共面波導饋電的超寬天線研究

許媛

摘 要：2002年美國聯邦通信委員會把頻帶為3.1～10.6GHz的超寬帶頻段規劃為商用頻段以后，平面天線憑借相對小的體積、較寬的帶寬、良好的輻射效率、全方向輻射性能、便捷的生產工藝、較小的資金投入以及高集成性能等多種優點，被廣泛地研究與應用。該文對超寬帶天線的結構設計原則以及方法做了介紹并對所設計的超寬天線進行了分析和仿真分析，得出所設計的超寬天線擁有良好的性能。

關鍵詞：共面波導 超寬天線 仿真

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（c）-0086-02

隨著通信技術的快速發展，超寬帶天線的研究也逐步展開，并且逐步朝著小型化方向發展。超寬帶天線的小型化過程中，除了要求所設計的天線自身體積小，擁有相對寬的通信頻段，具備優良的輻射性能外，同時也要求天線擁有相對優良的信號保真性能。

1 超寬帶天線的結構設計

我國很多的學者構建了多種天線架構，以達到小型超寬帶天線的各種性能要求。例如，構建了單極子天線、U槽貼片天線等。上述幾種類別的天線在設計時，均通過對稱的共面波導結構，讓天線的通信頻段可以高達11 GHz，不過所設計的天線自身體積相對大。若想要天線擁有相對高的通訊頻段，可以通過改變貼片數量、形狀、雙饋點等多種方式實現，而不同的方法有各自的特征。所以，在進行天線結構的設計過程中，應當全面考慮各種因素的影響，從而使所設計的天線可以達到相關的需求。此次所設計的天線結構如圖1所示。

將所設計的天線刻蝕于銅質的底板之上，其是由共面波導接地面、非對稱的開槽、貼片以及相應的饋電結構共同構成。而相應的饋電結構則包含有饋電信號帶以及相應的細縫。所采用的銅質底板的大小為35 mm×35 mm×1.6 mm，所設計的天線完成信號輻射是通過多邊開槽以及相關的貼片而共同完成。再經由進一步的仿真模擬，獲取到開槽以及貼片的最優形狀與大小，在仿真軟件中構建相應的模型。

2 超寬天線的分析和仿真

要想更好地確保天線具有優良的使用效果，應當全面地對介質底板自身厚度、大小以及共面波導構造進行分析與優化。超寬天線所擁有的饋電結構能夠通過下式進行計算而得：

上式中，h為介質底板所擁有的厚度值；為底板的常規介電常數；為底板擁有的有效介電常數；W為底板寬度的大小；W3為饋電線自身的寬度大小；S2為饋電線和地面所形成的間隙大小。

通過上述的幾個計算式，能夠得到共面波導饋電線所擁有的帶寬值W3以及縫隙值S2。

所設計的超寬天線具備怎樣的性能與所設置的多邊開槽、貼片以及縫隙有密切的關聯。通過仿真模擬軟件，對所設計的天線各項性能進一步地仿真并對相關參數進行優化。現階段，對于小型超寬天線的研究多是采用對稱型的共面波導形式，不過在設計過程中雖然是依照對稱波導進行的設計，而現實的產品通常是不具備對稱結構的。在實際應用中，非對稱型的共面波導和相關的裝置與元件之間進行連接，會具有更為優越的匹配度與靈活性。而對于一些較為特別的環境來說，需用到非對稱型的共面波導結構。而人們也可以將對稱型的共面波導結構看成是非對稱型的共面波導結構中較為特殊的個例，所以對于非對稱型的共面波導結構進行探討，會更加具有代表性。

通過模擬仿真軟件進行分析，得出超寬天線的阻抗性能圖，如圖2所示。

可以從圖2中得出，在所開槽大小不斷增加的過程中，超寬天線所具備的阻抗性能會隨之變得更加優良。之所以會產生這種現象，是由于開槽尺寸有所加大，會促使貼片和共面波導的接地面之間的耦合有所減小，同時也就會使兩者所形成的諧振現象有所減弱，進而優化了超寬天線的阻抗性能。不過，當頻率為8 GHz左右時，超寬天線所擁有的阻抗性能明顯降低，之所以會產生此種現象，是由于超寬天線的共面波導接地面與貼片所具有的耦合電容有所改變，最終導致了超寬天線的阻抗性能有所降低。

對超寬天線所具有的性能參數H2進一步的仿真與優化，得出貼片的大小對其性能改變的關系圖，如圖3所示。

所采用的貼片尺寸相對小時，貼片所具有的輻射量也會較小，導致超寬天線自身的帶寬不大。而在貼片尺寸不斷加大的過程中，其所擁有的阻抗性能也隨之改變。

對貼片和共面波導所擁有的饋電間隙進行仿真和優化，得出相應的關系圖，如圖4所示。

從圖中能夠得到，當S3數值不斷降低時，超寬天線所具有的帶寬呈現逐漸減小的趨勢。這是因為當饋電間隙不斷減小過程中，使貼片與共面波導接地面所具有的耦合電容有所改變，進一步導致了超寬天線自身的阻抗性能有所降低。

對超寬天線進行輻射與增益的仿真與優化中得出，所設計的天線擁有非常優良的方向性以及輻射增益。通過仿真得出所設計的超寬天線在位于相對低頻的H面中，表現出了全面輻射的性能，其中當以及時，其輻射值達到了最大。超頻天線的增益模擬圖，如圖5所示。

從圖中可以得出，在頻率為2.8～8 GHz范圍之內，其增益值均超出了3 dB。而且，超寬天線的增益在頻率不斷增大的情況下，呈現逐漸增加的趨勢，其最大的增益值為8.17 dB，這和普通的天線相比而言，所擁有的增益性能要優良得多。因此，所設計的超寬電線能被應用于收發天線中。

3 結語

以往所采用的天線頻帶相對較窄，而且體積較大，而共面波導技術則可以有效地解決上述弊端。而且，采用一定的仿真技術，對所設計的天線進行性能的進一步完善與優化，可以使超寬天線的工作頻帶增加至2.2～8GHz之間，此種超寬天線具備相對簡潔的構造，具有較強的增益性能，可以達到現階段超寬通訊的要求，具備技術可行性。

參考文獻

[1] 劉剛，李寧，郭學玲.小型雙陷波共面波導饋電超寬帶天線仿真分析[J].通訊世界，2016（6）：31-33.

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