新型超寬帶共面波導結構天線的設計

尹應全，廖昆明，王瑞峰，尹國武

（91911部隊，海南三亞572000）

近年來，隨著無線通信行業的迅速發展，小型化超寬帶天線吸引了國內外研究者的廣泛關注。微帶共面波導饋電天線是從微帶天線演變而來，由于具有尺寸小、頻帶寬、質量輕且易于加工與集成等特點，在科研與實踐中備受青睞。為了實現天線寬頻帶性能，國內外學者提出了多種多樣的天線結構：U 槽貼片天線、陣列結構、單極子天線等被廣泛應用于UWB 通信，但是目前這些天線都有不足之處。文獻[1]設計的天線采用的是共面波導結構將圓弧形與等腰梯形相結合的方式，對接地板進行開槽實現帶寬（VSWR＜2）為3.1～10.6 GHz；文獻[2]設計的天線采用的是對稱雙梯形開縫微帶結構結構，其尺寸較小，但是工作頻率為5.6～11.3 GHz；文獻[3]設計的天線通過在微帶貼片上開圓環改變電流分布實現超寬帶，但其相對帶寬只有72.4%；文獻[4]設計的天線采用的是單極子加載介質諧振器結構，不僅體積較小，而且實現超寬頻2.5～19 GHz,但是這種天線對加工精度及工藝要求較高，且不易集成化。

出于實際制作和應用的考慮，本文采用多枝節共面波導饋電結構，通過諧振頻率之間的耦合來實現超寬頻設計，便于和微波電路集成；并利用仿真軟件HFSS 對天線進行建模和優化，實驗表明所設計的天線能很好地滿足超寬帶應用的需求。

1 天線結構設計

本文采用的天線的基本結構如圖1 所示，該天線印刷在覆銅介質基板上，由接地面、微帶貼片、饋電結構組成，并且在同一個平面上，易于集成化加工。

圖1 共面波導天線結構

輻射貼片一般采用規則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓形環薄片的微帶貼片。相同的頻率工作時，矩形貼片可獲得比圓形貼片稍高的效率、增益及更寬的頻帶。增大天線帶寬的方法有[5-8]：采用多貼片、縫隙加載、集總元件加載以及雙饋點等。這些方式各有利弊，如多貼片和集總元件加載都會使天線的結構變復雜，而雙饋點時諧振頻率調諧范圍受到一定的限制。本文微帶貼片采用多枝節結構，通過調整尺寸與位置，可以產生多個諧振點，通過不同諧振點之間的耦合來展寬頻帶，實現超寬頻工作；介質基板尺寸為20 mm×30 mm×1.2 mm，材料為介電常數為4.4的FR4 介質，采用縫隙貼片單元與接地面進行饋電。在設計天線時首先考慮匹配問題，采用共面波導微帶饋電時首先要計算微帶的寬度，可以直接通過理論公式推導[9-11]，也可以利用現有的計算軟件，利用基板的尺寸、介電常數及需要仿真的頻率范圍，就可以得出微帶饋電的寬度。影響天線輻射性能的因素[12-14]有好多，主要是由輻射貼片的尺寸和幾何形狀、縫隙的尺寸決定，通過HFSS中建立模型，對天線幾何尺寸進行優化來得到最佳尺寸。表1為經過優化后的最佳設計尺寸。

表1 天線尺寸

2 天線的優化與仿真

天線的輻射特性主要由輻射貼片各枝節的尺寸與位置、貼片與接地板之間的縫隙寬度等因素決定，根據優化后的天線結構和尺寸，如表1所示尺寸，可以實現超寬帶為3～11.7 GHz，相對帶寬為119%。以輻射貼片中間枝節尺寸優化為例，簡要說明尺寸的改變對諧振頻率的影響。

圖2 為微帶貼片中間枝節的寬度j優化回波損耗圖。可以看出，寬度j取2.3 mm 時在3.8 GHz、5.8 GHz、9.8 GHz、11.2 GHz 有諧振峰，j取2.5 mm 時在3.8 GHz、8.2 GHz、10.2 GHz 有諧振峰，而j取2.6 mm時在4 GHz、8 GHz、10 GHz有諧振。不同寬度j，回波損耗的諧振頻率會發生改變，通過調節諧振頻率點之間的耦合，盡量使得寬頻范圍內回波損耗降在-10 dB以下，從而改善頻帶的寬度。

圖2 改變枝節寬度對S11的影響

圖3為微帶貼片中間枝節的長度m優化回波損耗圖。可以看出，當m=12.1時，由于諧振峰比較多，頻寬擴展到了3.1～11.6 GHz，相對帶寬達到了119%。

圖3 改變枝節長度對S11的影響

圖4 為該天線在7 GHz 時的輻射方向圖。可看出，在20°及160°方向增益可達5 dB。該天線在實現超寬帶性能的同時，具有對稱的方向圖和較好的增益。

圖4 天線的輻射方向圖

從圖5（天線增益全向輻射圖）可以看出該天線具有全向輻射，方向為垂直于該天線向周圍輻射，并在7 GHz時該天線的最大增益為5.06 dB，具有很好的方向性及對稱性。

圖5 天線增益輻射全向圖

圖6為該設計天線在整個頻率范圍內的仿真增益曲線。可以看出，在3.1～11.6 GHz（S11＜-10 dB）內都具有較高的增益，平均增益可以達到5 dB，且隨著頻率的增加遞增，在10.2 GHz 時最大增益可達到7 dB，可以滿足實際UWB通信的需求。

圖6 天線的增益

3 實測結果

圖7 所示為該設計天線的加工實物圖，圖8 為天線回波損耗S11的實際測量值。從圖8 可以看出，在3.1～11.2 GHz 頻段內，天線實測的回波損耗曲線基本處于-10 dB 以下，在4.5 GHz 及7 GHz 附近效果有點不理想，實測值與圖3的仿真曲線有些偏差，主要是由加工誤差所引起。此外，SMA接頭以及焊錫的散射效應也會對回波損耗產生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。

圖7 天線實物圖

圖8 S11的實測值

4 結論

本文設計了一款結構簡單的共面波導饋電超寬帶天線，調節輻射貼片枝節的長寬來展寬頻帶寬度。通過軟件優化得到最佳天線設計尺寸，并進行實物加工，實測回波損耗值與仿真值能基本吻合。該天線結構不僅可實現超寬帶，而且尺寸較小，接地板、輻射貼片及饋源在同一個平面上，易于集成加工。此天線還具有較好的方向性能和增益性能，可滿足不同移動通信要求。

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