緊湊型共面波導饋電的超寬帶印刷天線設計

唐志軍 何怡剛 詹 杰 席在芳

（1.湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南 湘潭411201；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082）

引 言

隨著無線通信系統的高速發展，用戶需要提供不受空間限制的通信服務。寬帶通信系統可以滿足高數據率的要求。所以，超寬帶技術（UWB）已成為無線通信領域中極具競爭力和發展前景的熱門技術之一。UWB技術已廣泛應用于無線監控、多媒體業務、網絡商務和應用、高分辨率超寬帶雷達、探地雷達、精確定位系統等方面［1－3］。按照聯邦通信委員會（FCC）的規定，將3.1～10.6GHz之間7.5GHz的頻段分配給超寬帶無線通信業務使用。而UWB天線的設計與研究則是超寬帶無線通信的關鍵技術之一。近年來UWB天線的研究一直是天線與電波傳播領域的一大熱點。受使用場合限制，UWB天線應當具有尺寸小、成本低、易于加工集成等特性。

微帶天線由于具有體積小、重量輕、低剖面、共形、性能多樣化、易于制造等優點而在許多領域得到廣泛應用。然而，微帶天線的一個主要缺點就是相對帶寬較窄。目前，雖然有了一些提高帶寬的方法，如使用較厚的高介電常數基片、短路針、調諧臂、絲焊技術、寄生單元、以及修改和優化貼片天線的幾何結構［4－7］，但是，這些改進方法仍不足以滿足 UWB天線的帶寬和便于集成的要求。具有共面波導（CPW）反饋結構的印刷天線多年來已經引起廣大科研工作者的注意。相對其它印刷天線，具有共面波導反饋結構的印刷天線具有許多優點。這種天線不但具有寬帶寬，而且相鄰輻射體之間的互耦較小。與微帶線天線比較，共面波導反饋結構的天線還具有較低的輻射泄漏和較少的散射。過去十年來，考慮到各種無線通信系統對天線帶寬及緊湊性尺寸要求，已有較多文獻對CPW印刷天線進行了分析與研究［8－19］。具有代表性的如文獻 ［8］主要強調在輻射體上進行切口，并采用非對稱輻射結構技術來實現UWB的覆蓋和縮減天線尺寸（25mm×25mm）；文獻［9］則采用圓角矩形槽來實現UWB的覆蓋，但其天線尺寸達到50mm×50mm；文獻［10］采用逆L型微帶和方形槽實現了UWB圓極化天線，但其天線尺寸為60mm×60mm.因此，在設計UWB天線時，如何讓天線帶寬、增益、方向性、尺寸和制作成本等性能指標達到一個較好的平衡是一項具有挑戰性的任務。

針對UWB天線的國內外研究現狀，主要研究與設計一種新的緊湊型共面波導反饋結構的超寬帶印刷天線.天線采用單層基片，通過CPW微帶線進行饋電。天線在較寬的頻率范圍內取得好的阻抗匹配、高增益、全向性、緊湊尺寸、易于制作和低成本等性能。

1.理論分析

共面波導印刷天線的幾何結構如圖1所示。天線的基片長度為L，寬度為W，厚度為h，材料的介電常數為εr＝4.4.天線金屬輻射體刻蝕在印制電路板（PCB）絕緣介質基片的同一個面上。基片的另一個面上沒有任何金屬。CPW反饋傳輸線與地平面共面，其寬度為c，縫隙距離為d.天線的輻射單元①為具有不對稱臂的垂直啞鈴結構。上臂的長度為g，寬度為a，下臂的長度為f與j之和，寬度為c，過渡部分的長度為i，寬度為b，并且下錘臂與CPW反饋傳輸線相連。天線的輻射單元②為逆L結構，由水平部分和垂直部分搭接而成。其水平部分和垂直部分的尺寸分別為W2×e和L×s.天線的輻射單元③為不對稱U形結構，其長度為L，上臂和下臂的尺寸分別為k×s和f×（W1－s）.由于該天線采用折疊貼片、貼片開槽等曲流技術和獨立非對稱貼片輻射的帶寬展寬技術，從而能夠在減小天線設計尺寸的同時提高天線的阻抗帶寬。

從上面闡述的天線幾何結構可知，該天線的主要幾何參數有W1、W2、e、f、L等。不失一般性，根據文獻［20］［21］［22］和相關的天線設計理論和方法，天線的初始設計尺寸如下：

圖1 天線的幾何結構

為了優化天線設計，下面分析各幾何參數對天線性能的影響.簡單起見，在此僅對天線回波損耗S11受主要幾何參數W1、W2、e、f、L的變化進行仿真和分析。

在保證其它參數不變的情況下，分別改變幾何參數W1、W2、e、f、L，利用電磁仿真軟件 CST 對不同W1、W2、e、f、L值下的天線回波損耗S11進行仿真分析，結果如圖2～圖6所示。從這些圖中可以看出：1）隨著參數W1值增大，天線的阻抗帶寬先增大、后減小；2）隨著參數W2值增大，天線的阻抗帶寬先逐漸增大，然后又逐漸減小；3）隨著參數e值增大，天線的阻抗帶寬也逐漸增大，并且整個帶寬沿頻率軸向右移動；4）隨著參數f值變大，天線的阻抗帶寬先增大、后減小；5）隨著參數L值增大，天線的阻抗帶寬也逐漸增大，并且整個帶寬頻率軸向左移動。

通過分析天線各主要參數對天線性能的影響可以得出：改變W1、W2、e、f、L等參數值，可以顯著增大天線的阻抗帶寬。然而，在設計天線時，不能片面地考慮一兩個參數對天線性能的影響，而要綜合考慮天線參數的配置，從而使天線各性能指標達到一個較好平衡。

經過調整天線結構幾何參數，并采用粒子群（PSO）算法對天線參數優化之后，所設計天線最終的幾何參數尺寸如下：

2.實驗結果分析

文中采用基于時域有限差分法的微波仿真軟件CST對所設計的天線進行了仿真。圖7為天線輸入阻抗的仿真結果圖。

圖7 天線的輸入阻抗

從圖7中可以看出：在3.1～12.0GHz的頻率范圍內，天線的輸入電阻RA基本上在30～65Ω范圍內變化；在3.0～11.2GHz的頻率范圍內，天線的輸入電抗｜XA｜基本上在0～10Ω范圍內變化。從而，天線的輸入阻抗ZA在3.1～11.2GHz的頻率范圍內顯示近線性相位特性，并且天線的品質因數Q較小。考慮到微帶天線的帶寬計算公式

從公式（1）中可以看出：當電壓駐波比VSWR一定時，微帶天線的品質因素Q與帶寬BW是成反比的。所以增大微帶天線的帶寬可通過降低其品質因素得到。也就是說，較小的品質因數可以獲得較寬的帶寬。這表明所設計的天線具有較好的阻抗帶寬特征。

通常，在設計超寬帶天線時，其輸出阻抗參考值通常為50或75.文中采用50作為其參考值。回波損耗S11是表征天線特點的一個重要參數。圖8為天線的回波損耗仿真和測量結果。從圖中可以看出：1）該天線的仿真回波損耗小于－10dB（等價于電壓駐波比 VSWR＜2）的帶寬為3.05～11.10 GHz，即取得8.05GHz帶寬（等價于中心頻率為7.0GHz時阻抗帶寬的115.0%）；2）該天線的測量回波損耗小于－10dB（等價于電壓駐波比VSWR＜2）的帶寬為3.20～10.80GHz，即取得7.60GHz帶寬（等價于中心頻率為7.0GHz時阻抗帶寬的108.6%）；3）天線的回波損耗仿真和測量結果保持較好的一致。從而，該天線可以較好地滿足寬帶無線通信對帶寬的要求。

圖8 天線的回波損耗仿真和測量

圖9中的（a）、（b）、（c）分別為寬頻段內三個頻點f＝3.9GHz、f＝7.0GHz和f＝10.0GHz的E面和H面的共面極化和交叉極化方向圖。從圖9中可以看出：天線的H面共面極化具有準全向性特征，天線的E面共面極化特性要比H面的稍差；此外，無論論是E面，還是H面，天線的交叉極化都在－20dBi左右，說明其交叉極化特性較好；因此，天線在整個頻帶內的方向圖有較好的一致性。

圖9 天線頻帶內三個頻點的E面和H面的共面極化（co－plo）和交叉極化（cross－pol）方向圖

圖10為天線的增益頻率特性曲線，從中可以看出：在3.1～10.6GHz頻段內，天線增益從3.5dBi.逐漸增大到5.4dBi.再緩慢減小到4.5dBi.在整個阻抗帶寬內，天線具有好的增益頻率特性，天線的平均增益達到4.6dBi.因此，該天線能很好地滿足超寬帶天線對輻射特性及增益的應用要求。

圖10 天線的增益頻率特性曲線

3.結 論

提出了一種具有非對稱CPW反饋結構的超寬帶印刷天線。天線的尺寸為20mm×26.5mm左右。該天線由三個非對稱、獨立的輻射體構成，它們的幾何尺寸是影響天線設計的重要參數。論文采用基于時域有限差分法的電磁仿真軟件CST對W1、W2、e、f、L等參數變化時的天線性能進行了比較仿真和分析，得出了S11性能隨天線幾何參數變化的規律，并在帶寬最優的條件下給出了一組參數值。仿真和實驗結果表明：天線的阻抗帶寬為8.05GHz（115.0%），天線的平均增益達到4.6dBi.輻射特性近似于全向性。從而，該天線具有超寬帶、高增益、準全向性等特點。因此，該天線可應用于各種不同的寬帶無線通信環境。需要強調的是：在設計天線時，不能只片面地考慮一兩個參數對天線性能的影響，而要綜合考慮天線參數的配置，只有這樣才能使天線各性能指標達到一個較好的平衡。

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