具有兩塊非對稱接地面的高緊湊型超寬帶天線

段吉海 藍(lán) 創(chuàng) 徐衛(wèi)林 韋保林 郝強(qiáng)宇 李曉峰

具有兩塊非對稱接地面的高緊湊型超寬帶天線

段吉海 藍(lán) 創(chuàng) 徐衛(wèi)林 韋保林 郝強(qiáng)宇 李曉峰

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

針對超寬帶無線通信的應(yīng)用，提出了一種新穎的具有兩塊非對稱接地面結(jié)構(gòu)的緊湊型超寬帶（Ultra－Wideband，UWB）天線.本設(shè)計(jì)采用半橢圓輻射單元和兩塊非對稱接地平面結(jié)構(gòu)，以獲得較寬的工作頻率和較小的幾何尺寸.對影響天線性能的主要幾何參數(shù)進(jìn)行了研究和優(yōu)化并對所設(shè)計(jì)天線進(jìn)行了加工制作與測量.測試結(jié)果表明：反射系數(shù)S11小于－10dB時(shí)，所設(shè)計(jì)天線的工作頻率覆蓋3～12GHz的范圍，滿足標(biāo)準(zhǔn)UWB帶寬（3.1～10.6GHz）的要求，且平均增益達(dá)到4.5dBi天線具有較小的幾何尺寸，僅為14mm×18mm＝252mm2.

超寬帶；小型化天線；非對稱接地平面

引 言

由于傳統(tǒng)窄帶無線系統(tǒng)的潛在干擾和頻譜的大量占用，美國聯(lián)邦通訊委員會在2002年將7.5GHz帶寬（3.1～10.6GHz）分配給超寬帶（Ultra－Wideband，UWB）無線通信業(yè)務(wù)使用［1］.超寬帶天線作為無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，被廣泛應(yīng)用到諸多領(lǐng)域當(dāng)中，成為通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［2－6］.隨著通信事業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對設(shè)備的小型化、便攜式提出了進(jìn)一步要求.因而，超寬帶天線應(yīng)具備尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單易于加工集成等特點(diǎn).

為了在相當(dāng)寬的頻率范圍（3.1～10.6GHz）內(nèi)實(shí)現(xiàn)UWB天線的小型化和高增益的設(shè)計(jì)，國內(nèi)外許多天線設(shè)計(jì)者嘗試了各種不同的結(jié)構(gòu)和技術(shù)［7－14］.文獻(xiàn)［7］采用雙饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)阻抗帶寬為100%的天線，該天線尺寸能夠達(dá)到14mm× 20mm＝280mm2.文獻(xiàn)［8］通過改進(jìn)接地平面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)尺寸為18mm×20mm＝360mm2和阻抗帶寬為132%的單極子天線.文獻(xiàn)［9］使用了L型接地平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)具有18mm×16mm＝288mm2尺寸并覆蓋3.3GHz到12GHz之間頻率的天線.文獻(xiàn)［10］通過在原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上截掉一半尺寸來達(dá)到縮小天線面積的目的，該天線實(shí)現(xiàn)了9.5mm×28.5mm＝271mm2的幾何尺寸和3.0～11.1GHz的阻抗帶寬.文獻(xiàn)［11］采用月牙形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)超寬帶天線，該天線能夠在3.4～20 GHz之間的頻率范圍工作，而且具有很小的尺寸（17mm×18mm＝306mm2）.文獻(xiàn)［12］則采用三種小型化技術(shù)實(shí)現(xiàn)較寬的阻抗帶寬（3.2～25.5 GHz）和緊湊的物理尺寸（12mm×23mm＝276 mm2）.文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)的橢圓形輻射元結(jié)構(gòu)天線的尺寸達(dá)到11mm×34mm＝374mm2，其阻抗帶寬為3.1～12.6GHz.文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)了一個(gè)由漸變輻射體結(jié)構(gòu)和缺陷地結(jié)構(gòu)構(gòu)成的天線，其尺寸為12mm ×23mm＝276mm2，帶寬為3.1～13GHz.

本設(shè)計(jì)提出了一種尺寸僅為14mm×18mm＝252mm2的高度緊湊型超寬帶天線.為了實(shí)現(xiàn)更小尺寸的超寬帶天線，采用了半橢圓輻射單元和兩塊非對稱接地平面結(jié)構(gòu).仿真優(yōu)化了影響天線性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)，并分析天線受關(guān)鍵參數(shù)的影響情況，得到其最佳幾何尺寸.為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線性能，我們對其進(jìn)行了加工制作，并就天線的S參數(shù)、輻射特性、增益等進(jìn)行了測試.

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的天線是一種平面結(jié)構(gòu)，如圖1所示.其半橢圓形狀的輻射元與饋線構(gòu)成漸變結(jié)構(gòu)，有利于提高天線的阻抗匹配特性［14］.天線背面為兩塊非對稱結(jié)構(gòu)的接地平面.該接地平面呈半包圍形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)天線的緊湊型設(shè)計(jì)，并且改善了天線的表面電流分布，能夠讓天線在頻率軸上形成多個(gè)諧振點(diǎn)，拓寬了天線的工作頻帶.因此該天線結(jié)構(gòu)能夠在縮減幾何尺寸的同時(shí)展寬了天線的阻抗帶寬.

天線正面的半橢圓的短軸、長軸半徑分別為a1、b1，饋線寬度為f.天線的接地平面可通過以下步驟獲得：首先在基片背面的左半部分挖掉一個(gè)橢圓（外橢圓）并只保留左下角圖形；然后在右半部分剪去另一個(gè)橢圓（內(nèi)橢圓）得到另外一個(gè)圖形；最后這兩部分圖形組合成一個(gè)圖后再在下邊開一個(gè)寬度為d的槽片，由此可得如圖1（b）所示的陰影部分，即為天線的背面結(jié)構(gòu).其中，外橢圓的短、長軸半徑分別為a2，b2，內(nèi)橢圓短、長軸半徑分別為a3，b3.這種由兩塊接地平面組成的結(jié)構(gòu)能夠提高天線輻射特性、擴(kuò)展天線阻抗帶寬并能有效減小天線幾何尺寸.

圖1中，天線的基片介質(zhì)材料采用羅杰斯（Rogers）板材，其介電常數(shù)εr＝3.55，基片寬度W＝14mm，長度L＝18mm，厚度h＝1.6mm.為方便設(shè)計(jì)，我們建立了一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，其原點(diǎn)和天線正面的橢圓中心M1重合，則M1＝（0mm，0 mm）.M3、M2分別為天線背面內(nèi)外兩個(gè)橢圓的中心，外橢圓如圖1（b）中虛線所示.

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

2 參數(shù)研究與優(yōu)化

為了獲得更好的性能參數(shù)，我們利用仿真軟件對所設(shè)計(jì)的天線的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.在保證其他參數(shù)不變的情況下，改變其中一個(gè)參數(shù)，得到的反射系數(shù)S11曲線如圖2所示.

從圖2（a）中可以看出，饋線寬度從小到大變化，天線帶寬的低頻部分和高頻部分的S11降低，而中頻部分的S11增大.從圖2（b）中可以看出，隨著輻射單元橢圓半徑的逐漸增大，S11參數(shù)曲線的低頻部分下移而高頻部分上移.圖2（c）表明了天線阻抗帶寬受接地平面外橢圓尺寸的變化的影響.隨著橢圓半徑a2的增大，天線的高、低頻部分阻抗匹配性較好，但中頻部分會變差.而圖2（d）顯示了接地平面的內(nèi)橢圓半徑取不同值時(shí)S11參數(shù)曲線的變化.隨著內(nèi)橢圓半徑的增大，天線的阻抗帶寬先增大然后減小.

圖2 S11隨參數(shù)變化曲線

經(jīng)過以上的仿真優(yōu)化，并綜合分析各種參數(shù)對天線性能的影響，得到如下最優(yōu)的幾何尺寸：f＝ 1.8mm，a1＝4.2mm，b1＝5.8mm，a2＝8.1mm，b2＝10mm，a3＝6mm，b3＝7.4mm，d＝3.6mm，e＝4.3mm，M2＝（－0.1mm，1.2mm），M3＝（－0.1 mm，1.4mm）.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上加工制作的超寬帶天線樣品如圖3所示.本文通過對天線的反射系數(shù)、表面電流分布、方向圖以及增益等參數(shù)的研究，了解天線的工作特性.

圖3 天線實(shí)物圖

反射系數(shù)是衡量天線特性的主要參數(shù)之一，其仿真與測量曲線如圖4所示.圖中實(shí)線代表仿真結(jié)果，虛線為測量結(jié)果.從圖中可以看出，在3～12 GHz頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11都小于－10dB.測量值與仿真值基本吻合，但還存在一些偏差，主要原因可能是仿真是在理想條件下進(jìn)行，而天線在加工制造以及焊接時(shí)都會產(chǎn)生一定的誤差.

圖4 反射系數(shù)S11曲線

天線的表面電流分布如圖5所示.低頻時(shí)電流主要集中在饋線、饋線與輻射元結(jié)合處以及右邊的接地塊.這說明饋線、輻射元以及右邊的接地塊在低頻段對天線性能的影響占主導(dǎo)地位.在高頻時(shí)，電流集中在饋線和左邊的接地塊，加強(qiáng)了饋線與接地平面之間的耦合.因此，高頻時(shí)天線性能主要受饋線和左邊接地塊的影響.

方向圖是衡量天線特性的另外一個(gè)重要參數(shù).圖6給出了天線在4GHz，6GHz和8GHz頻率點(diǎn)的仿真與測量方向圖，其中（a）、（c）、（e）是x－y平面的方向圖，（b）、（d）、（f）是y－z平面的方向圖.從圖6可以看出，天線的輻射近似朝x方向.由于測量條件的原因，方向圖在某些角度上會出現(xiàn)測量值與仿真值的偏差.

圖5 天線表面電流分布仿真圖

圖6 天線仿真和測試方向圖

圖7 給出了所設(shè)計(jì)天線的測量增益曲線.由圖7可見，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，天線的增益由3.2 dBi逐漸增大到5.5dBi，平均增益為4.5dBi，增益隨頻率的增大而增大.

圖7 天線增益曲線

4 結(jié) 論

提出了一種新穎的具有兩塊非對稱接地平面結(jié)構(gòu)的高度緊湊型超寬帶天線.該天線由半橢圓輻射體和兩塊接地平面構(gòu)成，其幾何尺寸僅為14mm× 18mm＝252mm2.為了獲得天線的優(yōu)化性能，仿真并分析了影響天線特性的主要幾何參數(shù)，且在優(yōu)化的基礎(chǔ)上制作了天線實(shí)物，對天線的主要指標(biāo)進(jìn)行了測試.結(jié)果表明，這種新型天線在3～12GHz頻率范圍內(nèi)的S11小于－10dB，相對帶寬為120%，平均增益達(dá)到4.5dBi.由于該天線具有尺寸小、頻率寬、增益高等特點(diǎn)，因此，非常適用于小型化的超寬帶系統(tǒng).

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Design of a highly compact ultra－wideband antenna with two asymmetric patch grounds

DUAN Jihai LAN Chuang XU Weilin WEI Baolin HAO Qiangyu LI Xiaofeng
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

In this paper，a novel highly compact ultra－wideband（UWB）antenna with two asymmetric patch grounds is proposed for UWB applications.Using the Semi－elliptical radiator and two patch grounds which are mounted to the back side of the antenna，the broad impedance matching and small form factor are achieved.The key parameters that affect the performance of the antenna are studied and optimized.The proposed antenna has been fabricated and measured.The experimental results show that the designed antenna can provide ultra－wide bandwidth with S11＜－10dB，covering standard UWB bandwidth of 3.1～10.6GHz，and the average gain of the antenna is 4.5dBi.The antenna features a very small physical size of 14mm×18mm＝252mm2.

ultra－wideband；miniaturized antenna；asymmetric ground

TN822＋.8

A

1005－0388（2015）02－0339－05

段吉海（1964－），男，廣西人，博士，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院教授，研究生導(dǎo)師，主要從事射頻集成電路研究.

藍(lán) 創(chuàng)（1984－），男（壯族），廣西人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院碩士生，主要從事射頻集成電路研究.

徐衛(wèi)林（1976－），男，湖南人，博士，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院副教授，研究生導(dǎo)師，主要從事集成電路研究.

2014－04－26

國家自然科學(xué)基金（61161003，61166004，61264001）；廣西自然科學(xué)基金（2013GXNSFAA019333）

聯(lián)系人：段吉海E－mail：phddjh＠gmail.com