新型超寬帶單極子天線的設計

徐海洋,張 厚,梁建剛,王洪光

(空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800)

1 引 言

超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)[1-5]技術作為一種無線通信技術,具有小范圍的超強無線設備連接能力,而且擁有低功耗、高性能和低成本無線數據通信能力,在精確定位系統、探地雷達以及短距通信等方面已有廣泛的應用。隨著微波集成電路(MIC)技術和超大規模集成電路(VLSIC)技術的快速發展,以及各種新材料和新工藝的應用,通信電子設備的體積日益小型化,其處理信息的能力也日益朝著智能化和寬帶化發展。天線作為發射和接收電磁波的設備,是無線通信系統中不可或缺的組成部分。相應地,系統對天線提出的要求也越來越高,不僅要求天線適應小型化發展,而且還要滿足電性能指標,尤其是帶寬和效率。因此,天線的寬帶和小型化設計與應用是大勢所趨。UWB天線的設計與研究作為超寬帶通信的關鍵技術之一,是近年來天線與傳播領域的一大熱點。為適應小型集成化的需求,超寬帶平面天線的研究與應用引人矚目。一般來說,天線的尺寸越小,天線的效率和帶寬性能就會呈反向變化的關系,因此需要在尺寸與效率和帶寬之間找到平衡。超寬帶印刷單極子天線具有重量輕、體積小、低剖面、方向圖全向、易于共形和集成等優點,在短距離無線通信系統中獲得了廣泛的應用。文獻[6]給出了一種超寬帶單極子天線,天線的帶寬范圍為接地板分別印制在介質板的兩側,實現了天線的寬帶化,天線帶寬范圍為2.48～14.86GHz。文獻[7]設計了一款作為參考天線的單極子天線,將天線的接地板邊緣作了圓滑處理,帶寬范圍覆蓋了FCC所規定的3.1～10.6GHz的帶寬。

本文設計的單極子天線,在天線的接地板上開矩形槽,并在單極子貼片的頂端開扇形槽,大大展寬了天線的帶寬,天線的-10dB仿真帶寬范圍為2.0～26GHz,實測結果為2.1～25.5GHz。天線在整個工作頻段范圍內輻射特性穩定,方向圖對稱。

2 天線結構與性能分析

天線印制在介電常數為4.6、厚度為0.8mm的介質板上,貼片和接地板分別印制在介質板的兩邊。為改善天線的匹配并展開帶寬,分別在接地板上開方形槽和在圓形貼片頂端開扇形槽。方形槽和扇形槽的尺寸均是通過優化計算得出:

首先在不開方形槽的情況下,優化方形槽的尺寸,然后在固定優化好的方形槽尺寸的情況下優化扇形槽尺寸,分別對扇形槽半徑和槽寬兩個參數進行優化。

為防止波束傾斜,接地板兩邊進行了切角圓滑處理。天線的結構如圖1所示。

圖1 天線結構圖Fig.1 Geometry of the antenna

超寬帶印刷單極子天線是由圓柱陣子天線演變而來,因此可以將之與圓柱陣子做某種方式的等效,從而分析其性能。從理論上可將半徑為r的單極子印刷貼片結構近似等效成高為L、半徑為R的圓柱陣子。超寬帶印刷單極子天線的下限頻率的確定方法可借用平面單極子天線的相關公式。文獻[8,9]分別對平面單極子天線作了不同的表述。文獻[8]確定下限頻率(單位為GHz)的表達式為式中,L為圓形貼片的長度即2R;W1、W2分別為等效上邊緣和下邊緣寬度,這里分別等效為上、下半圓的水平投影長度,即直徑2R。

該公式得到的估算誤差在±9%以內,L、W1、W2單位均為m,該公式得到的圖1下限頻率估算值為1.94GHz。

文獻[9]確定下限頻率(單位為GHz)的表達式為

式中,R的單位為mm,利用該公式得到的天線下限頻率的估算值為2GHz,這與式(1)估算的1.94GHz結果非常接近。

為展寬天線帶寬,改善阻抗匹配,在天線的接地板上開方形槽,在貼片上開扇形槽,方形槽和扇形槽的尺寸通過Ansoft HFSS仿真軟件優化選取。為顯示開槽的必要性和優越性,圖2給出了不加槽、加方形槽和同時加方形、扇形槽的反射損耗曲線。其中不加槽的原天線僅給出了1～15GHz頻段,另外兩種情況給出了1～31GHz頻段。圖中顯示,在2～11.4GHz范圍內,不加槽時S11在個別頻點附近還在-10dB以上,同時加矩形和扇形槽時比僅加方形槽的反射損耗總體上有所減小,但減小不明顯。在1～30GHz范圍內,由圖可以看出,同時加矩形和扇形槽時的-10dB阻抗帶寬范圍為2～26GHz,而僅加方形槽的帶寬范圍為2.1～19.8GHz,帶寬在高頻段展寬了6GHz以上。

圖2 不同加槽情況的 S11對比Fig.2 Comparison of S11in different cases

3 天線的仿真與測試結果

圖3是天線S11仿真與測試結果的對比,由圖可知,天線的-10dB仿真阻抗帶寬為2～26GHz,而測試的帶寬范圍為2.1～25.5GHz,天線的下限頻率與文獻[8,9]的預估值均吻合較好。圖中顯示,仿真與測試結果總體吻合較好,但存在一些差異,其中高頻段差異比低頻段差異明顯。分析原因主要是加工誤差和焊接工藝造成的,而且測試的實驗室環境也對測試結果產生了一定的影響。

圖4是天線在不同頻點的方向圖,其中圖4(a)、(b)、(c)、(d)為天線的仿真與實測結果對比圖,圖4(e)、(f)分別為天線在25GHz的E面和H面仿真結果。由圖可知 ,天線在2.5GHz、8GHz、25GHz頻點上,E面和H面的方向圖對稱性良好。仿真結果顯示方向圖在25GHz惡化,其中E面的鋸齒化現象明顯;H 面在 θ=15°、165°、195°、345°附近凹陷 ,而且25GHz時的E面和H面交叉極化現象均較為明顯。

圖3 天線S11仿真與測試結果對比Fig.3 Comparison of simulated and measured results in S11

圖4 天線的方向圖Fig.4 Radiation patterns of the antenna

4 結 論

超寬帶印刷單極子天線作為超寬帶家族中非常重要的一員而應用廣泛。本文設計的超寬帶天線,通過在接地板上開方形槽和在貼片上開扇形槽,天線的-10dB阻抗帶寬由不開槽時的2～11.4GHz(且該頻段內有個別點附近的反射損耗略大于-10dB)展寬為2.1～25.5GHz,大大展寬了天線的帶寬。仿真和測試結果顯示,天線的方向圖在整個頻段內對稱性良好。此外,方向圖在高頻段25GHz惡化,且交叉極化明顯。該天線具有頻帶寬、低剖面、輻射全向且對稱的優良特性,適用于衛星通信和移動通信等通信系統。

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