一種基于微帶饋電的平面單極子超寬帶天線(xiàn)

1 引言

自從2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì ) (Federal Communication Committee, FCC)開(kāi)放超寬帶標準以來(lái),超寬帶技術(shù)引起了人們越來(lái)越多的關(guān)注。超寬帶傳輸具有高傳輸率，低輻射、低散射損耗等特點(diǎn)。用于脈沖輻射和接收的超寬帶天線(xiàn)是超寬帶系統的一項關(guān)鍵技術(shù)。所以對超寬帶小型化天線(xiàn)的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。

過(guò)去幾年的研究表明, TEM 喇叭 、貼片天線(xiàn)和開(kāi)槽天線(xiàn)等可以作為超寬帶天線(xiàn)使用,其中貼片天線(xiàn)有輪廓低、 重量輕、 容易集成和制造成本低等優(yōu)點(diǎn) ,在移動(dòng)通信的應用中有潛在的優(yōu)勢。但是貼片天線(xiàn)的帶寬比較窄,一些研究者已經(jīng)嘗試做了增進(jìn)帶寬的工作,電阻加載和改變天線(xiàn)的形狀是兩類(lèi)成功的嘗試。電阻加載會(huì )降低天線(xiàn)的效。有的平面單極子天線(xiàn)有一個(gè)較大的地板與天線(xiàn)臂垂直放置，這給天線(xiàn)的小型化設計帶來(lái)了不便。共面波導饋電和開(kāi)槽相結合的方法也可以增加天線(xiàn)的帶寬。FCC批準商用的UWB 系統可以工作在 3. 1～10. 6 GHz的頻帶內，本文嘗試通過(guò)改變振子和饋線(xiàn)形狀來(lái)增加帶寬。通過(guò)仿真結果可以看出在2.8 GHz-18.6GHz的頻帶內回波損耗小于-10 dB。

2 天線(xiàn)結構

天線(xiàn)被設計在一塊大小為25 mm × 30 mm，厚度為1.9 mm，介電常數為4.4的Rogers5880基片上。天線(xiàn)采用微帶線(xiàn)饋電，輻射臂和地板分別位于基片的兩側，地板的大小為25 mm ×14 mm。為了增加天線(xiàn)的帶寬，微帶饋線(xiàn)被設計錐形漸變線(xiàn)，其長(cháng)度為15 mm，輸入阻抗為50Ω。在改變微帶饋線(xiàn)形狀的同時(shí)，也采用了非對稱(chēng)饋電的方法來(lái)增加天線(xiàn)的帶寬，通過(guò)參數仿真，饋電點(diǎn)選在了天線(xiàn)偏左的位置。天線(xiàn)的具體參數值為：?jiǎn)挝?mm)

(1) 介質(zhì)基片：W=25，L=30,，H₁=1.9； (2) 地板 ：L₁=14， H₂=0.08，g=1；(3) 錐形漸變線(xiàn)：W₁=3，W₂=8，S=3.6，S­₁=1.6，L₃=2.5，L₄=3.5，L₅=9，H=0.08；(4) 輻射臂：W₃=25，W₄=15，r₁=5，r₂=5

圖1 天線(xiàn)的結構

3 天線(xiàn)的仿真結果

為了使所設計的天線(xiàn)在回波損耗小于-10 dB的頻帶內具有最大的增益。設計中使用了基于有限元法的仿真軟件CST MWS對天線(xiàn)的參數進(jìn)行仿真優(yōu)化。仿真的最后結果如圖2所示，從中可以看到在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內，天線(xiàn)的回波損耗小于-10 dB。

圖2 天線(xiàn)的回波損耗

6GHz E 平面 (Y-Z 平面)

6GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （A）

9 GHz E 平面 (Y-Z 平面)

9 GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （B）

16 GHz E 平面 (Y-Z 平面)

16 GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （C）

圖3 天線(xiàn)的輻射方向圖

圖4 天線(xiàn)的增益

圖4為天線(xiàn)的增益對頻率的變化，從圖中那個(gè)可以看出在頻率為2.8 GHz -18.6 GHz的范圍內天線(xiàn)的增益為1.7 dBi 到5.05 dBi 之間。

4 不同參數與幾何結構對天線(xiàn)的影響

在天線(xiàn)的設計中，有些敏感的參數將會(huì )很大的影響天線(xiàn)的性能。為了使天線(xiàn)的性能達到最優(yōu)，將會(huì )在仿真中對這些參數進(jìn)行參數掃描。從仿真結果中可以看出參數變化對天線(xiàn)性能的影響，從而選擇最終合適的參數。圖5和圖6是不同參數的變化與天線(xiàn)性能的關(guān)系，從圖中可以看出當g=1mm，W₁=4mm時(shí)天線(xiàn)的仿真結果最好。

圖5 取不同的g時(shí)天線(xiàn)的回波損耗

圖6 取不同的w1時(shí)天線(xiàn)的回波損耗

為了減小天線(xiàn)的反射損耗，對天線(xiàn)的直角進(jìn)行了導圓角。使天線(xiàn)的反射減小，從而也在一定程度上優(yōu)化了天線(xiàn)的性能。圖8為導圓角前后天線(xiàn)的仿真結果，從圖中可以看出，導圓角后天線(xiàn)的回波損耗有所減小。

圖7 兩種不同形狀的天線(xiàn)

圖8 兩種不同天線(xiàn)的回波損耗

5 結論

本文所設計的平面單極子超寬帶天線(xiàn)基于微帶饋電，具有較寬的帶寬。通過(guò)錐形漸變饋線(xiàn)和不對稱(chēng)饋電增加了天線(xiàn)的帶寬，使天線(xiàn)的回波損耗在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內小于-10dB。同時(shí)天線(xiàn)的結構簡(jiǎn)單、緊湊，易于加工，所以該天線(xiàn)完全符合小型化超寬帶天線(xiàn)的設計標準。