一種新穎小型共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線設(shè)計(jì)

陳 良，唐 鵬

(1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 成都監(jiān)測(cè)站，四川 成都 610036；2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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一種新穎小型共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線設(shè)計(jì)

陳 良1，唐 鵬2

(1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 成都監(jiān)測(cè)站，四川 成都 610036；2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

設(shè)計(jì)了一種新穎小型共面波導(dǎo)饋電的喇叭形超寬帶天線，接地面不同于傳統(tǒng)矩形而采用接地面圍繞輻射體兩側(cè)向頂部延伸的方式，并且靠近饋線的接地面使用兩階階梯凹槽，利用仿真軟件仿真優(yōu)化輻射體和接地面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，天線加工后的尺寸為27 mm×30 mm×1.6 mm,實(shí)測(cè)阻抗帶寬為2.5～12.0 GHz，在3.1～10.6 GHz范圍內(nèi)基本呈全向性，并且具有較穩(wěn)定的增益，約為2.5～6.0 dBi。

小型；共面波導(dǎo)；超寬帶；天線

自從美國(guó)聯(lián)邦委員會(huì)(FCC)在2002年允許3.1～10.6 GHz 頻段超寬帶技術(shù)民用化，超寬帶技術(shù)[1]就引起了技術(shù)和商業(yè)方面的廣泛關(guān)注，貼片天線[2-3]具有體積小、成本低、質(zhì)量輕、易于加工等特點(diǎn)，共面波導(dǎo)(CPW)[4]饋電天線還具有更寬帶寬、更低損耗、更高輻射效率、更容易進(jìn)入射頻電路系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其受到人們關(guān)注。通常通過(guò)改變天線結(jié)構(gòu)尺寸、使用特定輻射形狀(矩形、圓形和山角形等)、貼片開縫隙[5]和接地板上加短路針等方式拓寬貼片天線的帶寬和減小天線尺寸。筆者利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)提出的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行大量?jī)?yōu)化，發(fā)現(xiàn)輻射體喇叭形尺寸、喇叭形開口形狀及大小、喇叭形中間縫隙大小、接地面延伸的形狀及尺寸這4個(gè)主要因素影響天線阻抗帶寬，繪出了天線的方向圖和增益曲線，最終得到理想的天線結(jié)構(gòu)，該天線體積較小，便于射頻電路集成，實(shí)測(cè)阻抗帶寬較寬(2.5～12.0 GHz)，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線在整個(gè)工作帶寬上基本呈全向性，能夠提供穩(wěn)定的輻射方向性和輻射效率，該天線能滿足多種超寬帶無(wú)線通信應(yīng)用的要求。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于超寬帶小型貼片天線設(shè)計(jì)的基本方法，筆者提出了一款新穎的全向小型化共面波導(dǎo)饋電的喇叭形超寬帶天線。該天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，為節(jié)省成本，選取相對(duì)介電常數(shù)εr=4.5，厚度h=1.6 mm的全玻纖FR4板材為介質(zhì)基板，基板的寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)；饋電微帶長(zhǎng)度為L(zhǎng)s，寬度為Ws，與接地面間隔gc=0.4 mm；喇叭形輻射體中間是矩形，寬W1，長(zhǎng)L1，頂部為梯形寬W2，高L2；喇叭形開口大小Wg，喇叭體中間縫隙大小W4和d4。圖1a陰影部分為天線的接地面，本設(shè)計(jì)接地面區(qū)別于傳統(tǒng)共面波導(dǎo)的饋線兩側(cè)矩形接地面，而采用兩側(cè)接地面沿兩側(cè)向上延伸的方式，通過(guò)調(diào)整接地面的形狀及大小，如微帶饋線旁接地面開兩階階梯凹槽和左(右)上接地面設(shè)計(jì)為三角形等方式，有效地拓寬了天線的阻抗帶寬；底部?jī)蓚?cè)接地面長(zhǎng)Lg，兩階階梯凹槽寬Wt，高dt，兩側(cè)接地面在頂部通過(guò)寬度為W3，間隔縫隙L3的微帶連接，在接地面頂部左右兩側(cè)通過(guò)參數(shù)L5和W5確定三角形接地面尺寸和位置。本設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整優(yōu)化喇叭形輻射體和接地面形狀和大小，最終設(shè)計(jì)出符合要求的超寬帶天線。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)與實(shí)物照片

2 天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

該天線設(shè)計(jì)在軟件HFSS的仿真優(yōu)化下，最終得到了天線最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸，見表1。

表1 天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸 mm

仿真結(jié)果顯示天線的反射系數(shù)主要取決于介質(zhì)板大小W和L、喇叭形輻射體中間矩形大小W1和L1、喇叭形輻射體上梯形尺寸W2和L2、喇叭形輻射體頂部開口大小Wg及開口形狀、喇叭形輻射體中間縫隙大小W4和d4、接地面高度Hg和Lg、頂部接地面寬度W3和頂部左(右)兩側(cè)三角形接地面尺寸W5和L5。

從圖2可看出，基板尺寸(天線尺寸)對(duì)反射系數(shù)S11的影響，考慮到加工誤差，W=27 mm，L=30 mm可以保證天線在2.5～12.0 GHz頻段阻抗帶寬性能較為理想，尺寸只有文獻(xiàn)[1]的50%。

從圖3可看出，喇叭形輻射體中間矩形的寬W1和長(zhǎng)L1對(duì)反射系數(shù)S11的影響，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化W1=9 mm,L1=4 mm時(shí)天線阻抗帶寬性能較為理想。

從圖4可看出，喇叭形輻射體頂部梯形的寬W2和長(zhǎng)L2對(duì)反射系數(shù)S11的影響，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化W2=15 mm,L2=18 mm時(shí)天線阻抗帶寬性能較為理想。

圖2 基板尺寸對(duì)S11的影響(截圖)

圖3 輻射體中間矩形尺寸對(duì)S11的影響(截圖)

圖4 輻射體頂部梯形尺寸對(duì)S11的影響(截圖)

從圖5可看出，喇叭形輻射體頂部開口大小Wg及開口形狀對(duì)反射系數(shù)S11的影響，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化Wg=6 mm時(shí)阻抗帶寬最優(yōu)，開口形狀折線形優(yōu)于橢圓形，二折線優(yōu)于單折線。

圖5 輻射體頂部開口大小及形狀對(duì)S11的影響(截圖)

從圖6可看出，喇叭形輻射體中間縫隙大小W4和d4對(duì)反射系數(shù)S11的影響，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化W4=2 mm,d4=8 mm時(shí)天線阻抗帶寬尤其是高頻段性能較為理想。

圖6 輻射體中間縫隙大小對(duì)S11的影響(截圖)

從圖7可看出，接地面高度Hg和Lg對(duì)反射系數(shù)S11的影響，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化Hg=6.5 mm,Lg=11.5 mm時(shí)阻抗帶寬最優(yōu)。

圖7 接地面高度對(duì)S11的影響(截圖)

從圖8可看出，接地面兩側(cè)延伸的接地線的寬度W3和在頂部留有不同縫隙寬度L3對(duì)反射系數(shù)S11的影響，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化W3=1.0 mm,L3=1.0 mm阻抗帶寬最優(yōu)。

圖8 接地面延伸微帶線對(duì)S11的影響(截圖)

從圖9可看出，左(右)上兩側(cè)三角形接地面不同尺寸及位置W5和L5對(duì)反射系數(shù)S11的影響，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化W5=10 mm,L5=18 mm阻抗帶寬最優(yōu)。

從圖10可看出，靠近饋線的接地面的兩階階梯凹槽[5]的尺寸大小Wt和dt對(duì)反射系數(shù)S11的影響，當(dāng)Wt=2.5 mm,dt=2.5 mm時(shí)最優(yōu)，從圖11可以看出，如果接地面無(wú)階梯凹槽和接地面兩端無(wú)沿基板兩側(cè)接地延伸時(shí)對(duì)反射系數(shù)S11的影響，阻抗帶寬性能大大下降，可見本設(shè)計(jì)中接地面階梯凹槽和兩側(cè)接地延伸是一種非常有效的優(yōu)于傳統(tǒng)共面波導(dǎo)饋電的一種方式。

圖9 頂部?jī)蓚?cè)三角形接地面對(duì)S11的影響(截圖)

圖11 無(wú)階梯凹槽和接地延伸

從圖12可看出，天線的反射系數(shù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果和仿真基本一致，誤差主要原因?yàn)樘炀€加工和焊接造成，在3.1～10.6 GHz超寬帶工作頻段范圍內(nèi)滿足S11<-10 dB的阻抗帶寬要求。從圖13可看出天線在整個(gè)S11<-10 dB帶寬增益大約在2.5～6.0 dBi。

圖14給出了天線在4 GHz和8 GHz時(shí)的E面和H面的歸一化輻射方向圖，E面為“∞”型，H面為全方向，該天線方向性好，具有很好的對(duì)稱性。

圖12 天線仿真和測(cè)試的S11對(duì)比

圖13 天線的增益

圖14 天線測(cè)試(虛線)和仿真(實(shí)線)方向圖(截圖)

3 小結(jié)

本文從天線工程實(shí)際需要的角度,設(shè)計(jì)了一種新穎的共面波導(dǎo)(CPW)饋電喇叭形帶超寬帶天線, 仿真并實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，介質(zhì)基板為介電常數(shù)εr=4.5，厚度h=1.6 mm的普通FR4板材,較文獻(xiàn)[1]的εr=2.6，成本更加低廉，并且仿真優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇有一定的變化裕量，可以保證有一定加工誤差情況下天線的性能不會(huì)發(fā)生太大變化，這在天線批量工程生產(chǎn)中非常重要。另外天線尺寸只有27 mm×30 mm，較文獻(xiàn)[1]尺寸40 mm×40 mm、文獻(xiàn)[2]尺寸38 mm×43 mm、文獻(xiàn)[4]尺寸31 mm×35 mm都有很大的減小，在減小尺寸的同時(shí)，還通過(guò)接地板階梯凹槽和接地面兩側(cè)向上延伸改善天線阻抗帶寬，實(shí)測(cè)天線的阻抗帶寬為2.5～12.0 GHz，較文獻(xiàn)[1]的3.8～9.2 GHz和文獻(xiàn)[4]的3.04～10.95 GHz有一定拓寬，在整個(gè)UWB匹配頻段內(nèi)，有良好的全向輻射方向性，在最大輻射方向可達(dá)到6.0 dBi的增益。該天線尺寸小、成本低、性能穩(wěn)定、易于電路集成和批量加工，可廣泛應(yīng)用于多種無(wú)線通信領(lǐng)域。

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Design of Novel CPW-fed Compact UWB Microstrip Antenna

CHEN Liang1，TANG Peng2

(1.ChengduMonitoringStation,StateRadioMonitoringCenter,Chengdu610036,China；2.CollegeofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

A novel CPW-fed compact UWB horn shape monopole antenna is proposed.The ground is extended toward two sides of the radiator different from the traditional solid rectangle, and the ground is two stair shaped close the feed line.Simulation software is used to analyze and optimize the structure parameters of the radiator and ground, the antenna size is 27 mm×30 mm×1.6 mm.Measured results show impedance bandwidth is 2.8～12.0 GHz, and the proposed antenna is nearly omni-direction over the operating bandwidth, and also has stable gain about 2.5～6.0 dBi.

compact; CPW; UWB ; antenna

TN822+.8

A

10.16280/j.videoe.2015.07.019

2014-10-29

【本文獻(xiàn)信息】陳良，唐鵬.一種新穎小型共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(7).

陳 良(1979— )，碩士，工程師，主研無(wú)線電監(jiān)測(cè)、通信、天線等；

唐 鵬(1979— )，博士，講師，主研機(jī)器視覺、模式識(shí)別、信號(hào)處理等。

責(zé)任編輯：薛 京