一種小型超寬帶平面倒錐形單極子天線

摘 要： 提出了一種小型超寬帶平面倒錐形單極子天線。采用微帶線對(duì)倒錐形輻射貼片進(jìn)行饋電，背面采用相似形缺陷地結(jié)構(gòu)窗口。天線總體尺寸為25 mm[×]23 mm[×]1.6 mm，較之前同類天線尺寸縮小了約33%。采用仿真軟件分析了該天線的阻抗帶寬、輻射方向圖及增益特性。經(jīng)優(yōu)化后，該天線10 dB回波損耗帶寬為3～11 GHz，阻抗帶寬達(dá)到114%，覆蓋了整個(gè)UWB頻段。天線在整個(gè)頻帶內(nèi)增益為3～4 dB。

關(guān)鍵詞： 小型化天線； 超寬帶； 倒錐形天線； 單極子天線

中圖分類號(hào)： TN823+.15?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）21?0093?03

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，通信設(shè)備體積不斷縮小，通信頻帶不斷向?qū)掝l帶發(fā)展。2002年FCC將3.1～10.6 GHz劃分為超寬帶民用頻段[1]。因而超寬帶天線得以迅速發(fā)展。平面倒錐型天線屬于超寬帶平面天線，是一種單極子天線，具有超寬帶、全向輻射的特性。通過(guò)改變輻射貼片形狀和下層接地板結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)超寬帶特性。然而已知超寬帶天線一般尺寸較大，難以滿足超寬帶通信系統(tǒng)所需較小體積天線的要求。文獻(xiàn)[2]中提出了一種采用半橢圓形狀輻射貼片構(gòu)成的多頻帶天線，為使其更好的與電子設(shè)備集成，可以去掉其接地板。文獻(xiàn)[3]中提出了一種接地板為倒錐形缺陷地結(jié)構(gòu)的小型寬帶天線，雖然實(shí)現(xiàn)了天線小型化，然而天線未達(dá)到超寬帶特性。文獻(xiàn)[4]中提出了折疊式平面倒錐形天線，也沒有達(dá)到超寬帶特性。文獻(xiàn)[5]中，提出了一種超寬帶平面倒錐縫隙天線，該天線實(shí)現(xiàn)了超寬帶的特性，然而天線尺寸仍較大，相當(dāng)于[0.4λ]（[λ]為超寬帶最低頻率對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)）。

超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)所需天線須尺寸小，剖面低，為滿足這一要求，本文提出了一種小型的超寬帶平面倒錐形單極子天線。采用倒錐形輻射貼片和矩形寬縫隙接地板結(jié)構(gòu)。為改善阻抗匹配狀況，分別于矩形寬縫隙內(nèi)對(duì)稱頂角位置添加三角形和在接地板內(nèi)形成三角形缺陷地結(jié)構(gòu)[6]。下面詳細(xì)討論了天線尺寸對(duì)于天線阻抗特性的影響，并分析了天線的輻射特性和增益特性。

1 天線結(jié)構(gòu)

新型超寬帶平面倒錐形單極子天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線主要由具有缺陷地結(jié)構(gòu)的接地板和采用微帶線饋電的倒錐形輻射貼片組成。接地板和上層貼片分別印制在高度為1.6 mm的FR4介質(zhì)基片兩面，介質(zhì)基片相對(duì)介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)損耗角正切為0.000 2。天線采用50 Ω的微帶線饋電。

2 參數(shù)分析及結(jié)果

從阻抗帶寬的角度分析了天線結(jié)構(gòu)中各個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響。下面給出天線參數(shù)[L3]（三角形缺陷地上邊長(zhǎng)），[L4]（三角形缺陷地高度），[W]（接地板寬度）和[d]（扇形半徑）對(duì)天線阻抗帶寬的影響。

2.1 參數(shù)分析

首先分析參數(shù)[L3，]參數(shù)[L3]對(duì)天線阻抗帶寬性能的影響如圖2所示。由圖2可知，參數(shù)[L3]減小時(shí)，中頻段內(nèi)諧振點(diǎn)向高頻段移動(dòng)，因而展寬了高頻段帶寬，但低頻段、中頻段內(nèi)回波損耗相應(yīng)增加，優(yōu)化選取[L3=]3 mm。

圖6是該天線優(yōu)化后的回波損耗仿真結(jié)果曲線圖。由圖6知，天線滿足10 dB回波損耗的帶寬為3～11 GHz，滿足超寬帶的要求。天線在帶寬范圍內(nèi)具有若干個(gè)諧振點(diǎn)，這些諧振點(diǎn)是由天線上層貼片，底板縫隙以及它們之間的耦合所產(chǎn)生。

三角形缺陷地結(jié)構(gòu)較為明顯的影響天線的阻抗帶寬，主要原因?yàn)槠涑叽绱笮「淖兞颂炀€的阻抗大小。

2.2 輻射方向圖與增益

對(duì)天線的輻射特性進(jìn)行分析，選取3 GHz、7 GHz、10 GHz時(shí)方向圖進(jìn)行分析。

優(yōu)化后的天線歸一化輻射方向圖如圖7所示。從圖中可以看出，在[xOz]面方向圖呈現(xiàn)雙向性，主要是由于電流沿天線[y]軸分布不對(duì)稱造成的。在[yOz]面，方向圖呈現(xiàn)全向性。

圖8為天線隨頻率的增益圖。從圖中可以看出，天線在整個(gè)頻帶內(nèi)增益較為平坦，為3～4 dB。

3 結(jié) 論

本文提出了一種小型超寬帶平面倒錐形單極子天線。通過(guò)設(shè)計(jì)并優(yōu)化倒錐形輻射貼片和具有缺陷地結(jié)構(gòu)的接地板，使天線滿足超寬帶通信要求。天線尺寸為25 mm[×]23 mm[×]1.6 mm，約為0.25[λ]（[λ]為帶寬最低頻率對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)），較同類天線尺寸縮小了33%。天線10 dB回波損耗的阻抗帶寬為3～11 GHz，阻抗帶寬約為114%，并在頻帶內(nèi)維持3～4 dB的增益。該天線結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，便于制作和集成，適用于瞬態(tài)脈沖輻射的超寬帶通信系統(tǒng)。

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