一種寬頻帶印刷縫隙天線*

摘要：通過對花瓣形天線和單極子天線的研究，設計了一款超小型印刷縫隙天線，該天線的工作頻寬為4.8~31.5GHz，基本覆蓋SHF頻段。在此頻段該天線具有穩定的增益，且波形保真特性良好。該天線尺寸小，成本低，且易于與其他電路集成，是無線通信收發天線的一個很好的選擇。

關鍵詞：花瓣形天線；單極子天線；SHF頻段

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.006

引言

目前，無線通信得到了越來越為廣泛的應用。而3~30GHz的SHF頻段在無線通信中也扮演著極其重要的角色，該頻段幾乎包括了C、X、Ku、K、Ka等微波波段，并且也覆蓋了UWB(3.1~10.6GHz)頻段。

SHF頻段在雷達、DSO衛星以及數據通信等方面都有非常重要的應用[1]，而這些應用中一個必不可少的組成部分就是終端用于收發信號的天線。資料顯示，最適合衛星通信的頻率是1~10GHz頻段，即微波頻段、為了滿足越來越多的需求，研究人員已開始研究應用新的頻段，如12GHz，14GHz，20GHz及30GHz。因此，設計出多頻段衛星通信終端天線將成為此類天線設計的一個趨勢[2]。

另外，此頻段也將應用于平流層信息平臺固定業務。相關資料顯示，1997年ITU通過把47~48GHz頻段，寬為600MHz的頻帶分配給平流層信息平臺固定業務使用[3]。這個頻段的特點是波長短，天線尺寸小，但雨雪衰減大。在亞洲，由于受雨雪衰減的影響，可以用28~31GHz頻段代替47~48GHz頻段。另外，美日等有關機構也都在致力于為平流層通信爭取其他頻段，如2、10、20、30GHz等。這些頻段的天線將會克服47~48GHz頻段天線的一些缺點。

但是，目前現有的該類天線的貼片輻射單元多采用菱形，方形或水滴形的貼片輻射單元的設計方案，但方形、菱形貼片存在阻抗帶寬相對較窄，雨滴形貼片存在方向圖主瓣在頻率高端的分瓣現象。

本文所提出的天線結構簡單，尺寸小，剖面低，成本便宜，易于加工并可集成到無線電系統內部。阻帶帶寬和方向圖帶寬足夠寬，可達到4.8~31.5GHz，增益穩定，可用作多頻段衛星通信終端天線，較之前提出的陣列天線尺寸更小。天線的阻抗帶寬除3.1~4.8GHz外，覆蓋了UWB頻段，所以該天線也可用于民用超寬帶(UWB)通信以及短距離無線通信。

圖1 天線結構示意圖（單位：mm）

圖2 天線輻射單元尺寸變化對回波損耗的影響

圖3 縫隙尺寸變化對回波損耗的影響

圖4 天線的回波損耗S11、增益、電壓駐波比

寬頻帶天線分析

通過對花瓣形天線和單極子天線進行研究，可以發現，花瓣形天線[4]展寬了工作帶寬，獲得了良好的駐波比特性和方向圖主瓣特性，完成了寬頻帶設計，采用類似花瓣形貼片輻射單元，通過貼片弧度的改變，一定程度上彌補了菱形貼片阻抗帶寬較窄和雨滴形貼片方向圖主瓣在頻率高端的分瓣現象，可以優化配置駐波比與方向圖主瓣間的性能。

而單極子天線[5]在無線通信領域都有非常廣泛的應用，如機載和地面通信系統。一個相對于完純導電地面饋電的單極子的輻射功率，只有類似的自由空間偶極子輻射功率的一半，因為功率分布方式相同，但只有半空間。而且，完純導電地平面上面的單極子的波束立體角只有自由空間中相應偶極子的一半，導致方向性加倍。方向性的增加并非由于輻射強度的增加，而是由于平均輻射強度的增加，這是因為單極子的輻射功率僅僅是偶極子輻射功率的一半。因為單極子的長度是由波長的四分之一或略短，所以在低頻段，單極子的物理長度可能會很長，但是，在較高頻段，單極子的尺寸將會變得很小，這對于制作超小型天線提供了有力的條件。

單極子天線的饋電方式[6]有很多種，許多單極子天線通過印刷傳輸線進行饋電，如微帶線饋電和共面波導饋電，其特點是易于同其他電路進行集成，因此得到越來越多的應用。

天線基本結構

通過對花瓣形天線[7]和單極子天線的研究，圖1給出了一印刷單極子天線的結構圖，該天線采用微帶饋電方式，且微帶饋線長度S=9mm，寬度 H=0.96mm。天線介質基片采用Rogers RO4003(ε=3.5，tanδ=0.0027)，基片的厚度T=0.45mm，長度L=21.2mm，寬度W=22mm。天線的輻射單元為兩個不規則橢圓環狀結構連接構成，如圖1所示。經優化分析可得，輻射單元下半部分的外橢圓半徑R1=6mm，R5=4mm，上半部分外橢圓半徑R2=4mm，R6=3mm。縫隙的下半部分橢圓R3=3mm，R7=3.95mm，上半部分橢圓R4=1.5mm，R8=2.5mm。

影響天線性能參數分析

天線輻射單元尺寸對回波損耗的影響

天線輻射單元的尺寸大小是影響回波損耗和阻抗匹配的重要因素。如圖2可知，隨著R1的增大，天線的帶寬發生變化，R1=6mm時，帶寬較大，并且包含較低頻段。但天線阻抗帶寬受R2影響不明顯，綜合考慮起見，R2取值為4mm。

同樣，也可以對輻射單元的另外兩個參數R5和R6進行分析，得到其最優值，分析過程將不再贅述。

天線縫隙尺寸對回波損耗的影響

天線縫隙是影響天線阻抗帶寬的另一個重要參數。如圖3(a)所示，當R3逐漸變大時，天線的阻抗帶寬變大，R3=3mm，天線的阻抗帶寬和匹配特性較為理想。但天線阻抗帶寬受R4的影響較小，考慮到制作簡易特性，R4取值為1.5mm。

同樣原理，也可以對縫隙的其它兩個參數R7和R8進行優化設計，當R7增大時，天線的阻抗特性將發生劇烈的變化，如圖3(c)所示。而R8的變化對阻抗特性影響非常小。最后得到其合理取值為R7=3.95mm，R8=2.5mm。

天線仿真結果分析

綜合分析多種影響天線性能的因素之后，合理選擇各參數，設計出天線模型。圖4是對以上提出的天線結構利用CST Microwave Studio進行仿真分析后所得到的天線回波損耗、天線增益、電壓駐波比參數圖，由圖4(a)可見，其-10dB阻抗帶寬為4.8~31.5GHz，而圖4(b)表明在頻率范圍內，其增益在2.2~6.02dBi之間變化，且逐漸趨于平穩。由圖4(c)可知，4.8~31.5GHz頻率范圍內，天線的駐波比均在2以下，整體駐波性能較好，滿足了無線寬頻帶通信技術對駐波的要求，這也符合天線實際應用需要。

結論

通過對花瓣形天線和單極子天線進行研究分析，在此基礎上設計了一種超小型單極子印刷縫隙天線，采用微帶饋電方式為天線進行饋電，設計的天線模型在18.3GHz頻率下工作時，反射系數可以達到-33.5dB，且輸入阻抗近似為50Ω的純阻，天線增益可達到6.02dB。該天線還具有小尺寸，低成本以及易于集成等優點。基于以上特點，這種天線可以作為多種短距離無線通信系統的收發天線。