共面波導饋電的寬帶天線設計

張佳亮,雷振亞,謝擁軍,2,楊 可,文 睿

(1.西安電子科技大學天線與微波技術重點實驗室,西安 710071;2.北京航空航天大學電磁兼容實驗室,北京 100083)

1 引 言

隨著2002年2月14日美國聯邦通信委員會(FCC)對超寬帶(UWB)技術用于短距離無線通信申請的批準,以及對3.1～10.6GHz頻段頻譜資源的開放[1],超寬帶天線在無線通信系統中的應用越來越受到重視。

微帶天線由于具有剖面低、重量輕、體積小、容易和微波電路集成等優點,在無線通信系統中得到了很多的應用,特別是共面波導饋電的印刷天線,相比有著帶寬更寬、輻射效率更高、全向覆蓋特性更好等優點,因此在科研和實踐中備受青睞。

文獻[2-5]研究了幾種比較典型的UWB天線,其中文獻[3]對比了分別采用微帶線和共面波導饋電時天線的帶寬,證明共面波導饋電更容易獲得較寬的帶寬。文獻[6]提出的天線尺寸比較大,實際應用中受到限制。文獻[7,8]提出的天線帶寬都超過5.2∶1,其中文獻[8]采用了和文獻[4]類似的措施來展寬帶寬,不同之處在于文獻[4]是在微帶地板上刻蝕矩形階梯,而文獻[8]是在微帶輻射貼片上刻蝕。

本文首先討論了共面波導天線的設計,設計了一種結構簡單的共面波導饋電的UWB天線,在此基礎上,采用在輻射貼片底端刻蝕矩形凹口的方法,對其帶寬進行了展寬,并對結果進行了測試。

2 超寬帶天線結構的設計

設計的共面波導天線主要由兩塊接地板、一個輻射貼片、一段共面波導饋線和介質基板組成。天線饋電段共面波導的設計依據式(1)～(4)[9]。

式中,w和g分別為共面波導饋線的導線寬度和間隙寬度,w1為天線的總寬度,h為基板厚度,εr為介質相對介電常數,εre為介質有效介電常數,Z0為共面波導饋線的特性阻抗;K(k)、K′(k)分別為第一類完全橢圓積分及其補函數,具體表達式如式(5)所示:

通過編程可以計算得到天線的尺寸和εre等。介質基板采用介電常數εr=4.4的聚四氟乙烯基板,大小為31mm×28mm×0.5mm,優化后天線的結構如圖1所示。其中,輻射貼片為一個半橢圓,長短軸半徑分別為 R2、R1,R1=12.0mm,R2=19.2mm。其余參數的值為:w=2.8mm,g=0.7mm,w1=28.0mm,d=11.0mm,h=0.5mm,l=31.0mm。

圖1 天線結構圖Fig.1 Structure of the proposed antenna

3 天線參數的研究

為了更好地了解天線的性能,需要對天線結構的參數進行研究,以明確設計此類天線的依據,利用HFSS軟件對天線參數進行仿真。由于此天線的輻射主要是由輻射貼片的形狀和尺寸決定的,在HFSS中建模,對半橢圓貼片的長短軸尺寸分別進行仿真。

圖2為半橢圓輻射貼片長短軸半徑對回波損耗的影響曲線。

圖2 橢圓輻射貼片的影響Fig.2 Effects of the elliptical radiation patch

從圖2(a)中可以看出,在一定的范圍內,隨著R2的增加,天線的阻抗帶寬不斷增大,主要原因是R2增大,即輻射貼片的高度增加,相當于增大了共面波導饋線與輻射貼片之間的阻抗匹配段,同時與地板的諧振也得到增強,因此天線的阻抗帶寬得到了展寬。圖2(b)中 R1對應貼片的寬度,可以看出其對帶寬影響不大,主要影響頻帶內駐波的平坦特性,因此,可以通過調節 R1實現良好的匹配,從而獲得頻帶內比較理想的阻抗特性。結合圖2(a)、(b),當選擇 R2=19.2mm,R1=12mm時,天線在2.9～10.8GHz頻段內滿足S11<-10dB。

天線的輻射方向圖是天線的另一主要指標。圖3給出了頻率在4GHz、7GHz和11GHz 3種情況下天線的輻射方向圖。

圖3 天線輻射方向圖Fig.3 Radiation pattern of the antenna

從圖3中可以看出,此天線的E面方向圖類似于單極子的E面方向圖,且在3種情況下方向圖變化不大,一致性保持較好;其H面方向圖在幾種不同的頻率下基本保持不變,均為全向輻射。整體來說,在頻段高端,雖然E面和H面方向圖均發生了一些畸變,但是變化較小,不足以對其應用構成威脅,因此,此天線能夠滿足UWB頻段通信的要求。

4 天線帶寬的展寬

在超寬帶天線研究的基礎上,采用一定的方法,對其帶寬的展寬進行進一步的研究。依據天線的參數研究,天線輻射貼片對其帶寬的影響很大,因此考慮在輻射貼片的下端,靠近饋線的部分引入矩形切口,從而改善天線的阻抗特性。先后依次引入了三對矩形凹口,即矩形凹口1、2、3,分別研究了只引入一對、兩對、三對矩形凹口時天線的阻抗特性。

圖4為引入三對矩形凹口時的天線結構圖,新增矩形尺寸為:d1=6.1mm,d2=8.1mm,d3=10.1mm,l1=6.9mm,l2=5.5mm,l3=4.0mm。

圖4 引入三對矩形凹口的天線結構圖Fig.4 Structure of the proposed antenna after introducing three pairs of rectangular notches

圖5所示為分別引入一對、兩對和三對矩形凹口時3種天線的回波損耗比較曲線。從圖5中可以看出,隨著矩形凹口的不斷引入,回波損耗曲線變化逐漸平穩,帶寬逐漸展寬,主要原因是這些矩形凹口的引入增強了該處輻射貼片的不連續性,因此能夠存在多種諧振模式;同時,對于這些凹口尺寸和位置的優化,使得它起到作為饋線和輻射貼片之間阻抗匹配段的作用,改善了貼片的對地阻抗,最終仿真帶寬可以覆蓋3～31GHz,超過10∶1。

圖5 3種天線回波損耗Fig.5 Input return losses of the three antennas

5 測試結果

圖6所示為加入三對矩形凹口的天線的實物圖,圖7為天線回波損耗的測量結果和仿真結果的比較。從圖7可以看出,在3～31GHz頻段內,天線實測的回波損耗曲線基本處于-10dB以下,不過與仿真曲線有些偏移,一部分主要是由加工誤差引起的,另外SMA接頭以及焊錫的散射效應也會對回波損耗有所影響。但在設計的頻段內整體來看,回波損耗滿足實際應用的要求。

圖6 天線實物圖Fig.6 Photo of the realized antenna

圖7 天線回波損耗實測與仿真結果Fig.7 Simulated and measured return loss characteristics

圖8所示為天線的輻射方向圖,由于是在貼片底端的邊緣上開矩形小口,因此方向圖畸變比較小,與沒有引入矩形凹口時天線的方向圖相近。

圖8 天線輻射方向圖Fig.8 Radiation pattern of the antenna

圖9所示為天線在該頻段內的增益特性曲線。

圖9 天線增益特性Fig.9 Gain performance of the antenna

6 結 論

本文對小型印刷天線的寬帶特性進行了研究,提出了一種結構簡單、實用的超寬帶印刷天線,可覆蓋2.9～10.8GHz頻段。在此基礎上,通過采用在半橢圓輻射貼片底端邊緣處刻蝕3組矩形小凹口的方法,使得天線能夠產生多模式諧振,且改善了貼片的對地阻抗,從而展寬帶寬,獲得了覆蓋3～31GHz、阻抗帶寬超過10∶1的極寬帶天線。該天線尺寸為31mm×28mm×0.5mm,輻射特性良好,測試結果與仿真結果吻合較好,表明文中展寬帶寬方法的有效性。且與已有文獻相比,結構簡單,易加工,尺寸較小,阻抗帶寬更寬,可用于多種移動通信系統。此外,對于矩形凹口進行進一步的優化,可以進一步改善方向圖,將在后續工作中對其展開相關研究。

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