共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線設(shè)計

房 澤， 吳 萍， 孫兵兵

（安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230039）

自2002年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）將3.1～10.6GHz頻段劃為民用頻段后，超寬帶系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注，許多新出現(xiàn)的超短波通信系統(tǒng)都工作在此頻段內(nèi)［1］。為了增加微帶天線的帶寬，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了多種多樣的天線形式，例如平面縫隙微帶天線結(jié)構(gòu)［2－3］；將縫隙的方形邊角變?yōu)閳A角形式可以有效增加天線的阻抗帶寬［4］；而在縫隙中增加了可調(diào)的U型枝節(jié)使得天線的相對帶寬為110%［5］。另外利用共面波導(dǎo)和圓形輻射單元結(jié)構(gòu)使得天線的帶寬達(dá)到了120%［6］。但是這些已有的天線需要大的接地面，文獻(xiàn)［4－6］中天線的面積分別為110mm×110mm、100mm ×100mm、66.1mm ×44.0mm，因此這些天線不能滿足小型化的需求。平面單極子天線具有體積小和穩(wěn)定的輻射特性，廣泛應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中［7－9］。

本文采用共面波導(dǎo)饋電，設(shè)計了一種超寬帶單極子天線，在不改變天線帶寬和輻射特性的同時，有效地減小了天線的體積。利用電磁仿真軟件對所設(shè)計的天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化。最后對優(yōu)化后的天線進(jìn)行制作和測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1給出了天線的結(jié)構(gòu)和實物圖，天線的尺寸為29.3mm×31.0mm×0.5mm。該天線由一個樹形輻射貼片單元、共面接地面和共面波導(dǎo)構(gòu)成，共面波導(dǎo)饋線的特性阻抗為50Ω。天線介質(zhì)板的材料是FR4，其相對介電常數(shù)為εr＝4.4，厚度為0.5mm，材料的損耗正切為tanδ＝0.02。

圖1 天線結(jié)構(gòu)和實物

共面波導(dǎo)的特性阻抗可由下面的公式計算得出［10］。定義變量k1和k2分別為：

其中，h為基板厚度；W為基板寬度；W3為共面波導(dǎo)饋線的寬度；S為共面波導(dǎo)饋線與接地板之間的間隙寬度。介質(zhì)板的有效相對介電常數(shù)為：

其中，εr為 基 板 相 對 介 電 常 數(shù)；K（k1）、K（k2）、K′（k1）、K′（k2）為第1類完全橢圓積分函數(shù)和其補函數(shù)。共面波導(dǎo)的特性阻抗可表示為：

2 天線參數(shù)優(yōu)化

設(shè)計的天線為單極子天線，影響天線性能的主要參數(shù)為輻射貼片下端與共面波導(dǎo)之間的間隙L3，輻射貼片的尺寸R1、R2、R3，共面波導(dǎo)開槽的大小W1和饋線的長度L1。因此，為了使天線具有超寬帶的特性，用三維電磁仿真軟件HFSS對所設(shè)計天線的主要參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，如圖2所示。

圖2 主要參數(shù)對天線性能的影響

由圖2a可以看出，隨著共面波導(dǎo)饋線長度的增加，所設(shè)計的天線的高頻阻抗特性變好，這主要是由于饋線長度如同一個匹配網(wǎng)絡(luò)，饋線長度越長使得在高頻端阻抗特性越好。由圖2b可以看出，隨著輻射貼片與共面波導(dǎo)之間的間隙的增加，天線帶寬明顯增寬，這是由于輻射單元和共面波導(dǎo)之間的耦合電容和分布電感發(fā)生變化，從而引起帶寬的變化。由圖2c可以看出，開槽寬度的增加可以有效減小共面波導(dǎo)和輻射單元之間的耦合，減小兩者因激勵而引起的諧振，從而提高天線帶寬，但是增加到一定程度將會降低天線帶寬。由圖2d可以看出，在一定范圍增加天線尺寸可以有效提高天線帶寬，但是為了小型化的考慮，不宜將輻射單元設(shè)計過大。

3 實驗結(jié)果

為了驗證所設(shè)計的天線的實用性和有效性，對天線進(jìn)行了綜合優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的天線尺寸為：W＝29.3mm，L＝31.0mm，L1＝8.2mm，L2＝4.6mm，L3＝0.9mm，L4＝4.2mm，L5＝1.0mm，W1＝12.6mm，W2＝6.0mm，W3＝3.26mm，R1＝5.6mm，R2＝3.6mm，R3＝1.46mm。根據(jù)此尺寸，對天線進(jìn)行了加工和測試。利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對所設(shè)計天線的駐波比（VSWR）進(jìn)行測試，測試和仿真的駐波比如圖3所示。

圖3 天線仿真和實測結(jié)果

從圖3可以看出，實測天線駐波比和仿真駐波比吻合較好。由于加工精度誤差和SMA接頭的使用，測試結(jié)果和仿真結(jié)果有一定誤差。

為了觀察天線在整個頻帶內(nèi)的輻射特性，選取3.8、6.8、9.0GHz處天線的E面和H面的方向圖，如圖4所示，可以看出，天線的H面在低頻時有很好的全向性，隨著頻率的升高H面的全向性出現(xiàn)惡化現(xiàn)象。天線的E面輻射特性類似于單極子天線的E面輻射特性。

圖4 天線方向圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線，通過使用共面波導(dǎo)技術(shù)使天線的體積為29.3mm×31.0mm×0.5mm，實現(xiàn)了小型化的要求。通過對天線主要參數(shù)的分析和優(yōu)化，確定了天線尺寸，并對天線進(jìn)行了加工和測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。所設(shè)計的天線可工作在3～11GHz的帶寬范圍內(nèi)，天線的E面方向圖類似于單極子天線的E面方向圖，且在整個工作頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定的輻射特性；而天線的H面在低頻范圍內(nèi)具有很好的全向性，隨著頻率的升高出現(xiàn)了惡化現(xiàn)象。

［1］ 孫 銳，趙 燁.一種用于UWB通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，30（6）：690－692.

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