一種蝶形平面超寬帶（UWB）天線的設(shè)計

張秋凝

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

聯(lián)邦通信委員會（FCC）分配了3.1～10.6 GHz的頻譜資源給超寬帶無線通信應(yīng)用[1]，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)引起了超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）天線的研究熱潮。與其他系統(tǒng)的天線相比，一個性能優(yōu)良的UWB超寬帶[2]應(yīng)用天線，除了具有很寬的頻帶外，還要有近似全向的輻射方向圖和良好的色散特性。

盡管一個傳統(tǒng)的單極子天線，例如橢圓形單極子天線[3]，具有很好的超寬帶特性，但是在超寬帶系統(tǒng)中使用這樣的天線，非平面結(jié)構(gòu)是其主要的缺點(diǎn)。平面單極子天線通常由微帶線或者各種形狀的波導(dǎo)（Coplanar Waveguide，CPW）饋電[4-6]，這些饋電方式之所以如此受關(guān)注，是因為這些饋電方式適合于超寬帶應(yīng)用，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：低剖面，重量輕和易于制作[7-9]。但是設(shè)計人員就必須更關(guān)注于饋電線的設(shè)計，這樣使得設(shè)計變得較為復(fù)雜。

文中提出了一種新型的平面超寬帶天線，使用了蝶形結(jié)構(gòu)，同軸饋電，設(shè)計過程非常簡單，無需考慮饋電線。天線結(jié)構(gòu)是通過在介質(zhì)基板的2面分別印刷上一個半圓形金屬，在輻射面上刻蝕掉2個對稱的正方形和在接地面上刻蝕掉2個半圓形圖案實現(xiàn)的。

1 天線的設(shè)計

文中所提出的超寬帶天線由同軸饋電，饋電位置如圖1所示。天線制作在FR-4環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板上，板層厚度為1.6 mm，相對介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02。該天線的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1所示。天線結(jié)構(gòu)的輻射面是在介質(zhì)板上層面印刷了一個半圓形金屬平面，在半圓的兩邊對稱地刻蝕掉2個正方形平面，如圖1（a）所示；天線接地板同樣是在介質(zhì)板下層面印制了一個半圓形金屬平面，左右兩邊對稱地刻蝕掉了2個半圓形平面，如圖1（b）所示。天線最后的優(yōu)化參數(shù)為a=30 mm，b=4 mm和R=8 mm。

2 仿真和測試結(jié)果

該天線的設(shè)計和分析是基于有限元算法的商用化軟件Ansoft HFSS11進(jìn)行的，并利用該軟件獲得了仿真結(jié)果。除此之外，作者還根據(jù)仿真模型制作了一款實物天線，如圖2所示。使用Agilent公司生產(chǎn)的E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對實物天線進(jìn)行了測量。

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry of the antenna

圖2 天線的實物結(jié)構(gòu)Fig.2 Physical structure of the antenna

下面為了討論天線輻射片上切掉的兩個對稱的正方形面和接地面上切掉的兩個對稱的半圓形面的影響，利用仿真軟件分別對正方形面的邊長b和半圓形面直徑R對于反射損耗的影響進(jìn)行了分析。

不同的邊長b對天線性能的影響如圖3所示。由圖可以看出，尺寸b不同時，天線的第1個諧振點(diǎn)基本上保持不變，這是因為天線的主要頻帶是由天線的輻射面大小決定的。當(dāng)b值小于5 mm時天線反射損耗表現(xiàn)為在帶內(nèi)的幅度和頻點(diǎn)的微小波動，當(dāng)b值大于5 mm時天線回波損耗曲線出現(xiàn)了兩個較深的諧振點(diǎn)，隨著b值增大第一個頻點(diǎn)的深度逐漸加深，第2個頻點(diǎn)的頻率逐漸增大，深度加深。

不同的R值對天線特性的影響如圖4所示。因為R值改變的是接地板的形狀，相對于b值的影響，直徑R的影響要小的多，不同的R值，基本上不改變天線的頻帶特性，只是影響帶內(nèi)不同頻點(diǎn)的反射深度。

圖3 不同b值天線的反射系數(shù)Fig.3 Reflection coefficient of the anntenna at different b

圖4 不同R值天線的反射系數(shù)Fig.4 Reflection coefficient of the anntenna at different R

通過以上討論獲得了天線性能的優(yōu)化模型，以下對該優(yōu)化模型結(jié)果進(jìn)行分析。

天線的駐波比（VSWR）結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出，在超過預(yù)設(shè)頻帶3.1～10.6 GHz的范圍內(nèi)，該天線的VSWR≤2。

圖5 實際測量和仿真的VSWRFig.5 Measured and simulated VSWR

圖6 4GHz下x-z和y-z面的仿真輻射圖Fig.6 Simulated radiation patterns in x-z and y-z planes at 4 GHz

天線在不同頻點(diǎn)4，7和10 GHz的x-z和y-z面的仿真輻射圖如圖6，7和8所示。由圖可以看出，在x-z面，該超寬帶天線較低頻段（3～7 GHz）具有較好的全向輻射特性；在 x-z面，頻率為10 GHz時，輻射方向圖幾乎為全向。

圖7 7 GHz下x-z和y-z面的仿真輻射圖Fig.7 Simulated radiation patterns in x-z and y-z planes at 7 GHz

圖8 10 GHz下x-z和y-z面的仿真輻射圖Fig.8 Simulated radiation patterns in x-z and y-z planes at 10 GHz

圖9 群延遲的測量Fig.9 Measured group delay

最后，文中討論天線在無失真情況下發(fā)送和接收脈沖的特性。由于超寬帶系統(tǒng)使用脈沖傳輸，一個重要的問題是天線脈沖失真。理想情況下，希望是一個線性相位響應(yīng)（不變?nèi)貉舆t）。在此情況下，我們先測量2天線間的頻域傳輸系數(shù)，然后轉(zhuǎn)化為時域結(jié)果。2天線間隔30 cm，其群時延結(jié)果如圖9所示。該天線在大于超寬帶天線頻帶的范圍內(nèi)群延遲變化小于0.8 ns。群延遲特性表明，該天線相位線性超過了超寬帶頻段。

3 結(jié) 論

文中成功設(shè)計了一個由同軸饋電的平面超寬帶天線。天線的設(shè)計簡單，仿真和測量結(jié)果表明，所設(shè)計的天線覆蓋UWB系統(tǒng)的3.1～10.6 GHz頻段，天線具有很好的全向輻射特性和良好的線性相位響應(yīng)。因此，該天線能夠適用于一定的UWB應(yīng)用。

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