共面波導(dǎo)饋電的寬帶天線設(shè)計(jì)

張佳亮,雷振亞,謝擁軍,2,楊 可,文 睿

(1.西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071;2.北京航空航天大學(xué)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

1 引 言

隨著2002年2月14日美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)對(duì)超寬帶(UWB)技術(shù)用于短距離無線通信申請(qǐng)的批準(zhǔn),以及對(duì)3.1～10.6GHz頻段頻譜資源的開放[1],超寬帶天線在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到重視。

微帶天線由于具有剖面低、重量輕、體積小、容易和微波電路集成等優(yōu)點(diǎn),在無線通信系統(tǒng)中得到了很多的應(yīng)用,特別是共面波導(dǎo)饋電的印刷天線,相比有著帶寬更寬、輻射效率更高、全向覆蓋特性更好等優(yōu)點(diǎn),因此在科研和實(shí)踐中備受青睞。

文獻(xiàn)[2-5]研究了幾種比較典型的UWB天線,其中文獻(xiàn)[3]對(duì)比了分別采用微帶線和共面波導(dǎo)饋電時(shí)天線的帶寬,證明共面波導(dǎo)饋電更容易獲得較寬的帶寬。文獻(xiàn)[6]提出的天線尺寸比較大,實(shí)際應(yīng)用中受到限制。文獻(xiàn)[7,8]提出的天線帶寬都超過5.2∶1,其中文獻(xiàn)[8]采用了和文獻(xiàn)[4]類似的措施來展寬帶寬,不同之處在于文獻(xiàn)[4]是在微帶地板上刻蝕矩形階梯,而文獻(xiàn)[8]是在微帶輻射貼片上刻蝕。

本文首先討論了共面波導(dǎo)天線的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的共面波導(dǎo)饋電的UWB天線,在此基礎(chǔ)上,采用在輻射貼片底端刻蝕矩形凹口的方法,對(duì)其帶寬進(jìn)行了展寬,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試。

2 超寬帶天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的共面波導(dǎo)天線主要由兩塊接地板、一個(gè)輻射貼片、一段共面波導(dǎo)饋線和介質(zhì)基板組成。天線饋電段共面波導(dǎo)的設(shè)計(jì)依據(jù)式(1)～(4)[9]。

式中,w和g分別為共面波導(dǎo)饋線的導(dǎo)線寬度和間隙寬度,w1為天線的總寬度,h為基板厚度,εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù),εre為介質(zhì)有效介電常數(shù),Z0為共面波導(dǎo)饋線的特性阻抗;K(k)、K′(k)分別為第一類完全橢圓積分及其補(bǔ)函數(shù),具體表達(dá)式如式(5)所示:

通過編程可以計(jì)算得到天線的尺寸和εre等。介質(zhì)基板采用介電常數(shù)εr=4.4的聚四氟乙烯基板,大小為31mm×28mm×0.5mm,優(yōu)化后天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,輻射貼片為一個(gè)半橢圓,長(zhǎng)短軸半徑分別為 R2、R1,R1=12.0mm,R2=19.2mm。其余參數(shù)的值為:w=2.8mm,g=0.7mm,w1=28.0mm,d=11.0mm,h=0.5mm,l=31.0mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the proposed antenna

3 天線參數(shù)的研究

為了更好地了解天線的性能,需要對(duì)天線結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行研究,以明確設(shè)計(jì)此類天線的依據(jù),利用HFSS軟件對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行仿真。由于此天線的輻射主要是由輻射貼片的形狀和尺寸決定的,在HFSS中建模,對(duì)半橢圓貼片的長(zhǎng)短軸尺寸分別進(jìn)行仿真。

圖2為半橢圓輻射貼片長(zhǎng)短軸半徑對(duì)回波損耗的影響曲線。

圖2 橢圓輻射貼片的影響Fig.2 Effects of the elliptical radiation patch

從圖2(a)中可以看出,在一定的范圍內(nèi),隨著R2的增加,天線的阻抗帶寬不斷增大,主要原因是R2增大,即輻射貼片的高度增加,相當(dāng)于增大了共面波導(dǎo)饋線與輻射貼片之間的阻抗匹配段,同時(shí)與地板的諧振也得到增強(qiáng),因此天線的阻抗帶寬得到了展寬。圖2(b)中 R1對(duì)應(yīng)貼片的寬度,可以看出其對(duì)帶寬影響不大,主要影響頻帶內(nèi)駐波的平坦特性,因此,可以通過調(diào)節(jié) R1實(shí)現(xiàn)良好的匹配,從而獲得頻帶內(nèi)比較理想的阻抗特性。結(jié)合圖2(a)、(b),當(dāng)選擇 R2=19.2mm,R1=12mm時(shí),天線在2.9～10.8GHz頻段內(nèi)滿足S11<-10dB。

天線的輻射方向圖是天線的另一主要指標(biāo)。圖3給出了頻率在4GHz、7GHz和11GHz 3種情況下天線的輻射方向圖。

圖3 天線輻射方向圖Fig.3 Radiation pattern of the antenna

從圖3中可以看出,此天線的E面方向圖類似于單極子的E面方向圖,且在3種情況下方向圖變化不大,一致性保持較好;其H面方向圖在幾種不同的頻率下基本保持不變,均為全向輻射。整體來說,在頻段高端,雖然E面和H面方向圖均發(fā)生了一些畸變,但是變化較小,不足以對(duì)其應(yīng)用構(gòu)成威脅,因此,此天線能夠滿足UWB頻段通信的要求。

4 天線帶寬的展寬

在超寬帶天線研究的基礎(chǔ)上,采用一定的方法,對(duì)其帶寬的展寬進(jìn)行進(jìn)一步的研究。依據(jù)天線的參數(shù)研究,天線輻射貼片對(duì)其帶寬的影響很大,因此考慮在輻射貼片的下端,靠近饋線的部分引入矩形切口,從而改善天線的阻抗特性。先后依次引入了三對(duì)矩形凹口,即矩形凹口1、2、3,分別研究了只引入一對(duì)、兩對(duì)、三對(duì)矩形凹口時(shí)天線的阻抗特性。

圖4為引入三對(duì)矩形凹口時(shí)的天線結(jié)構(gòu)圖,新增矩形尺寸為:d1=6.1mm,d2=8.1mm,d3=10.1mm,l1=6.9mm,l2=5.5mm,l3=4.0mm。

圖4 引入三對(duì)矩形凹口的天線結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the proposed antenna after introducing three pairs of rectangular notches

圖5所示為分別引入一對(duì)、兩對(duì)和三對(duì)矩形凹口時(shí)3種天線的回波損耗比較曲線。從圖5中可以看出,隨著矩形凹口的不斷引入,回波損耗曲線變化逐漸平穩(wěn),帶寬逐漸展寬,主要原因是這些矩形凹口的引入增強(qiáng)了該處輻射貼片的不連續(xù)性,因此能夠存在多種諧振模式;同時(shí),對(duì)于這些凹口尺寸和位置的優(yōu)化,使得它起到作為饋線和輻射貼片之間阻抗匹配段的作用,改善了貼片的對(duì)地阻抗,最終仿真帶寬可以覆蓋3～31GHz,超過10∶1。

圖5 3種天線回波損耗Fig.5 Input return losses of the three antennas

5 測(cè)試結(jié)果

圖6所示為加入三對(duì)矩形凹口的天線的實(shí)物圖,圖7為天線回波損耗的測(cè)量結(jié)果和仿真結(jié)果的比較。從圖7可以看出,在3～31GHz頻段內(nèi),天線實(shí)測(cè)的回波損耗曲線基本處于-10dB以下,不過與仿真曲線有些偏移,一部分主要是由加工誤差引起的,另外SMA接頭以及焊錫的散射效應(yīng)也會(huì)對(duì)回波損耗有所影響。但在設(shè)計(jì)的頻段內(nèi)整體來看,回波損耗滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

圖6 天線實(shí)物圖Fig.6 Photo of the realized antenna

圖7 天線回波損耗實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果Fig.7 Simulated and measured return loss characteristics

圖8所示為天線的輻射方向圖,由于是在貼片底端的邊緣上開矩形小口,因此方向圖畸變比較小,與沒有引入矩形凹口時(shí)天線的方向圖相近。

圖8 天線輻射方向圖Fig.8 Radiation pattern of the antenna

圖9所示為天線在該頻段內(nèi)的增益特性曲線。

圖9 天線增益特性Fig.9 Gain performance of the antenna

6 結(jié) 論

本文對(duì)小型印刷天線的寬帶特性進(jìn)行了研究,提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用的超寬帶印刷天線,可覆蓋2.9～10.8GHz頻段。在此基礎(chǔ)上,通過采用在半橢圓輻射貼片底端邊緣處刻蝕3組矩形小凹口的方法,使得天線能夠產(chǎn)生多模式諧振,且改善了貼片的對(duì)地阻抗,從而展寬帶寬,獲得了覆蓋3～31GHz、阻抗帶寬超過10∶1的極寬帶天線。該天線尺寸為31mm×28mm×0.5mm,輻射特性良好,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,表明文中展寬帶寬方法的有效性。且與已有文獻(xiàn)相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易加工,尺寸較小,阻抗帶寬更寬,可用于多種移動(dòng)通信系統(tǒng)。此外,對(duì)于矩形凹口進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,可以進(jìn)一步改善方向圖,將在后續(xù)工作中對(duì)其展開相關(guān)研究。

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