淺析新型超寬帶微帶天線的研究與設(shè)計(jì)

劉俊良

摘要：隨著超寬帶通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)天線設(shè)計(jì)也提出更高的要求。然而傳統(tǒng)超寬帶通信中，采用的寬帶天線很難滿足工作頻帶、電路集成等要求，在此背景下便提出超寬帶天線，其不僅在工作頻帶上滿足超寬要求，且可實(shí)現(xiàn)電路集成目標(biāo)。但實(shí)際應(yīng)用中很可能有電磁干擾存在，需做好天線性能、尺寸等改進(jìn)工作。本文主要對(duì)新型超寬帶微帶天線的相關(guān)概述、單極天線設(shè)計(jì)以及寬槽天線設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螛O天線超寬帶天線微帶天線

前言：作為現(xiàn)代通信領(lǐng)域中的重要技術(shù)，超寬帶本身在帶寬上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其傳輸速率的般可達(dá)到百兆。但實(shí)際應(yīng)用下多會(huì)考慮到天線設(shè)計(jì)問(wèn)題，需保證其在阻抗帶寬上保持良好，在此基礎(chǔ)上配合窄帶接收機(jī)，有利于解決其中干擾問(wèn)題。但該目標(biāo)如何實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵取決于天線設(shè)計(jì)是否合理。因此，本文對(duì)天線的設(shè)計(jì)分析，具有十分重要的意義。

一、新型超寬帶微帶天線相關(guān)概述

關(guān)于天線帶寬，其實(shí)質(zhì)為在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)天線性能滿足定要求，如其中的極化、增益、方向細(xì)數(shù)、副瓣電平、效率以及輸入阻抗等。與傳統(tǒng)窄帶天線不同，超寬帶天線設(shè)計(jì)的內(nèi)容集中表現(xiàn)為：①阻抗帶寬。相比窄帶天線，在帶寬范圍上超寬帶天線將超出三倍頻，這種情況下便使設(shè)計(jì)面臨較大難題，需將更多拓寬帶寬技術(shù)引入其中；②線性相位。為保證天線可靠運(yùn)行，需保證相位中心不變，確保超寬帶天線應(yīng)用下不會(huì)有色散問(wèn)題產(chǎn)生；③方向圖問(wèn)題。方向圖在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)體現(xiàn)出全向性特點(diǎn)，避免方向圖在頻率變化下出現(xiàn)畸變，保證天線損耗得到合理控制；④應(yīng)用范圍較廣。超寬帶通信現(xiàn)行發(fā)展中，在保證滿足系統(tǒng)集成要求的基礎(chǔ)上，也需做到向低成本、小型化等方向發(fā)展，盡可能使其在更多商業(yè)、民用等領(lǐng)域得到廣泛利用。另外，超寬帶微帶天線設(shè)計(jì)中，還需做好天線數(shù)值分析，可考慮引入時(shí)域有限差分法、有限元法或矩量法等。而且需注意明確阻帶技術(shù)以及天線饋電方式，如同軸饋電、共面波導(dǎo)式以及微帶式等。

二、單極天線設(shè)計(jì)分析

本文在研究中所選取的新型超寬帶天線，其主要以Rogers RT5880作為基片，且.在介電常數(shù)上為2.65。該天線本身體現(xiàn)出易.于集成、成本低、重量輕以及低輪廓特征。整個(gè)天線選擇長(zhǎng)半軸、短半軸分別為16.5mm.與12.5mm的半橢圓接地板。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，阻抗帶寬在10dB回波損耗情況下，將介于.3.3GHGz-8.TGHz之間，要求做好優(yōu)化阻抗帶寬工作。實(shí)際優(yōu)化中，首先需考慮對(duì)矩形接地板利用橢圓接地板代替，其目的在于使輻射單元受地板耦合作用減小，這樣可使的低頻電流路徑得以延長(zhǎng)。其次可考慮將漸變式饋電結(jié)構(gòu)引入其中，這樣75歐姆微帶線可保證帶寬更寬，在此基礎(chǔ)上匹配輻射單元阻抗，這樣對(duì)于天線駐波可多起到定的改善作用。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需注意對(duì)單極天線阻帶工作原理、天線輻射特性以及電場(chǎng)能量具體分布情況進(jìn)行研究。如在阻帶工作原理方面，以雙阻帶超寬天線為例，其在構(gòu)成上集中表現(xiàn)為U/v形槽及其DGS結(jié)構(gòu)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)在處于不同狀態(tài)情況下，天線頻率響應(yīng)也極為不同，所以需對(duì)二者進(jìn)行控制，確保天線正常運(yùn)行。而對(duì)于天線輻射特性，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)天線在與電場(chǎng)垂直方向、平行方向的平面上表現(xiàn)進(jìn)行分析，做好方向圖的控制工作。通常面臨的問(wèn)題主要表現(xiàn)在因低頻率波長(zhǎng)長(zhǎng)，使全向性較差，若電流在搞低頻率天線上表現(xiàn)出不同分布特征，便會(huì)產(chǎn)生輻射特性差別。這種設(shè)計(jì)方式下盡管輻射方向圖在整個(gè)頻段中難以保持，但能夠與全向輻射要求相適應(yīng)。另外，在電場(chǎng)能量分布方面，設(shè)計(jì)中可考慮在天線貼片邊緣、微帶饋線邊緣進(jìn)行天線分布，其可使能量有效輻射。

三、寬槽天線設(shè)計(jì)研究

現(xiàn)行超寬帶平面寬槽天線設(shè)計(jì)中，其本身體現(xiàn)出成本低、剖面小等特征，而且有較多通信頻段可被覆蓋其中，能夠滿足系統(tǒng)電磁兼容要求。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需做好寬槽天線參數(shù)的明確，如其中的天線駐波，通常要求采用兩層階梯結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)于天線駐波可進(jìn)行減少。而且階梯式饋電結(jié)構(gòu)應(yīng)用下，對(duì)于阻抗匹配也可起到明顯作用。同時(shí)在參數(shù)分析中，還需從開(kāi)槽尺寸優(yōu)化方面著手，可結(jié)合天線駐波情況對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行控制。為滿足天線小型化要求，駐波在尺寸減小下會(huì)發(fā)生明顯變化，應(yīng)盡可能使天線外輪廓、天線槽在距離上進(jìn)行控制，以此使整個(gè)頻段中天線性能得以的維持。其次，在設(shè)計(jì)中還需對(duì)共面波導(dǎo)饋電進(jìn)行考慮，其在優(yōu)勢(shì)上集中表現(xiàn)為制作容易且不會(huì)產(chǎn)生較大的輻射損耗，要求對(duì)地板與階梯間縫隙進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)縫隙距離的有效控制，使饋線阻抗保持合理。最后，在天線阻帶與增益方面進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)中可考慮將開(kāi)槽技術(shù)引入其中，其能夠滿足阻帶要求，且天線帶寬拓寬、電流路徑延長(zhǎng)都可實(shí)現(xiàn)。另外，超寬帶頻段中，由于天線在增益平坦度上優(yōu)勢(shì)較為明顯，整體增益效果都較高，所以天線增益所受到的阻帶影響較小。由此可見(jiàn)，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對(duì)帶寬受不同參數(shù)的影響進(jìn)行分析，在天線尺寸減小的情況下，使電流突變得以控制，這樣對(duì)于電流在天線面中的分布能夠進(jìn)行調(diào)整，天線阻抗特性由此得以改善。

四、結(jié)論

新型超寬帶天線在現(xiàn)代較多領(lǐng)域中應(yīng)用都極為廣泛。為使該天線作用得以充分發(fā)揮，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注重做好寬帶拓寬工作，且在天線駐波上進(jìn)行改善，盡可能將其中存在的電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行解決。同時(shí)需在超寬帶阻帶特性上不斷強(qiáng)化，結(jié)合實(shí)際需求選用不同類(lèi)型天線，這樣才可充分發(fā)揮微帶天線的作用。