超寬帶平板圓片單極天線及其小型化研究

鐘玲玲，李鵬，章飚

（中國(guó)航天科工集團(tuán)三院八三五七所，天津 300141）

超寬帶（Ultrawide-band，UWB）技術(shù)是伴隨著實(shí)際應(yīng)用需求而誕生的。該技術(shù)產(chǎn)生于20 世紀(jì)80 年代，UWB 的特點(diǎn)是極短的脈沖和極寬的帶寬，這使得它在電子對(duì)抗系統(tǒng)、超寬帶雷達(dá)等軍事方面日益展現(xiàn)出優(yōu)越性能。在UWB系統(tǒng)中，對(duì)天線設(shè)計(jì)有很高的要求。隨著射頻電子技術(shù)的飛躍和超寬帶無(wú)線電設(shè)備的發(fā)展，超寬帶天線技術(shù)也在不斷地發(fā)展。近年來(lái)，超寬帶天線已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空、航天以及民用通信等各個(gè)方面[1－2]。因此，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好并且可以滿足各種實(shí)際需求的超寬帶天線具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）的定義，信號(hào)帶寬大于1.5 GHz 或信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%為超寬帶，2002 年 2 月 14 日，F(xiàn)CC 正式將帶寬為 7.5 GHz 的從3.1 GHz 到10.6 GHz 之間的頻率向民用通信用途開(kāi)放[3－4]。

傳統(tǒng)的超寬帶天線，如對(duì)數(shù)周期天線、阿基米德螺旋天線、等角螺旋天線等，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜，相位中心不固定。近年來(lái)提出的超寬帶天線主要以雙錐天線的各種演變形式為主，這包括蝶形天線、淚滴天線、漸變槽縫天線等及其變形形式。其中由W.Stohr 所提出的圓片單極天線除了具有很寬的阻抗帶寬之外，還具有穩(wěn)定的相位中心[5]。這種天線能夠覆蓋無(wú)線終端的全部頻段，在很寬的阻抗帶寬上能提供令人滿意的輻射性能。此外，它還具有制作簡(jiǎn)單、加工方便、成本低廉、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)[6－8]。

圓片單極天線雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其地板是垂直于輻射器的，天線的空間尺寸較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。尤其是當(dāng)天線的最低工作頻率fL處在短波段時(shí)，天線的縱向高度可以達(dá)到幾米，而地板的尺寸則更為龐大，巨大的體積也會(huì)給天線的安裝和維護(hù)帶來(lái)不便，這個(gè)缺點(diǎn)大大降低了圓片單極天線的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，所以需要進(jìn)一步研究其平面化、小型化技術(shù)，因此提出了平板圓片單極天線。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)介紹了超寬帶平板圓片單極天線的設(shè)計(jì)方法及其超寬帶性能，文中給出了這種天線在民用超寬帶范圍的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上，提出了幾種減小該天線高度的方法。通過(guò)電磁仿真軟件以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將詳細(xì)討論各種改進(jìn)型天線的性能及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，并對(duì)天線的阻抗及輻射特性進(jìn)行分析。

1 平板圓片單極天線的特性分析

1.1 天線基本結(jié)構(gòu)

平板圓片單極天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1a 所示：天線上端為圓片單極子的基本結(jié)構(gòu)，圓片半徑為r，下端反射板由2 塊邊長(zhǎng)分別為m，n 的矩形金屬片組成，與圓片共面對(duì)稱放置；金屬圓片與反射板的厚度均為c；天線采用同軸饋電的方式，同軸內(nèi)芯線裸露出來(lái)，作為饋電點(diǎn)，同軸外皮與2 塊地板分別相連。將圓平板垂直地焊接在芯線之上，饋電點(diǎn)為圓片的下端點(diǎn)，焊接時(shí)留出饋電間隙h。

超寬帶平板圓片單極天線的設(shè)計(jì)方法在文獻(xiàn)[9]中已經(jīng)詳細(xì)介紹，此處不予贅述。因?yàn)橐槍?duì)民用超寬帶范圍3.1～10.6 GHz 進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取最低頻率為3 GHz，在相關(guān)設(shè)計(jì)公式中，當(dāng)f=3 GHz時(shí)，可以得到r≈10.7 mm。經(jīng)過(guò)多組參數(shù)調(diào)整，綜合考慮天線的尺寸參數(shù)和性能指標(biāo)，最后確定能夠使平板圓片單極天線獲得良好仿真結(jié)果的最優(yōu)參數(shù)為：圓片半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長(zhǎng)取值與圓片半徑相同，即m=n=11 mm，饋電高度h=0.6 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm。以此參數(shù)模型為基礎(chǔ)，實(shí)際加工制作了天線實(shí)物（如圖1b 所示）并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)量。

圖1 平板圓片單極天線Fig.1 Planar circular disc monopole antenna

1.2 天線性能分析

天線的反射損耗|S11|是天線的一個(gè)重要性能參數(shù)，它決定了天線的阻抗特性。圖2a給出了超寬帶圓片單極天線反射損耗實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的比較。在3.1～55 GHz 的超寬頻率范圍內(nèi)，天線反射損耗的仿真結(jié)果均小于-10 dB；由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，只實(shí)際測(cè)量了0.01～40 GHz的反射損耗，雖然實(shí)測(cè)的反射損耗比仿真值略高，但是仍然能夠基本保證在3.1～40 GHz的頻率范圍內(nèi)反射損耗是小于-10 dB的。綜上所述，這種平板圓片單極天線阻抗特性良好，它具有近20∶1的阻抗帶寬。

圖2 平板圓片單極天線的性能Fig.2 Performance of the planar circular disc monopole an-tenna

對(duì)于超寬帶天線，增益特性是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)。圖2b 是該天線的增益隨頻率變化關(guān)系的仿真結(jié)果（3～11 GHz）。頻率在3.1～10.6 GHz 范圍內(nèi)，增益變化范圍是1～5 dB，變化幅度小于4 dB。總體而言，增益在頻帶內(nèi)較為穩(wěn)定。

天線的方向圖是表征天線輻射特性與空間角度關(guān)系的圖形。圖2d 表示該天線在頻率分別為3.1，6.85，10.6 GHz 時(shí)水平面（xoy 面）方向圖的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在各個(gè)頻率上，該天線水平面近似全向輻射，仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方向圖吻合度較好，在頻率為6.85 GHz 時(shí)實(shí)測(cè)值甚至比仿真值略高，該平板圓片單極天線方向圖的穩(wěn)定性較好。

圖2c是該天線在頻率分別為3.1，6.85，10.6 GHz時(shí)零相位表面電流分布的仿真結(jié)果。在圓片上，電流主要分布在下端點(diǎn)附近。除此之外，電流還集中在地板的上邊緣，這表明地板與圓片鄰近的部分也成為輻射結(jié)構(gòu)，仿真參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程也表明天線反射損耗性能與地板的橫邊長(zhǎng)度m 有很大的關(guān)系，而縱邊長(zhǎng)度n的變化對(duì)反射損耗的影響不大。隨著頻率的升高天線的電長(zhǎng)度增大，所以圓片上的表面電流在高頻端會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)零點(diǎn)，但就總體而言，電流仍然主要分布在圓片下端，這一特性較為穩(wěn)定。

2 減小平板圓片單極天線高度的方法

對(duì)于平板圓片單極天線而言，進(jìn)一步小型化的主要含義是減小天線的縱向高度。前述仿真結(jié)果中已經(jīng)提到過(guò)，圓片單極天線的電流主要分布在圓片的下邊緣，從理論上說(shuō)，在不改變圓片直徑大小的情況下，從上端采取措施降低天線的高度是值得嘗試的方法。為了盡量減小天線尺寸同時(shí)保證天線的阻抗特性，采用了剪切、折疊和彎角3種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)平板圓片單極天線在高度上的小型化設(shè)計(jì)。

2.1 剪切

減小平板圓片單極天線縱向高度的最直接方法是在天線的輻射圓片上直接進(jìn)行剪切。因?yàn)殡娏髦饕植荚趫A片的下邊緣和地板的上邊緣，從理論上說(shuō)適當(dāng)對(duì)圓片在高度上進(jìn)行剪切能在一定程度上保持平板圓片單極天線的超寬帶特性。

經(jīng)過(guò)剪切的平板圓片單極天線結(jié)構(gòu)如圖3a 所示。保持平板圓片單極天線的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)不變（輻射單極子半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長(zhǎng)m=n=11 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm），微調(diào)饋電高度至h=1.5 mm，將圓片單極子在距離其下邊緣w 處剪切掉，則圓片單極子的最終高度為w。圖3b為w=15 mm時(shí)的天線實(shí)物。

圖3 剪切平板圓片單極天線Fig. 3 Planar circular disc monopole antenna cutting a certain length

圖4a給出了剪切平板圓片單極天線在w分別為15，18，22 mm（不剪切）時(shí)反射損耗隨頻率變化的仿真結(jié)果（0～65 GHz）。圓片剪切以后，相比較不剪切的情況其反射損耗總體呈上升趨勢(shì)，但當(dāng)w≥15 mm時(shí)，在3.1～10.6 GHz的頻率范圍內(nèi)，反射損耗值仍然能夠保持均小于-10 dB，說(shuō)明這種剪切圓片單極子的圓片高度相比較平板圓片單極子而言可以縮減約30%。

圖4b 給出了w=15 mm 時(shí)剪切后的天線反射損耗曲線，可以看出：在3～18 GHz的頻率范圍內(nèi)，反射損耗仿真結(jié)果均小于-10 dB；在實(shí)際測(cè)量的0.01～40 GHz頻率范圍內(nèi)，3.1 GHz以上的反射損耗均可保證小于-9 dB；實(shí)測(cè)反射損耗在高頻端比仿真值低，性能良好。

圖4c 表示 w=15 mm 時(shí)，該天線在3.1，6.85，10.6 GHz時(shí)xoy面的輻射方向圖?？梢钥闯?，該天線方向圖與平板圓片單極天線相比差別不大，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，總體而言在3.1～10.6 GHz頻帶內(nèi)較為穩(wěn)定。

2.2 折疊

剪切的方法雖然能夠減小天線的高度，但是其高度值有一定限制。前文的分析中已經(jīng)提到，高度只能減小30%左右，因而要考慮通過(guò)其它方法繼續(xù)減小天線的高度，折疊便是方法之一。

圖4 剪切平板圓片單極天線的性能Fig.4 Performance of the planer circular disc monopole antenna cutting a certain length

經(jīng)過(guò)折疊的圓片單極天線結(jié)構(gòu)如圖5a所示。保持平板圓片單極天線的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)不變（輻射單極子半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長(zhǎng)m=n=11 mm，饋電高度h=0.6 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm），將圓片單極子在距離其下邊緣w 處直角折疊，則圓片單極子的最終高度為w。圖5b為w=5 mm時(shí)的天線實(shí)物。

圖6a給出了該超寬帶折疊圓片單極天線分別在w 為0 mm（完全折疊），5 mm，11 mm（從中點(diǎn)折疊），15 mm，22 mm（不折疊）時(shí)反射損耗隨頻率變化的仿真結(jié)果（0～65 GHz）?？梢钥闯?，圓片單極子折疊以后，相比較不折疊的情況其反射損耗有上下浮動(dòng)，但是浮動(dòng)范圍都不大。無(wú)論折疊任何高度，在3.1～10.6 GHz 的頻率范圍內(nèi)，反射損耗值均可保證小于-10 dB，說(shuō)明這種折疊圓片單極子可以在很大程度上減小高度，甚至可以讓圓片完全折疊至高度為0。當(dāng)然，由于縱向尺寸的減小，其橫向尺寸必然有所擴(kuò)展，也就是說(shuō)它空間體積的減小是有限制的。

圖5 折疊圓片單極天線Fig.5 Circular disc monopole antenna puckering a certain length

圖6b 給出了w=5 mm 時(shí)折疊后天線的反射損耗。從圖6b 可以看出在3.1～56 GHz 的超寬頻率范圍內(nèi)，天線反射損耗的仿真結(jié)果均小于-10 dB；在實(shí)際測(cè)量的0.01～40 GHz頻率范圍內(nèi)，天線個(gè)別頻點(diǎn)反射損耗大于-10 dB，雖然實(shí)測(cè)的反射損耗與仿真結(jié)果相比總體偏高，但總體趨勢(shì)仍然具有超寬帶特性。

圖6c表示w＝5 mm時(shí)天線的輻射方向，可以看出，xoy 面仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，仍然呈現(xiàn)良好的全向特性。

2.3 彎角

除了將圓片單極天線的圓片折疊，將其彎折一定的角度是減小天線高度的另一個(gè)有效方法。

圖6 折疊圓片單極天線的性能Fig.6 Performance of the circular disc monopole antenna pucking a certain length

彎角結(jié)構(gòu)的圓片單極天線如圖7a所示。保持平板圓片單極天線的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)不變（輻射單極子半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長(zhǎng)m=n=11 mm，饋電高度h=0.6 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm），將圓片單極子繞反射板的上邊緣旋轉(zhuǎn)角度φ，則圓片單極子的最終高度為2rcosφ。圖7b 為φ=50°時(shí)的天線實(shí)物。

圖8a給出了該彎角結(jié)構(gòu)的圓片單極天線在φ=0°（不彎角），φ=30°，φ=50°，φ=60°時(shí)反射損耗隨頻率變化的仿真結(jié)果（0～65 GHz）。從圖8a 可以看出，雖然隨著角度φ的增大，其反射損耗值也增大，但在3.1～10.6 GHz的頻率范圍內(nèi)，角度φ的值在0°～50°范圍內(nèi)均可保證反射損耗值小于-10 dB。事實(shí)上，當(dāng)φ＝50°時(shí)，天線的實(shí)際高度為22×cos 50°≈14.14 mm，與剪切的平板圓片單極天線相比，已經(jīng)進(jìn)一步達(dá)到了在高度上小型化的目的。

圖7 彎角結(jié)構(gòu)的圓片單極天線Fig.7 Circular disc monopole antenna with a certain angle

圖8b 給出了φ＝50°時(shí)彎角后的天線反射損耗仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線。從圖8b 可以看出在3.1～58 GHz 的超寬頻率范圍內(nèi)，天線反射損耗的仿真結(jié)果均小于-10 dB；在實(shí)際測(cè)量的0.01～40 GHz頻率范圍內(nèi)，反射損耗的總體結(jié)果均高于仿真結(jié)果。分析其原因，主要是由于加工精度不能保證天線的饋電距離精確到0.1 mm 量級(jí)，另外還有同軸接頭的影響，使得頻率越高誤差越大?？傊?，天線在3.1～10.6 GHz 頻率范圍內(nèi)的反射損耗仍可保證小于-10 dB，從更寬頻帶上看仍然具有超寬帶趨勢(shì)。

圖8c 表示φ=50°時(shí)彎角結(jié)構(gòu)圓片單極天線的輻射方向。其仿真與測(cè)量結(jié)果的變化規(guī)律均與折疊結(jié)構(gòu)的圓片天線類似，即xoy面仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，全向性良好。

圖8 彎角結(jié)構(gòu)圓片單極天線的性能Fig.8 Performance of the circular disc monopole antenna with a certain angle

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種平板圓片單極天線，并提出了幾種在高度上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其小型化的方法。平板天線不僅實(shí)現(xiàn)了圓片單極天線的平面化，而且大大縮小了天線的空間尺寸，保持了良好的性能，仿真和實(shí)驗(yàn)的手段研究證明其具有近20∶1 的阻抗帶寬和全向性的方向圖。剪切、折疊和彎角結(jié)構(gòu)的圓片單極天線有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：剪切的方法能夠在不影響平板圓片單極天線平面特性的情況下保持其基本性能仍然滿足UWB 通信系統(tǒng)的要求，但是其高度的減小有一定限制；折疊和彎角的方法可以繼續(xù)降低天線的高度，這2 種方法雖然破壞了平板圓片單極天線的完全平面特性，但其性能良好，仍不失為有效的小型化方法。筆者提出的各種小型化天線的結(jié)構(gòu)和電特性決定了它們具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]穆丹，姜弢.一種矩形分形超寬帶天線的研究[J].裝備環(huán)境工程，2008，5（1）：84—87.

[2]楊莘元，殷潛，畢曉艷，等.基于解相關(guān)算法的直擴(kuò)超寬帶系統(tǒng)路徑間干擾抑制[J]. 宇航學(xué)報(bào)，2007，28（5）：1278—1282.

[3]DEDERER J，CHARTIER Feger S T，et al.Highly Compact 3.1-10.6 GHz UWB LNA in SiGe HBT Technology[C]//The 2nd European Microwave Integrated Circuits Conference.Munich，Germany，2007.

[4]KUMAR Nishant，BUEHRER R.MICHAEL.The Ultra Wideband Wimedia Standard[J].IEEE Signal Processing Magazine，2008，25（5）：115—119.

[5]ZHAO Chuan-dong.Analysis on the Properties of a Coupled Planar Dipole UWB Antenna [J]. Antennas and Wireless Propagation Letters，2004，3（1）：317—320.

[6]AGRAWALL N P，KUMAR G，RAY K P.Wide-band Planar Monopole Antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1998，46（2）：294—295.

[7]AMMANN M J，CHEN Zhi-ning.Wideband Monopole Antennas for Multi-band Wireless Systems[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003，45（2）：146—150.

[8]李偉，邱景輝，林澍，等.一種新型三角形組合振子超寬帶天線[J].裝備環(huán)境工程，2008，5（1）：78—80.

[9]ZHONG Ling-ling，SUN Bo，QIU Jing-hui，et al. Study of a Circular Disc Monopole Ultrawide-band Miniature Antenna[C]//Progress in Electromagnetics Research Symposium，PIERS2008.Hangzhou，2008.