一種橢圓單極子超寬帶天線仿真設(shè)計

摘 要： 隨著寬帶無線通信的發(fā)展，寬帶天線的研究已成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)，通過對多種單極天線研究，選擇了平面橢圓單極子寬頻天線進(jìn)行了設(shè)計，并對接地板進(jìn)行切角處理和各項參數(shù)分析與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了寬頻天線的性能要求。與其他各種設(shè)計相比，其結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。

關(guān)鍵詞： 橢圓單極子； 矩形切角； 超寬帶； 輻射圖； 共面波導(dǎo)

中圖分類號： TN82?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0078?02

Simulation design of elliptical monopole UWB antenna

ZHOU Xi?quan， HUI Peng?fei， ZHAO Yan， TAO Bai?rui

（Communication and Electronic Engineering Institute， Qiqihar University， Qiqihar 161106， China）

Abstract： With the development of broadband wireless communication， broadband antenna has become a hot research focus. Through the research of the monopole antenna， the planar elliptical monopole antenna is designed in this paper. By chamfer processing of earth plate and parameter analysis and optimization of parameters， the performance requirements of broadband antenna is realized. Comparing with other designs， it has simpler structure and is easier to make.

Keywords： elliptical monopole； rectangular corner cut； ultra?wideband； radiation pattern； coplanar waveguide

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，終端通信設(shè)備的小型化和多功能需求日益增多，迫切需要發(fā)展各種類型寬頻帶小型天線，以適應(yīng)各種小型無線終端設(shè)備的要求。于是小型化超寬帶印刷微帶天線的研究技術(shù)得到快速發(fā)展。美國通信委員會于2002年將3.11～10.16 GHz頻段作為超寬通信使用，使超寬天線技術(shù)的研究成為一個新的研究熱點(diǎn)。

大量的不同類型超寬帶平面微帶單極子天線出現(xiàn)在相關(guān)文獻(xiàn)中，如矩形、橢圓形、圓形和多面形等。文獻(xiàn)[1]～[6]提出了各種類型平面單極子天線，基本都在FCC提出的頻率范圍。通過對各種形狀單極子研究，選擇了一種橢圓結(jié)構(gòu)單極子微帶天線，通過共面波導(dǎo)饋電和對接地板切角處理大大提高了阻抗帶寬，實(shí)現(xiàn)了超寬頻率工作范圍。同時應(yīng)用HFSS軟件進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在3.00～12 GHz寬頻范圍天線的輻射圖基本穩(wěn)定，其H主平面具有良好的全向性，E主平面具有類偶極子輻射特性，在這個頻段內(nèi)，其輻射特性有較好的穩(wěn)定性，使駐波比在帶寬范圍內(nèi)小于2。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線制作在長和寬分別為[L]和[W]的聚四氟乙烯環(huán)氧樹脂基板上，其介電常數(shù)為2.2，厚度為0.74 mm。介質(zhì)板面上是橢圓輻射貼片（[k]為橢圓比）和帶有缺口的共面接地板，接地板與微帶饋線采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，橢圓貼片與接地板最小間距為[h，]饋線與地板間距為[h1，]天線采用特性阻抗為50 Ω的微帶線饋電。經(jīng)優(yōu)化天線尺寸見表1。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果

天線端口反射系數(shù)與頻率變化曲線如圖2所示，駐波比[ρ<2]端口帶寬為3.00～12 GHz，包含UWB工作頻段。

圖2 端口駐波與頻率關(guān)系曲線

如圖3為天線在4 GHz，10 GHz頻率下遠(yuǎn)場輻射方向圖，從兩種頻率下輻射方向圖可知，F(xiàn)CC頻段內(nèi)E面圖基本分布趨勢相同，但隨頻率增加逐漸畸變。而H面圖基本保持全向分布趨勢。整個UWB頻段基本保持方向圖分布的穩(wěn)定，滿足寬頻天線設(shè)計要求。

圖3 天線輻射E和H平面方向圖

3 天線參數(shù)性能分析

（1）橢圓[r0]對低頻范圍變化影響如圖4所示，橢圓半徑越大，頻帶越向低頻展寬。所以根據(jù)超寬帶要求選擇橢圓短軸長度為[r0=]9 mm。

圖4 [r0]變化對天線端口反射影響曲線

（2）天線[W]變化對天線影響如圖5所示，隨著[W]的增加，頻段向高端頻率擴(kuò)展。

（3）接地板切角[a]（或[b]）對天線影響如圖6所示，隨著[a]的增加頻帶變寬，可以調(diào)整頻帶范圍。

圖5 [W]變化對天線端口反射影響曲線

圖6 切角[a]變化對天線端口反射影響曲線

4 結(jié) 論

本文通過對超寬帶橢圓單極子天線設(shè)計與分析，實(shí)現(xiàn)了超寬帶的各項性能指標(biāo)。借助軟件HFSS進(jìn)行仿真與優(yōu)化，天線的S11≤-10 dB阻抗帶寬可到達(dá)為3.00～12 GHz。該天線具有小尺寸，超寬頻帶優(yōu)勢同時，在整個UWB頻段內(nèi)，有良好的駐波比特性和輻射方向圖的相對穩(wěn)定，在最大輻射方向可達(dá)6.87 dB的增益，且結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)無線寬頻通信要求。

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