實(shí)物 實(shí)測結果都可以證實(shí)，天線(xiàn)的工作頻帶為3.1～10.6 GHz，有很好的全向輻射方向圖和良好的線(xiàn)性相位響應。因此，該天線(xiàn)的特性能夠滿(mǎn)足超寬帶的要求，可用于無(wú)載波超寬帶無(wú)線(xiàn)數據通信系統。

聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)分配了3.1～10.6 GHz的頻譜資源給超寬帶無(wú)線(xiàn)通信應用，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域內引起了超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)天線(xiàn)的研究熱潮。與其他系統的天線(xiàn)相比，一個(gè)性能優(yōu)良的UWB超寬帶應用天線(xiàn)，除了具有很寬的頻帶外，還要有近似全向的輻射方向圖和良 好的色散特性。

盡管一個(gè)傳統的單極子天線(xiàn)，例如橢圓形單極子天線(xiàn)，具有很好的超寬帶特性，但是在超寬帶系統中使用這樣的天線(xiàn)，非平面結構是其主要的缺點(diǎn)。平面單極 子天線(xiàn)通常由微帶線(xiàn)或者各種形狀的波導(Coplanar Waveguide，CPW)饋電，這些饋電方式之所以如此受關(guān)注，是因為這些饋電方式適合于超寬帶應用，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：低剖面，重量輕和易于制 作。但是設計人員就必須更關(guān)注于饋電線(xiàn)的設計，這樣使得設計變得較為復雜。

文中提出了一種新型的平面超寬帶天線(xiàn)，使用了蝶形結構，同軸饋電，設計過(guò)程非常簡(jiǎn)單，無(wú)需考慮饋電線(xiàn)。天線(xiàn)結構是通過(guò)在介質(zhì)基板的2面分別印刷上一個(gè)半圓形金屬，在輻射面上刻蝕掉2個(gè)對稱(chēng)的正方形和在接地面上刻蝕掉2個(gè)半圓形圖案實(shí)現的。

1 天線(xiàn)的設計

文中所提出的超寬帶天線(xiàn)由同軸饋電，饋電位置如圖1所示。天線(xiàn)制作在FR-4環(huán)氧樹(shù)脂介質(zhì)基板上，板層厚度為1.6 mm，相對介電常數εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02。該天線(xiàn)的幾何結構和參數如圖1所示。天線(xiàn)結構的輻射面是在介質(zhì)板上層面印刷了一個(gè)半圓形金 屬平面，在半圓的兩邊對稱(chēng)地刻蝕掉2個(gè)正方形平面，如圖1(a)所示：天線(xiàn)接地板同樣是在介質(zhì)板下層面印制了一個(gè)半圓形金屬平面，左右兩邊對稱(chēng)地刻蝕掉了2個(gè)半圓形平面，如圖1(b)所示。天線(xiàn)最后的優(yōu)化參數為a=30 mm，b=4 mm和R=8 mm。

2 仿真和測試結果

該天線(xiàn)的設計和分析是基于有限元算法的商用化軟件Ansoft HFSS11進(jìn)行的，并利用該軟件獲得了仿真結果。除此之外，作者還根據仿真模型制作了一款實(shí)物天線(xiàn)，如圖2所示。使用Agilent公司生產(chǎn)的E8363B矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀對實(shí)物天線(xiàn)進(jìn)行了測量。

下面為了討論天線(xiàn)輻射片上切掉的兩個(gè)對稱(chēng)的正方形面和接地面上切掉的兩個(gè)對稱(chēng)的半圓形面的影響，利用仿真軟件分別對正方形面的邊長(cháng)b和半圓形面直徑R對于反射損耗的影響進(jìn)行了分析。

不同的邊長(cháng)b對天線(xiàn)性能的影響如圖3所示。由圖可以看出，尺寸b不同時(shí)，天線(xiàn)的第1個(gè)諧振點(diǎn)基本上保持不變，這是因為天線(xiàn)的主要頻帶是由天線(xiàn)的輻射 面大小決定的。當b值小于5 mm時(shí)天線(xiàn)反射損耗表現為在帶內的幅度和頻點(diǎn)的微小波動(dòng)，當b值大于5 mm時(shí)天線(xiàn)回波損耗曲線(xiàn)出現了兩個(gè)較深的諧振點(diǎn)，隨著(zhù)b值增大第一個(gè)頻點(diǎn)的深度逐漸加深，第2個(gè)頻點(diǎn)的頻率逐漸增大，深度加深。

不同的R值對天線(xiàn)特性的影響如圖4所示。因為R值改變的是接地板的形狀，相對于b值的影響，直徑R的影響要小的多，不同的R值，基本上不改變天線(xiàn)的頻帶特性，只是影響帶內不同頻點(diǎn)的反射深度。通過(guò)以上討論獲得了天線(xiàn)性能的優(yōu)化模型，以下對該優(yōu)化模型結果進(jìn)行分析。天線(xiàn)的駐波比(VSWR)結果如圖5所示。由圖可以看出，在超過(guò)預設頻帶3.1～10.6 GHz的范圍內，該天線(xiàn)的VSWR≤2。

天線(xiàn)在不同頻點(diǎn)4.7和10 GHz的x-z和y-z面的仿真輻射圖如圖6，7和8所示。由圖可以看出，在x-z面，該超寬帶天線(xiàn)較低頻段(3～7 GHz)具有較好的全向輻射特性;在x-z面，頻率為10 GHz時(shí)，輻射方向圖幾乎為全向。

最后，文中討論天線(xiàn)在無(wú)失真情況下發(fā)送和接收脈沖的特性。由于超寬帶系統使用脈沖傳輸，一個(gè)重要的問(wèn)題是天線(xiàn)脈沖失真。理想情況下，希望是一個(gè)線(xiàn)性 相位響應(不變群延遲)。在此情況下，我們先測量2天線(xiàn)間的頻域傳輸系數，然后轉化為時(shí)域結果。2天線(xiàn)間隔30 cm，其群時(shí)延結果如圖9所示。該天線(xiàn)在大于超寬帶天線(xiàn)頻帶的范圍內群延遲變化小于0.8 ns。群延遲特性表明，該天線(xiàn)相位線(xiàn)性超過(guò)了超寬帶頻段。

3 結論

文中成功設計了一個(gè)由同軸饋電的平面超寬帶天線(xiàn)。天線(xiàn)的設計簡(jiǎn)單，仿真和測量結果表明，所設計的天線(xiàn)覆蓋UWB系統的3.1～10.6 GHz頻段，天線(xiàn)具有很好的全向輻射特性和良好的線(xiàn)性相位響應。因此，該天線(xiàn)能夠適用于一定的UWB應用。