平面單極子天線(xiàn)饋電方法的設計與研究

1 引言

在2002年，FCC將3.1~10.6GHz頻段分配為超寬帶（UWB）應用頻段。20世紀60年代，Rumsey首次提出阻抗帶寬比大于10:1的SWB（super-wideband）天線(xiàn)[2]。隨著(zhù)系統對高數據速率和低功率的要求激增，SWB天線(xiàn)再次受到了廣泛青睞。其超寬的頻帶可以覆蓋絕大多數通信頻段，如：GPS(1.57~1.58GHz)、WCDMA(1.92~2.17GHz)、UWB(3.1~10.6GHz)、ISM(5.725~5.875GHz24~24.25GHz)、衛星通信系統（Ku、K、Ka波段12~40GHz）、VehicularRadarSystems(22~29GHz)以及LMDS(24、28、35GHz) 。

提出了一種采用平面盤(pán)錐天線(xiàn)與三叉戟饋電相結合的方法，使天線(xiàn)阻抗帶寬比大于10:1。但是由于這兩種天線(xiàn)工作頻率均小于25GHz，且尺寸較大，因而在很多場(chǎng)合下（如要求具備高通信容量的Ka波段衛星通信系統）使用都會(huì )受到限制。本文在其基礎上，提出了多種多端口饋電結構以及半圓實(shí)心饋電結構(見(jiàn)圖2)，并對其進(jìn)行了分析比較。

2 天線(xiàn)設計與仿真

為了獲得超寬帶的頻率特性，天線(xiàn)的微帶饋電單元采用漸變結構，天線(xiàn)基質(zhì)材料選擇為RogersRO4350B，相對介電常數為3.48，基質(zhì)厚度h為1.524mm。通過(guò)在貼片上切角可以有效改善阻抗帶寬，大大減小天線(xiàn)的尺寸，實(shí)現小型化。天線(xiàn)頂視圖和側視圖如圖1所示，圖中各尺寸參數如表1所示。本文提出的其他幾種饋電結構都是根據該結構演變而來(lái)的。

圖1切角平面單極子天線(xiàn)

表1切角平面單極子天線(xiàn)尺寸參數（mm）

利用CSTMicrowaveStudio軟件對圖1中的單極子天線(xiàn)進(jìn)行仿真，發(fā)現保持阻抗帶寬不變的同時(shí)，通過(guò)在貼片上切角并調整cut_x和cut_y的大小可以使天線(xiàn)的尺寸減小近2/3（0.2λl×0.27λl，其中λl為最低工作頻率時(shí)的波長(cháng)）。為了增大貼片垂直方向上的電流并減小水平方向上的電流，從而減小交叉極化，增大帶寬，本文提出了多種平面單極子天線(xiàn)結構，饋電端口數分別為2，3，5（如圖2所示。注：本文中給出的各結構仿真結果均為優(yōu)化后的最終結果）。各個(gè)饋電端口均采用下粗上細的漸變結構（該結構分支在分叉處饋線(xiàn)較粗，越往兩端饋線(xiàn)越細），得到的駐波比特性如圖3所示。下面分別對這幾種天線(xiàn)進(jìn)行分析比較。

(a)二端口饋電(b)三端口饋電

(c)五端口饋電(d)半圓實(shí)心饋電

圖2多種切角平面單極子天線(xiàn)結構

圖3不同端口數饋電天線(xiàn)駐波比特性的比較

天線(xiàn)采用兩端口結構進(jìn)行饋電時(shí)，天線(xiàn)的駐波比特性見(jiàn)圖3。與單端饋電相比，兩端口饋電天線(xiàn)的帶寬大為展寬，但是在18GHz附近VSWR大于2。這是因為貼片中心處沒(méi)有饋電端口，因此電流只能以輻射方式耦合與從其它饋電端口傳導至貼片中部（如圖4(a)所示），這一弱耦合在一定程度上對天線(xiàn)的帶寬產(chǎn)生了影響。為了改善這一影響，在中心處增加了一個(gè)饋電端口，電流分布更為均勻（如圖4(b)所示），性能也明顯得到改善，在1.37GHz~50GHz的極寬范圍內得到了駐波比小于2的帶寬。但當繼續增多饋電端口時(shí)，性能改善不明顯，因為在饋線(xiàn)分支處電流分布變得不規律且出現了反相（如圖4(c)圓圈處所示）。從上述分析可知，增加天線(xiàn)饋電端口可以改善電流的分布從而改善駐波比帶寬，但并非端口數越多越好，當端口數增加至3個(gè)時(shí)，再增加端口數對性能的改善不明顯。

(a)兩端口饋電結構

(b)三端口饋電結構

(c)五端口饋電結構

圖4切角平面單極子天線(xiàn)電流分布情況

但是，以上幾種饋電方式都比較繁瑣，制作也存在困難，因此為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，采用了如圖2(e)所示的半圓實(shí)心饋電結構。利用CST進(jìn)行仿真得到，與前面幾種饋電方式一樣，半圓實(shí)心饋電結構也能實(shí)現極寬的阻抗帶寬，其阻抗帶寬比（VSWR≤2）超過(guò)30:1（見(jiàn)圖5）。

3結論

本文以實(shí)現小型化超寬帶印刷天線(xiàn)為主要目的，在綜合了的兩種天線(xiàn)的基礎上，提出了切角平面單極子天線(xiàn)的多種多端口和半圓實(shí)心饋電結構，其阻抗帶寬均高于30:1，能夠覆蓋多個(gè)通信系統頻段，而且天線(xiàn)尺寸僅為0.2λl×0.27λl，有利于系統的集成化。

圖5實(shí)心端口饋電結構的駐波比特性