一種新型超寬帶微帶天線

賈登權　史志緯

摘 要：目前超寬帶無線通信成為研究的熱點,同時對天線的研究提出新的挑戰。提出了一種小型超寬叉形微帶天線結構,首次采用對地板做開一個半圓形縫隙處理,提高了天線輻射性能,而對其他參數影響不大。通過數值模擬,該天線主抗帶寬為3.5~14 GHz,基本覆蓋了FCC建議的頻段。其在XZ面具有良好的全向,在YZ平面輻射圖具有很好的穩定性。此天線結構具有良好的輻射特性,基本滿足了超寬帶通信對天線的要求。

關鍵詞：微帶天線;半圓縫隙;超寬帶;輻射圖

中圖分類號：TN820.1 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-041-02

A Novel Ultra-wideband Microstrip Antenna

JIA Dengquan,SHI Zhiwei

(Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract：At present,the Ultra-Wideband(UWB) wireless communication becomes research hotspot,a new challenge to the antenna's research is needed.A new kind of small UWB fork-shaped microstrip antennas is proposed,a semicircle slit processing on the ground is first adopted,the antenna radiation has been enhanced,but it has not big influence to other parameter.Through the numerical simulation,this antenna bandwidth is 3.5~14 GHz,the FCC suggestion frequency band is covered basically.It has good omnidirectional in the XZ plane,and has very good stability radiation pattern in the YZ plane.This antenna has a good radiation characteristic,and basically has satisfied the ultra-wide band request to the antennas.

Keywords：microstrip antenna;semicircle slit;UWB;radiation patterns

0 引 言

伴隨著移動無線通信技術的迅猛發展,特別是一些可攜帶移動通信設備的需求,小型化超寬印刷微帶天線的研究技術得到快速發展。美國通信委員會于2002年將3.1~10.6 GHz頻段作為超寬通信使用,使超寬天線技術的研究成為一個新的研究熱點。

大量的不同類型超寬帶平面微帶單集子天線出現在相關文獻中,如矩形、橢圓形、圓形、多面形［1］等,但是有的很難與其他的微波器件集成在一起［2］。最近有些文獻提出了對地開矩形縫隙的處理［3,4］,提高了主抗帶寬。文獻提出了對貼片開縫隙提高YZ平面輻射特性的一種方法,但其主抗帶寬較小。在此提出了一種新型叉形結構單集子微帶天線,通過對原始五邊形貼片結構進化、優化,使得主抗帶寬在3.5~14 GHz。特別是對地做半圓形縫隙的處理,提高了天線的輻射特性,而未對主抗帶寬形成較大影響。通過應用電磁高頻仿真軟件HFSS的仿真,此天線結構在3.5~8 GHz的頻段內,其XZ面具有良好的全向性,并且在YZ面具有類偶集子輻射特性,在這個頻段內,其輻射特性有較好的穩定性。

1 天線結構

天線的結構如圖1所示。仿真中的天線應用相對介電常數為4.4,tan σ=0.02的FR-4介質,其厚度 h=1 mm,其尺寸為Wg=25 mm,L=25 mm,通過微帶饋電。利用高頻電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真、優化,其最終結構如圖1所示。

圖1 天線結構

天線各個參數分別如下：Lg=8.5 mm,L1= 14.5 mm,L2=12.5 mm,L3=4 mm,W1=4 mm, W2=3.1 mm,W3=1.5 mm,W4=2.5 mm,W5= 1.8 mm,其中對地開了一個小半圓縫隙,其半徑R= 0.9 mm。可以看出此天線結構能夠很好地和其他的微波電路集成在一起,饋線的主抗設置為50 Ω,1.8 mm×10 mm。

2 仿真結果

如圖2所示,其阻抗帶寬為3.5~14 GHz,其中心頻率為8.25 GHz。可以看出此結構具有兩個諧振點,分別是4.27 GHz和8.34 GHz。地板的半圓縫隙降低了5~8.2 GHz這個頻段的s 11參數,對12~14 GHz有明顯的影響,但對其他的頻段沒有什么影響。可見地板的半圓形縫隙的引入對s 11參數影響不大。

圖2 地板的半圓縫隙對Retrun Loss的影響

圖3是對地開半圓縫隙與未做處理的輻射圖對比,可以看出在XZ,YZ面的輻射圖均有很大改善。在XZ

平面半圓縫隙對低頻影響較大,降低了增益,使得增益在這個頻段內變化比較平滑。在YZ平面,半圓形縫隙對90°,270°影響較大,使得在這個角度范圍內增益變化較小,而對其他角度沒有太大影響。同樣半圓縫隙在YZ面對低頻段也有較大的影響,提高了0°,180°輻射增益,降低了90°,270°的輻射增益,使得整體輻射具有較好的穩定性,對高頻段影響較小。可能半圓縫隙產生了低頻斷諧波,使得XZ,YZ 平面變化均較平滑。表1列出了4~8 GHz內,XZ平面的最高增益和最低增益。

表1 4~8 GHz內XY平面的最高增益和最低增益

頻率 /GHz最高增益 /dB最低增益 /dB

42.781.59

52.941.37

63.151.08

730.24

82.32-1.3

3 結 語

通過對天線各個參數的優化,以及在地平面開了一個半圓形縫隙,提高了天線輻射特性,該天線結構在 4~ 8 GHz內,在XZ平面具有良好的全向性；在YZ平面具有類偶集子輻射特性。

圖3 三個頻率仿真的輻射圖結果

參考文獻

［1］Antonino-Daviu E,Cabedo-Fabres M.Wide Double-fed Planar Monopole Antennas.Electronic Letter,2003,39(23).

［2］Ammann M J,Chen Z N.A Wideband Monopole Antennas for Mutil-band Wireless Systems.IEEE Atennas and Propagation Magazine,2003,45(2).

［3］Jihak jung,Wooyong Choi.A Small Wideband Microstrip-fed Monopole Antenna.IEEE Microswave and Wireless Componetes Leters,2005,15(10).

［4］Bao X L,Ammann M J.Printed Band-Rejection UWB Antenna with H-shaped Slot.Antenna Technology:Small and Smart Artennas Metamaterials and Applications,IWAT′07,2007:319-322.

［5］Wang Junjun,Sun Xiaobing.UWB Circular Monopole Omininidirectional Atenna with a Slot for Radiation Pattern Improvement.Ultra-wideband 2007,ICUWB 2007,IEEE International Conference on,2007:478-482.

［6］毛胤電,陳董.寬縫結構超寬帶天線的設計［J］.山西電子技術,2007(4):54-56.

［7］宋朝暉,祁嘉然,邱景輝,等.圓盤單極超寬帶天線特性研究［J］.哈爾濱工程大學學報,2007(1):26-30.

［8］陳董,程崇虎.寬縫結構超寬帶天線的研究［J］.南京郵電大學學報:自然科學版,2006,26(2):72-75.

［9］肖志文,盧萬錚,何建國,等.一種平面超寬帶天線的優化設計及其分析［J］.微波學報,2006(4):36-40.

［10］程勇,呂文俊,程崇虎,等.一種小型平面超寬帶天線的設計與研究［J］.電波科學學報,2006(4):582-585,631.

［11］呂文俊,朱洪波.具有陷波功能的超寬帶縫隙天線的設計與研究［J］.中國電子科學研究院學報,2007,2(4):349-353.

作者簡介賈登權 研究方向為天線理論與工程。