一種基于微帶饋電的平面單極子超寬帶天線

1 引言

自從2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (Federal Communication Committee, FCC)開(kāi)放超寬帶標(biāo)準(zhǔn)以來(lái),超寬帶技術(shù)引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。超寬帶傳輸具有高傳輸率，低輻射、低散射損耗等特點(diǎn)。用于脈沖輻射和接收的超寬帶天線是超寬帶系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。所以對(duì)超寬帶小型化天線的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。

過(guò)去幾年的研究表明, TEM 喇叭 、貼片天線和開(kāi)槽天線等可以作為超寬帶天線使用,其中貼片天線有輪廓低、 重量輕、 容易集成和制造成本低等優(yōu)點(diǎn) ,在移動(dòng)通信的應(yīng)用中有潛在的優(yōu)勢(shì)。但是貼片天線的帶寬比較窄,一些研究者已經(jīng)嘗試做了增進(jìn)帶寬的工作,電阻加載和改變天線的形狀是兩類(lèi)成功的嘗試。電阻加載會(huì)降低天線的效。有的平面單極子天線有一個(gè)較大的地板與天線臂垂直放置，這給天線的小型化設(shè)計(jì)帶來(lái)了不便。共面波導(dǎo)饋電和開(kāi)槽相結(jié)合的方法也可以增加天線的帶寬。FCC批準(zhǔn)商用的UWB 系統(tǒng)可以工作在 3. 1～10. 6 GHz的頻帶內(nèi)，本文嘗試通過(guò)改變振子和饋線形狀來(lái)增加帶寬。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出在2.8 GHz-18.6GHz的頻帶內(nèi)回波損耗小于-10 dB。

2 天線結(jié)構(gòu)

天線被設(shè)計(jì)在一塊大小為25 mm × 30 mm，厚度為1.9 mm，介電常數(shù)為4.4的Rogers5880基片上。天線采用微帶線饋電，輻射臂和地板分別位于基片的兩側(cè)，地板的大小為25 mm ×14 mm。為了增加天線的帶寬，微帶饋線被設(shè)計(jì)錐形漸變線，其長(zhǎng)度為15 mm，輸入阻抗為50Ω。在改變微帶饋線形狀的同時(shí)，也采用了非對(duì)稱(chēng)饋電的方法來(lái)增加天線的帶寬，通過(guò)參數(shù)仿真，饋電點(diǎn)選在了天線偏左的位置。天線的具體參數(shù)值為：?jiǎn)挝?mm)

(1) 介質(zhì)基片：W=25，L=30,，H₁=1.9； (2) 地板 ：L₁=14， H₂=0.08，g=1；(3) 錐形漸變線：W₁=3，W₂=8，S=3.6，S­₁=1.6，L₃=2.5，L₄=3.5，L₅=9，H=0.08；(4) 輻射臂：W₃=25，W₄=15，r₁=5，r₂=5

圖1 天線的結(jié)構(gòu)

3 天線的仿真結(jié)果

為了使所設(shè)計(jì)的天線在回波損耗小于-10 dB的頻帶內(nèi)具有最大的增益。設(shè)計(jì)中使用了基于有限元法的仿真軟件CST MWS對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。仿真的最后結(jié)果如圖2所示，從中可以看到在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內(nèi)，天線的回波損耗小于-10 dB。

圖2 天線的回波損耗

6GHz E 平面 (Y-Z 平面)

6GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （A）

9 GHz E 平面 (Y-Z 平面)

9 GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （B）

16 GHz E 平面 (Y-Z 平面)

16 GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （C）

圖3 天線的輻射方向圖

圖4 天線的增益

圖4為天線的增益對(duì)頻率的變化，從圖中那個(gè)可以看出在頻率為2.8 GHz -18.6 GHz的范圍內(nèi)天線的增益為1.7 dBi 到5.05 dBi 之間。

4 不同參數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)對(duì)天線的影響

在天線的設(shè)計(jì)中，有些敏感的參數(shù)將會(huì)很大的影響天線的性能。為了使天線的性能達(dá)到最優(yōu)，將會(huì)在仿真中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描。從仿真結(jié)果中可以看出參數(shù)變化對(duì)天線性能的影響，從而選擇最終合適的參數(shù)。圖5和圖6是不同參數(shù)的變化與天線性能的關(guān)系，從圖中可以看出當(dāng)g=1mm，W₁=4mm時(shí)天線的仿真結(jié)果最好。

圖5 取不同的g時(shí)天線的回波損耗

圖6 取不同的w1時(shí)天線的回波損耗

為了減小天線的反射損耗，對(duì)天線的直角進(jìn)行了導(dǎo)圓角。使天線的反射減小，從而也在一定程度上優(yōu)化了天線的性能。圖8為導(dǎo)圓角前后天線的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，導(dǎo)圓角后天線的回波損耗有所減小。

圖7 兩種不同形狀的天線

圖8 兩種不同天線的回波損耗

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的平面單極子超寬帶天線基于微帶饋電，具有較寬的帶寬。通過(guò)錐形漸變饋線和不對(duì)稱(chēng)饋電增加了天線的帶寬，使天線的回波損耗在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內(nèi)小于-10dB。同時(shí)天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于加工，所以該天線完全符合小型化超寬帶天線的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。