一種新型鉆石形超寬帶天線的設計與實現

曹 曦,田小建

(吉林大學 電子科學與工程學院,長春 130012)

一種新型鉆石形超寬帶天線的設計與實現

曹 曦,田小建

(吉林大學 電子科學與工程學院,長春 130012)

設計一種新型鉆石形超寬帶天線,該天線印刷在介電常數為4.4的FR4介質板上,尺寸為26 mm×24 mm×0.8 mm. 設計過程中對天線輻射貼片進行兩次優化,并利用階梯化接地板的方法對天線進行優化. 實驗結果表明,該天線可在2.0～14.5 GHz內實現電壓駐波比VSWR≤2的帶阻特性,相對帶寬為151%,且具有結構簡單和小形化等優點,可應用于各種超寬帶(UWB)系統中.

超寬帶； 平面天線； 天線優化

近年來,超寬帶(UWB)天線技術在通信技術領域發展較快. 由于超寬帶天線具有高速率、 低誤碼率和寬頻帶等特性,因此在軍事和民用等領域應用廣泛. 由于超寬帶天線制作成本低、 抗干擾、 傳輸速率高,且配置簡單,因此已引起人們廣泛關注. 根據超寬帶天線的特點,目前主要有矩形、 圓形和蝶形等不同形狀的超寬帶天線[1-5]. 本文設計一種新型的鉆石形超寬帶天線.

1 鉆石形超寬帶天線的設計基礎

衡量天線性能常用的幾個重要參數為天線饋電端口的回波損耗、 電壓駐波比VSWR和散射(S)參數(無源天線為S11參數),各參數間的關系為：

其中:

Returnloss為回波損耗,表示入射功率和反射功率的比值,以分貝表示,在0～∞取值,回波損耗為0時,表示全反射； 回波損耗為∞時,表示完全匹配; VSWR為電壓駐波比,表示行駐波的電壓波腹值與電壓波節值之比,在1～∞取值,駐波比為1時,表示完全匹配； 駐波比為∞時,表示全反射[6].

在實際應用中,通常取S11≤-10 dB,VSWR≤2. 本文取S11≤-10 dB或VSWR≤2為參考標準. 天線的相對帶寬表達式為[7-8]

采用美國Ansoft公司開發的高頻結構仿真(HFSS)軟件設計天線,HFSS軟件采用標準的Windows圖形用戶界面. 使用HFSS軟件時,只需創建設計模型,指定模型材料屬性,分配模型的邊界條件和激勵,定義求解設置,便可計算并輸出設計的仿真結果[9-11]. 鉆石形超帶寬天線的結構如圖1所示,其中基板材料選擇為FR-4微波介質板,厚度H=0.8 mm,介電常數為4.4,損耗角正切為0.001 8. 天線由兩階優化后的天線輻射貼片與階梯化后的接地板連接. 該天線尺寸為：W1=10 mm,W=20 mm,W3=24 mm,W4=10.75 mm,H=26 mm,H2=8 mm.

2 天線設計優化過程

未優化鉆石形天線的仿真曲線如圖2所示. 由圖2可見,在4.5～5 GHz,S11非常接近-10 dB,因此需對天線進行優化,如圖3所示. 優化后鉆石形天線的仿真曲線如圖4所示. 先在天線輻射貼片的2個側面去掉2個小矩形(圖3(A)),其仿真曲線如圖4中的實線所示. 可見優化后的S11值在4.5～5 GHz 處有所下降. 即對該天線的一階優化有效,但未達到理想要求,還需進一步優化,在第一階優化的基礎上再次削減天線的輻射貼片(圖2(B)). 其仿真曲線如圖4中點線所示,可見優化效果并不明顯. 在天線上邊去掉一個三角形(圖2(C)),其仿真曲線如圖4中的虛線所示,可見天線的S11值進一步下降. 在對天線進行優化的基礎上,采用階梯化接地板的方法對天線進一步優化(圖2(D)),其仿真結果如圖5所示. 由圖5可見,經階梯化接地板后天線的S11值在低頻端和高頻端均有下降,有效拓寬了天線的帶寬.

圖1 超寬帶天線的結構Fig.1 Ultra-wideband antenna structure

圖2 原始仿真S11曲線Fig.2 Simulation curves of primitive S11

根據仿真數據用熱轉引法制作實物天線,熱轉印法制作天線的過程如下:

1) 將設計好的天線圖形打印在熱轉印紙上;

2) 將轉印粘貼在覆銅微波介質板上并加熱,使轉印紙上的模型印在覆銅微波介質板上;

3) 利用腐蝕液(V(水)∶V(鹽酸)∶V(雙氧水)=3∶1∶1)腐蝕介質板,最后進行切割與打磨[12-15].

利用熱轉印法制作天線的縫隙為0.3 mm,線寬為0.2 mm. 經實驗校證可滿足制作的誤差要求. 圖6為利用熱轉印法制作的實物天線,其中接口為標準SMA鍍銅接口. 采用37269C型矢量網絡分析儀測試實物天線. 實物天線的仿真和實測VSWR曲線如圖7所示. 由圖7可見,仿真和實測VSWR曲線吻合較好. 其誤差主要是由于天線模型在加工過程中介質板腐蝕產生誤差和SMA接頭焊接與材料特性誤差所致.

(A) 對天線輻射貼片進行第一次優化; (B) 對天線輻射貼片進行第二次優化; (C) 對幅射貼片開口; (D) 對地板進行優化.

圖4 天線優化前后的S11曲線Fig.4 S11 curves of antenna before and after its optimization

圖5 接地板優化前后的S11仿真曲線Fig.5 S11 curves of ground plate before and after its optimization

圖6 實物天線Fig.6 Photograph of proposed antenna

圖7 實測與仿真VSWR曲線Fig.7 Measured and simulated VSWR curves

綜上,本文采用改變微帶天線輻射板和使接地板呈階梯化的方法,對天線進行了多次優化. 結果表明: 經優化后的天線在2.0～14.5 GHz內的VSWR≤2,相對帶寬為151%,覆蓋了整個超帶寬的頻寬范圍； 天線尺寸為24 mm×26 mm,即具有超寬帶、 小型化、 結構緊湊和便于加工等特點,可將其集成于射頻電路和應用于各種超寬帶系統中.

[1]YANG Tang,TIAN Xiaojian. A Novel Heart-Shaped Monopole Antenna for UWB and RFID Applications [J]. Microwave Opt Technol Lett,2011,53(10): 2288-2291.

[2]Chiu C W,Li C S. A CPW-Fed Band-Notched Slot Antenna for UWB Applications [J]. Microwave Opt Technol Lett,2009,51(6): 1587-1592.

[3]YANG Tang,TIAN Xiaojian,CHEN Changfu. C-Shaped Slot Serves UWB Antenna [J]. Microwaves & RF,2012,51(2): 89-91.

[4]Naser-Moghadasi M,Koohestani M,Sadeghzadeh R A. Compact Microstrip-Fed Ultra-wideband Antenna with Novel Radiation Element [J]. Microwave Opt Technol Lett,2010,52(10): 2267-2269.

[5]CHEN Changfu,TAIN Xiaojian,YANG Tang. Two-Horn Antenna Aims at UWB Use [J]. Microwaves & RF,2012,51(4): 72-73.

[6]吳崎. 新型超寬帶天線研究 [D]. 上海： 上海交通大學,2009. (WU Qi. Study of Novel Ultra-wideband Antennas [D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University,2009.)

[7]Abdollahvand M,Dadashzadeh G,Mostafa D,et al. Compact Dual Band-Notched Printed Monopole Antenna for UWB Application [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Lett,2010,9: 1148-1151.

[8]Thomas K G,Sreenivasan M. A Simple Ultrawideband Planar Rectangular Printed Antenna with Band Dispensation [J]. IEEE Trans Antennas Propag,2010,58(1): 27-34.

[9]車仁信， 廣旗一蘭， 常宏銘． E型貼片微帶天線性能分析 [J]． 大連交通大學學報， 2009， 30(6): 95-97． (CHE Renxin,GUANG Qiyilan,CHANG Hongming. Analysis of Performance of E-Shaped Patch Microstrip Antenna [J]． Journal of Dalian Jiaotong University,2009， 30(6): 95-97．)

[10]曾會勇， 王光明， 麻來宣， 等． 新型寬頻帶微帶貼片天線的設計 [J]． 工程設計學報,2009， 16(4): 308-312． (ZENG Huiyong,WANG Guangming,MA Laixuan,et al. Design of Novel Wideband Microstrip Patch Antenna [J]． Journal of Engineering Design,2009， 16(4): 308-312．)

[11]來雪梅， 王代華， 張哲． 基于HFSS的微帶天線設計與仿真 [J]． 機械工程與自動化,2009(6): 40-42． (LAI Xuemei,WANG Daihua,ZHANG Zhe. Design and Simulation of Microstrip Antenna Based on HFSS [J]． Mechanical Engineering & Automation,2009(6): 40-42．)

[12]車仁信， 程鑫， 張坤武． 寬帶微帶天線設計方法研究 [J]． 大連鐵道學院學報,2005， 26(1): 76-79． (CHE Renxin,CHENG Xin,ZHANG Kunwu. Design Method of Broadband Microstrip Antenna [J]． Journal of Dalian Railway Institute,2005， 26(1): 76-79．)

[13]Naser-Moghadasi M， Mohsen Koohestani， Sadeghzadeh R A． Compact Microstrip-Fed Ultra-wideband Antenna with Novel Radiating Element [J]． Microwave and Optical Technology Letters， 2010， 52(10): 2267-2269．

[14]Gay-Balmaz P,Martin O J F． Electromagnetic Resonances in Individual and Coupled Split-Ring Resonators [J]． Journal of Applied Physics， 2002， 92(5)： 2929-2936．

[15]楊秀麗， 葛建民， 李銘祥， 等． 12．5 GHz微帶陣列天線的設計 [J]． 中國新通信,2008， 23： 58-60． (YANG Xiuli,GE Jianmin,LI Mingxiang,et al. Design for a 12.5 GHz Microstrip Antenna Array [J]． China New Telecommunications,2008， 23： 58-60．)

(責任編輯： 王 健)

DesignandRealizationofNovelDiamond-ShapedUltra-widebandAntenna

CAO Xi,TIAN Xiaojian
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

A novel ultra-wideband antenna with diamond-shaped patch was designed and fed by a coplanar waveguide. The size of the substrate is 26 mm×24 mm×0.8 mm and the substrate material uses FR4 with a relative permitivity of 4.4. The patch was optimized twice by ground plant’s first order optimization. The simulated and experimental results demonstrate that the bandwidth (VSWR≤2) starts from 2.0 GHz up to 14.5 GHz and relative bandwidth comes to 151%. This diamond-shaped UWB antenna has the advantages of simple structure and miniaturization that can be applied to various UWB systems.

ultra-wideband; planar antenna; antenna optimization

2013-09-26.

曹 曦(1985—),男,漢族,博士研究生,從事天線技術的研究,E-mail: caoxi0@163.com. 通信作者： 田小建(1957—),男,漢族,博士,教授,博士生導師,從事高速電子學與微波系統的研究,E-mail: tianxj@jlu.edu.cn.

吉林省科技廳重點項目(批準號: 20120320).

TN82

A

1671-5489(2014)05-1035-04