一种小型平面超宽带天线的设计与实现

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钱祖平1 周 锋2 彭 川2 韩继伟2
(1 .解放军理 工大学通信工程学院卫星通信系 , 江苏 南京 210007 ; 2.解放军理工大学 通信工程学院研究生 3 队 , 江苏 南京 210007)
摘 要 提出了一种新颖的小型平面超宽带天线 。 该天线由矩形微带天线的基本结 构演变而来 , 为获得超宽带频率特性 , 设计时辐射单元下端采用了渐变结构 , 金属底 板使用缺陷地结构 。对天线的反射系数 、方向图及增益进行了仿真计算和优化设计 , 实测结果为 :天线的工作频段为 3.1 ～ 13.0 G Hz(S11 <-10 dB), 增益大于 1 dB , 具 有良好的超宽带特性和全向辐射特性 。 关键词 超宽带 ;微带天线 ;缺陷地 中图分类号 T N82 文献标志码 A
天线通过低频段频点来预估辐射贴片的大小 , 天线最长边 L 1 可估算为[ 10]
L 1
≈ 4
c ft
εef f
(1)
式中 :其中 , c 为真空中光速 ;f t 为最低工作频率 ;
εe f f ≈(εr +1)/ 2 为有效介电常数 。贴片的宽 L3 和
短边 L2 可优化使天线获得最佳的阻抗匹配 , 在金属 底板采用缺陷地[ 11] 结构 , 使接地面的边缘与微带馈
本文提出了一种微带馈电的小型平面超宽带天 线 , 通过渐变结构和在接地面上开槽来实现超宽带 工作特性 , 还可以实现尺寸的缩小 。通过数值仿真 和实验测量 , 充分研究了这种天线的工作特性 。 结 果表明 :该天线具有超过 4 ∶1 的工作带宽 , 同时在
工作频带内具有良好的近似全向辐射特性 , 具有较 好的使用价值 。
表 1 天线几何参数(mm)
L1
L2
L3gΒιβλιοθήκη 181011
8
f
l
s
w
4
4
2 .4
3 .1
3.天线特性仿真与实验研究
利用电磁仿真软件 H FSS , 对天线结构进行了 优化 , 制作天线实物如图 3 所示 。 考虑天线的输入 特性主要取决于接地面处的尺寸 , 因此 , 数值仿真主 要研究接地面参数 f 、l 、g 、s 对天线性能的影响 。为 了使天线性能波动不太大 , 所有参数均被限制在一 个较小的变化范围内 。
第 5 期 钱祖平等 :一种小型平面超宽带天线的设计与实现
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阻抗带宽只是衡量天线带宽特性的指标之一 , 天线工作带宽还受到方向图带宽的影响 。图 6 分别 给出了天线在 3 GH z 、6 GH z 、9 GH z 、12 GH z 频点 上的辐射方向图 。 由图可见 , 天线的水平不圆度在 所测量的各个频点上均在 10 dB 以内 。可以认为该 天线在整个工作频带内的辐射方向图的形状能保持 稳定而且具有较好的不圆度 。 因此 , 天线的辐射方 向图带宽与阻抗带宽基本吻合 , 完全能够满足超宽 带无线通信系统对天线辐射特性的要求 。
2.天线结构设计
常规微带馈电单极子天线多采用矩形或圆形实
现 。首先设计了一种常规的微带馈电的超宽带天线
作为参考天线 , 如图 1(a)所示 , 天线采用渐变结构
来实现超宽带特性 。在此基础上 , 将该天线切去一
半 , 并调整天线辐射贴片和接地面的渐变结构 , 使之
具有超宽带特性 , 天线结构如图 1(b)所示 。
图 7 给出了天线的实测增益曲线 。由图可知 , 设 计天线的增益测量值与参考天线基本近似 , 在整个工 作频段内具有较好的增益特性 , 说明所设计天线在减 小天线尺寸的同时 , 能保持较好的超宽带特性 。
图 7 天线增益测试结果
4.结 论
通过电磁仿真计算和优化设计 , 制作了一种新 型的平面超宽带天线 , 该天线通过缺陷地结构来获 得超宽带特性 , 实测结 果表明 :天线的工作频 段为 3.1 ～ 13.0 G H z(S11 <-10 dB), 增益近似大于 1 dB , 具有良好 的全向 辐射特 性 。 该 天线具 有尺 寸 小 、低剖面等特点 , 有利于电路集成 , 可以作为小型 超宽带系统的收发天线 , 具有一定的实用价值 。
线的边缘错开一定距离(如图 1(b)所示), 通过仿真
计算 , 所得回波损耗如图 2(a)所示 。 图 2(a)结果表
明 :在使用缺陷地开槽后 , 天线的输入端反射特性得
到了明显的改善 , 在整个工作频段内回波损耗都小
于 -10 dB 。
利用电磁仿真软件 H FSS 对两种 天线 进行 计
收稿日期 :2009-12-21 联系人 :钱祖平 E-mail :qzp811@sina.co m
1.引 言
按照 F CC 的规定 , 将 3.1 ～ 10.6 GH z 之间 7.5 G Hz 的频段分配给超宽带无线通信业务使用 。 超 宽带(U W B)天 线 的 设 计与 研 究 则 是 超 宽 带 通 信 的 关键技术之一 , 因此 , 这一类天线的研究一直是天线 领域的一大热点 。
应用于超宽带无 线通信系统的 天线应具有体 积小 、带宽宽 、成本低 、全向覆盖 等特点[ 1] , 而以往 很多具有超 宽带工 作特性 的天线 往往体 积较 大 , 难以实现 与小型 系统的 一体 化设 计 。 因 此 , 超宽 带天线逐渐趋向小型化研 究 , 常见的小型 化 UWB 天线主要包括单极子天线[ 2-3] 和宽缝隙天线[ 4-5] , 前 者的设计方案主要包括印刷型单 极子与平板单极 子 , 可通过采用盘锥形[ 6] 、渐变结构[ 7] 或在叶状贴 片上开圆孔[ 8] 获得 超宽 带特 性 ;后者 一般采 用宽 缝隙结构 , 通过调 整支 节的 尺寸 参数[ 9] 获得 超宽 带特性 , 集成度 较高 。 上述 两类 天线 均具有 很宽 的工作带宽和近似的全向辐射特性 。
第 25 卷 第 5 期
2010 年 10 月
CHIN电ES E J波OU RN科AL O学F R AD学IO
报
SCIENCE
V olO.c2to5be, Nr , 2o01.50
文章编号 1005-0388(2010)05-0920-05
一种小型平面超宽带天线的设计与实现
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算 , 所得回波损耗如图 2(b)所示 , 图中显示设计天 线的谐振频率比常规天线低 , 且高频段具有更好的 宽频带特性 。利用仿真计算优化天线参数 , 最终天 线制作在尺寸为 24 m m ×12 mm(L =24 m m , W =12 mm), 相对介电常数 εr =2.2 , 厚度 h =1 m m , 损耗角正切 tanδ=0.001 的介质基板上 , 确定天线 最佳尺寸如表 1 所示 。
天线馈电端口的反射特性利用 A gilent 公司的 N5230C 矢量网 络分析仪进行测量 , 测 量结果与计 算结果的比较如图 5 所示 , 可以看出 , 在频带的低 端 , 实测结果的谐振频率比仿真结果低 , 且实测值出 现多个谐振频率点 , 在高频端反射特性较好 。这些 是由于在仿真计算时 , 并没有考虑 SM A 接头等连 接器件的影响 , 此外 , 所选用板材的特均匀性和一致 性的不理想都会给天线的性能带来影响 。
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图 3 天线实物图
图 4 给出了接地面参数对天线回波损耗的影 响 。由图(a)、(b)可见 , 接地面参数 f 、l 对整个工作
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电 波 科 学 学 报
第 25 卷
频段影响不大 , 在低频段变化明显一点 , 综合考虑取 f =l =4 mm 。 图 4(c)给出了输入回波损耗随接地
面长度 g 变化的频率特性曲线 。 由图 4 可见 , g 变 化对天线回波损耗影响较大 , 随着 g 增加 , 高端反射 性能变差 , 最高工作频率增大 , 反之 , g 减小 , 高端反 射特性变好 , 最高工作频率减小 。 图 4(d)给出了输 入回波损耗随接地面开槽宽度 s 变化的频率特性曲 线 。图中表明 :随 着 s 的增 加 , 低 频段谐振 频率降 低 , 整个工作带宽有所增加 , 但在高频端反射特性变 差 , 选取 s =2.4 m m 时 , 整个频段的回波损耗最佳 。