三維小型化圓形超寬帶天線設(shè)計(jì)*

靳松樺，王 強(qiáng)

（南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226000）

0 引 言

大多數(shù)天線都是工作在單一的頻率，由于空間有限，在一個小型的無線通信設(shè)備中安裝多個不同頻率的天線是很困難的。為了解決這些問題，可重構(gòu)天線［1］、多頻段天線［2］、超寬帶（ultra-wideband，UWB）天線［3］等各種天線應(yīng)運(yùn)而生。

在這些天線中，可重構(gòu)天線采用可切換技術(shù)，使天線能夠在不同頻率下工作。相比于多個單一頻率天線，可重構(gòu)天線尺寸較小，擁有多個工作頻段［4］。然而，可重構(gòu)天線不能在多個頻率下同時工作，應(yīng)用范圍受到了限制。多頻段天線可以克服這個缺點(diǎn)，同時工作在多個頻段。但是多頻段天線往往只能工作在固定的幾個頻段，兼容性較差。UWB天線是一種工作頻帶非常寬的天線，尺寸較小，且可以同時接入不同的無線網(wǎng)絡(luò)，在無線通信設(shè)備的應(yīng)用中具有更強(qiáng)的競爭力［5］。大多數(shù)UWB天線雖然具有很寬的工作頻段，但是在高頻段會產(chǎn)生電流分束現(xiàn)象，導(dǎo)致天線很難在高頻段獲得全向的輻射模式。

為了獲得更小的天線尺寸和穩(wěn)定的輻射模式，提出了一種新型的三維小型化圓形UWB 天線。該天線以圓形平面UWB單極子天線為基礎(chǔ)，通過在圓形輻射貼片和接地面上垂直加載金屬翼，改善天線輻射能力和帶寬，實(shí)現(xiàn)天線的小型化和全向的輻射模式。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1所示為設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)天線的原型是一種傳統(tǒng)的圓形平面UWB單極子天線，如圖2所示。與以往的天線改進(jìn)技術(shù)相比，一種金屬翼結(jié)構(gòu)被引入天線設(shè)計(jì)中。這種金屬翼結(jié)構(gòu)垂直加載在圓形輻射貼片和接地面上，構(gòu)成一種三維的天線結(jié)構(gòu)。對于大多數(shù)平面天線設(shè)計(jì)來說，三維的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相當(dāng)特殊的。本文將詳細(xì)講述這種金屬翼結(jié)構(gòu)在改善天線輻射性能和阻抗匹配方面的作用。

圖2 原型天線結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)行對比研究，設(shè)計(jì)天線和原型天線使用相同的1.6 mm厚的FR—4襯底，相對介電常數(shù)為4.5，損耗正切為0.025。為了獲得最大的工作帶寬和最佳的輻射性能，使用仿真軟件對設(shè)計(jì)天線進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。原型天線和設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。設(shè)計(jì)天線的整體尺寸為24 mm×29 mm，原型天線為30 mm×42 mm。設(shè)計(jì)天線的尺寸比原型天線減小了約45%。此外，與原型天線相比，設(shè)計(jì)天線具有較低的低邊緣頻率，應(yīng)用范圍更廣。

表1 原型天線的尺寸 mm

表2 設(shè)計(jì)天線的尺寸 mm

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 原型天線設(shè)計(jì)

如圖2所示，本文以傳統(tǒng)的圓形平面UWB單極子天線作為原型天線。這類天線由于其UWB 特性和較小的尺寸，在文獻(xiàn)［6，7］中得到了廣泛的研究。然而，大部分同類型天線在高頻段輻射特性都會變差，很難在整個UWB 頻段保持較好的輻射性能。

如圖3 所示，為原型天線在2.4，5，9 GHz 處的輻射方向圖。由圖3 可知，原型天線在低頻段（如2.4 GHz 和5 GHz）輻射性能較好，基本保持良好的輻射特性，而在高頻段（如9 GHz）輻射性能變差，不能保持全向的輻射模式。

圖3 原型天線輻射方向

如圖4所示，為原型天線在3 GHz和9 GHz時的電流分布。通過對比可知：原型天線在3 GHz 處電流流動較為規(guī)則，而在9 GHz處電流流動不規(guī)則，存在“分束”現(xiàn)象。這些不規(guī)則的電流矢量空間相位不同，沿著不同方向散射。這些向不同方向散射的電流矢量嚴(yán)重阻礙了天線的對外輻射，使得原型天線在高頻段輻射性能變差。

圖4 原型天線電流分布

對于大多數(shù)無線通信設(shè)備而言，較小的天線尺寸更能滿足使用需求。根據(jù)文獻(xiàn)［8］研究，傳統(tǒng)的圓形平面UWB單極子天線的低邊緣頻率主要是由圓形輻射貼片的半徑所決定，半徑越大，低邊緣頻率越低。因此，在降低天線低邊緣頻率的同時，減小天線的尺寸是相當(dāng)困難的。從圖5 中的仿真結(jié)果可以清晰地看出，隨著圓形輻射貼片半徑的減小，原型天線的低邊緣頻率不斷提高。

圖5 不同輻射貼片半徑R下原型天線的反射系數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)天線設(shè)計(jì)

以往的研究者使用金屬刻蝕的方式，在主輻射貼片上刻蝕各種形狀的結(jié)構(gòu)，來達(dá)到天線小型化的目的［9，10］。相比于傳統(tǒng)的小型化技術(shù)，本文使用添加金屬翼的方式來減少天線的尺寸，拓寬帶寬，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輻射。

圖6（a）為原型天線。本文在原型天線的圓形輻射貼片和接地面上垂直加載了金屬翼，如圖6（b）所示。金屬翼垂直加載在圓形輻射貼片和接地面上，與圓形輻射貼片協(xié)同工作。由于圖6（b）不是本文設(shè)計(jì)天線的最終結(jié)構(gòu)，稱其為過渡天線。圓形平面UWB 單極子天線的低邊緣頻率主要由圓形輻射貼片的半徑?jīng)Q定，垂直加載金屬翼使得貼片上的電流路徑加長，間接增加了圓形輻射貼片的尺寸，可以有效降低天線的低邊緣頻率。因此，在垂直加載金屬翼的情況下，適當(dāng)?shù)販p小圓形貼片的尺寸也能保持較低的低邊緣頻率。數(shù)值結(jié)果表明，如果保持低邊緣頻率基本不變的情況下，圓形輻射貼片尺寸減小了25%，天線的總尺寸也顯著減小。

圖6 天線設(shè)計(jì)過程

為了實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配和更小的天線尺寸，設(shè)計(jì)天線在過渡天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，如圖6（c）所示。槽1是接地面邊緣的2 塊面積為1 mm ×11.5 mm 的長矩形，如圖6（c）所示。切除這2 塊長矩形后，接地面上垂直加載的金屬翼成為接地面邊緣，與介質(zhì)基片邊緣之間的距離為1 mm。槽1主要是用于改善天線帶寬，降低天線的低邊緣頻率；槽2 是天線的接地面上2 個面積為0.2 mm ×1 mm的短矩形，如圖6（c）所示。槽2的存在增大圓形輻射貼片與接地面之間的間隙，改善了圓形輻射貼片與微帶線連接處電流分布，減小了不規(guī)則電流矢量對天線整體的影響，實(shí)現(xiàn)了更好的阻抗匹配。貼片3 是天線背面一個半徑為3 mm的圓形寄生貼片，如圖6（c）所示。貼片3 位于圓形輻射貼片與微帶線連接處的下方。貼片3主要用于改善天線在高頻段的帶寬特性，使天線在高頻段保持穩(wěn)定高效的輻射模式。從圖6 中的數(shù)值結(jié)果來看，在保持低邊緣頻率基本不變的情況下，這些改進(jìn)使得圓形輻射貼片面積減小了11%，天線的總尺寸減小為24 mm×29 mm。

在此設(shè)計(jì)中，垂直加載的金屬翼阻礙了電流矢量向各個方向的移動，槽2 和貼片3 改善了圓形輻射貼片與微帶線連接處的電流分布。因此，天線能在寬頻帶內(nèi)保持全向的輻射性能。圖7給出了設(shè)計(jì)天線在9 GHz處4 個不同相位（0°，90°，180°，270°）下 的 電 流 分 布。對 比 圖7 與圖4（b），可以明顯觀察到：與原型天線相比，設(shè)計(jì)天線中不規(guī)則的散射電流明顯減少，多數(shù)電流矢量沿同一方向移動，電流“分束”現(xiàn)象得到了有效的抑制。

圖7 設(shè)計(jì)天線在9 GHz處的電流分布

對比了原型天線（R ＝8 mm）、過渡天線和設(shè)計(jì)天線的反射系數(shù)。由圖8 可知，若無金屬翼結(jié)構(gòu)，原型天線（R ＝8 mm）的低邊緣頻率大約在3.25 GHz。加入金屬翼結(jié)構(gòu)后，過渡天線的低邊緣頻率大約為2.39 GHz，低邊緣頻率將從3.25 GHz降低到2.39 GHz，降低了0.86 GHz。通過切除長矩形與短矩形和增添寄生貼片這些改進(jìn)方式，改善了天線在高頻段的帶寬特性。由圖8 可知，設(shè)計(jì)天線在2.39 ～10.76 GHz范圍內(nèi)保持較好的輻射性能。

圖8 3 種天線的反射系數(shù)

3 結(jié)果與討論

本文選取了4種UWB天線進(jìn)行對比，如表3所示。由表3可知，本文設(shè)計(jì)的天線工作頻率為2.39 ～10.76 GHz，峰值增益為1.3 ～4.6 dB，整體尺寸為24 mm ×29 mm。與其他4種天線相比，本文設(shè)計(jì)的天線低邊緣頻率較低，尺寸較小，滿足WALN和UWB應(yīng)用的使用需求。

表3 UWB天線對比

如圖9所示，為設(shè)計(jì)天線在2.4，5，8，10 GHz處的增益方向。這些增益方向圖使用最大增益進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。由圖9可知，在E面方向圖中，“8”圖形在整個帶寬中幾乎被完美地保持。在H 面方向圖中，圖形幾乎是全向的。圖9與圖3 對比發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)天線在WLAN 和UWB 應(yīng)用頻段內(nèi)幾乎保持全向的輻射模式，輻射性能良好。

圖9 設(shè)計(jì)天線的增益方向

如圖10所示，為設(shè)計(jì)天線在工作頻段內(nèi)的峰值增益和輻射效率。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)天線在工作頻段2.39 ～10.76 GHz 內(nèi)的峰值增益為1.3 ～4.6 dB，輻射效率大于80%，其中，超過70%的工作頻段具有良好的輻射效率。仿真數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)天線具有令人滿意的輻射能力。

圖10 設(shè)計(jì)天線的峰值增益和輻射效率

群延遲是UWB 通信的一個重要參數(shù)，它可以判斷發(fā)送脈沖的失真程度。為了實(shí)現(xiàn)完美的脈沖傳輸，在全頻段內(nèi)群延遲應(yīng)該接近一個常數(shù)。由圖11可知，本文的設(shè)計(jì)天線群延遲很小，在整個UWB 頻段的群延遲小于0.5 ns，非常適合UWB通信的應(yīng)用。

圖11 設(shè)計(jì)天線的群延遲

4 結(jié)束語

利用在圓形輻射貼片和接地面上垂直加載金屬翼的方式，提出了一種工作于WLAN 和UWB 頻段的三維小型化圓形UWB天線，具有較寬的工作頻段和較小的天線尺寸。仿真結(jié)果表明：該天線尺寸減小了44 %，工作頻段為2.39 ～10.76 GHz，覆蓋WLAN和UWB頻段。此外，天線具有穩(wěn)定的輻射模式和較高的輻射效率。此天線符合無線通信設(shè)備小型化和便攜化的發(fā)展趨勢，在汽車通信、礦產(chǎn)探測、災(zāi)后搜救等領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景。