一種新穎的結構緊湊型超寬帶單極子天線(xiàn)設計

1 引言

超寬帶（UWB）無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以其極大的容量和極小的功率特性等優(yōu)勢，成為這個(gè)時(shí)代最具潛力的技術(shù)之一。近年來(lái)，隨著(zhù)超寬帶技術(shù)的不斷發(fā)展，超寬帶天線(xiàn)已在衛星通信、雷達、電子對抗系統等方面得到了廣泛的應用。另一方面，為了應對無(wú)線(xiàn)通信系統日趨小型化集成化的趨勢，超寬帶天線(xiàn)的小型化成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。寬帶平面單極子天線(xiàn)由于具有超寬頻帶，良好的輻射特性，緊湊的結構和容易制作等優(yōu)勢而成為將來(lái)最有前景的超寬帶天線(xiàn)之一。常見(jiàn)的超寬帶平面單極子天線(xiàn)有：矩形，圓形，橢圓形，蝶形等

。

基于以上背景，本文提出了一種采用微帶線(xiàn)饋電，具有4.93：1的阻抗帶寬的Y形平面單極子天線(xiàn)，通過(guò)對地板進(jìn)行開(kāi)槽，切角很好的擴展了天線(xiàn)帶寬，覆蓋了整個(gè)2.96～14.6GHz頻段，而且在整個(gè)頻帶內獲得了良好的阻抗匹配，駐波比VSWR在幾乎整個(gè)頻帶內都小于1.5。同時(shí)，該天線(xiàn)的尺寸只有25×24×1.6mm³，且在整個(gè)頻帶內都具有良好的輻射特性，滿(mǎn)足了對無(wú)線(xiàn)超寬帶通信的各種要求，具有良好的實(shí)用性。

2 天線(xiàn)結構及設計

本文提出的新型超寬帶天線(xiàn)如圖1所示。Y形輻射貼片和50Ω的微帶饋線(xiàn)印制在尺寸為L(cháng)×W×H=25×24×1.6mm³，相對介電常數ε_r=4.5的FR-4介質(zhì)基板正面，而帶有矩形開(kāi)槽的梯形地板印制在介質(zhì)板的背面。50Ω的微帶線(xiàn)寬度w_f=3.2mm，固定不變。Y形輻射貼片是在原始的矩形貼片的基礎上，分別在它的左下方、右下方和正上方減去三個(gè)橢圓貼片而形成的，左右橢圓貼片對稱(chēng)，尺寸如圖1所示，左右的兩個(gè)橢圓貼片的半長(cháng)軸r₁=(w-w_f)/2=10.4mm，半短軸r₂=2mm，而正上方橢圓貼片的半長(cháng)軸r₃=15mm，半短軸r₄=6mm。通過(guò)這種帶弧形邊的Y形結構可以有效的改善阻抗匹配，展寬頻帶。

圖1 天線(xiàn)結構示意圖

為了進(jìn)一步降低回波損耗，達到寬頻帶的要求，接地板采用梯形結構。在傳統的矩形地板兩邊切角，并且在頂端中心開(kāi)矩形槽，地板上的兩個(gè)切角尺寸為W_s×L_s=6mm×11mm，矩形槽尺寸為W_c×L_c=4mm×1.8mm。

3 優(yōu)化結果及其分析

為了更好的研究天線(xiàn)各個(gè)部分對天線(xiàn)整體性能的影響，我們通過(guò)商業(yè)仿真軟件CST進(jìn)行了一系列參數掃描和優(yōu)化。其中r2對天線(xiàn)的整體阻抗匹配具有重要的影響，如圖2所示，通過(guò)增加或減小r2，天線(xiàn)的阻抗匹配變差且諧振點(diǎn)減少，因此通過(guò)優(yōu)化我們最終選擇r2為2mm。r3不僅可以調節高頻段的阻抗匹配，還可以通過(guò)影響電流長(cháng)度來(lái)降低頻帶的較低頻率。r4對高頻段的阻抗匹配有影響，特別是對第四個(gè)諧振頻率點(diǎn)。帶切角并開(kāi)槽的地板是本天線(xiàn)設計的有效部分，修改后的地板上的電流分布影響了天線(xiàn)的阻抗特性。結果，通過(guò)對地板切角，能夠極大的擴展帶寬，并且再在地板上開(kāi)矩形槽不但可以增大一定帶寬，還能改善整個(gè)通帶內的阻抗匹配。地板變化對回波損耗的影響如圖3所示，可見(jiàn)該天線(xiàn)能夠完全覆蓋超寬帶通信所需頻帶，而且幾乎整個(gè)頻帶內駐波比VSWR都小于1.5。

天線(xiàn)的輻射方向圖如圖4所示，天線(xiàn)的表現與典型的印刷單極子天線(xiàn)非常類(lèi)似。H面（phi=0）呈現的幾乎是全向的、穩定的輻射特性，但是，在高頻段有惡化，這是因為在高頻段天線(xiàn)的電長(cháng)度增大了，電流輻射在遠場(chǎng)有局部抵消或疊加。

圖2 參數r2對回波損耗的影響

圖3 地板變化對回波損耗的影響