CPW饋電的超寬帶天線設(shè)計

張馨心，姚愛琴，柴晉強

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，民用和軍事通信對設(shè)備的要求越來越精密，天線作為無線通信系統(tǒng)中不可或缺的部分，在無線系統(tǒng)的性能調(diào)整方面有著極為重要的作用[1]。超寬帶(UWB)天線具有容量大,損耗低,傳輸速率高及保密性好等特點[2-3]。自美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準(zhǔn)了UWB技術(shù)可民用化以來，UWB天線技術(shù)已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點之一[4]。文獻[5]提出了一種共面波導(dǎo)(CPW)饋電的印制單極UWB天線的帶隙天線，該天線帶寬可達72%。文獻[6]設(shè)計的基于CPW饋電的天線，通過圓形輻射結(jié)構(gòu)使相對帶寬達122.7%。文獻[7]提出了單層差分CPW饋電天線，通過階梯式輻射結(jié)構(gòu)和差分階梯式饋線使天線的-10 dB相對帶寬為122.6%。文獻[8-9]為設(shè)計的CPW饋電的UWB陣列天線。天線饋線方式的選取對于天線的阻抗帶寬和輻射性能都有著重要的影響，而CPW技術(shù)由于其具有輻射損耗小，成本低，易加工和便于集成等特點而備受青睞。CPW饋電的UWB天線體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，通過改變其接地板的尺寸等可展寬天線帶寬，該類型天線易加工且便于集成，符合小型化的發(fā)展趨勢而被廣泛使用[10-11]。

為了滿足UWB天線的需要，本文設(shè)計了一款開口諧振環(huán)的UWB天線，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 該天線采用CPW技術(shù)進行饋電來提高天線的頻帶帶寬。本文完成了結(jié)構(gòu)簡單的UWB縫隙天線設(shè)計，覆蓋帶寬為2.33～11.75 GHz。由于采用CPW技術(shù)，天線尺寸較小，有利于系統(tǒng)的集成。

1 天線設(shè)計與分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)

該天線的基板使用價格低的FR4，其相對介電常數(shù)εr=4.4，介質(zhì)損耗參數(shù)因數(shù)tanδ=0.02。圖1為本文設(shè)計的UWB天線結(jié)構(gòu)圖。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)

1.2 天線的設(shè)計過程

圖2(a)為本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)，在饋線兩側(cè)分別加入等大的接地板，天線采用50 Ω的CPW饋電，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，有效地減小了天線的體積及天線的回波損耗系數(shù)(見圖3中的曲線a)。由曲線a可知，其頻帶為2.14～2.76 GHz，6.25～6.87 GHz。為增大天線的頻帶寬度，可通過改變饋線兩側(cè)接地板的比值大小，來改變天線的電流傳播路徑，該天線結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，相對應(yīng)的S參數(shù)如圖3中的曲線b所示。由曲線b可知，天線的工作帶寬為2.3～5.4 GHz，但該帶寬仍遠小于3.1～10.6 GHz。在保證天線小型化尺寸不變的前提下，為了增加電流分布路徑從而使天線頻帶變寬，本文通過在CPW的輻射地板的上方增加一個開口諧振環(huán)來實現(xiàn)UWB。天線最終結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示，相對應(yīng)的S參數(shù)如圖3中的曲線c所示，由曲線c可知，天線的工作帶寬為2.33～11.75 GHz，實現(xiàn)了UBW。天線結(jié)構(gòu)參數(shù)通過Ansoft HFSS 15.0的仿真與優(yōu)化后，最終確定其基本幾何參數(shù)如圖1所示。

圖2 天線設(shè)計過程

圖3 天線的S參數(shù)變化過程曲線

2 實驗結(jié)果與分析

圖4為本文所提出天線的輸入回波損耗仿真曲線。由圖可知，該天線的回波損耗為-10 dB，帶寬為2.33～11.75 GHz。

圖4 天線的輸入回波損耗

為證明開口諧振環(huán)的加入可增加電流分布路徑，以改變天線表面的電流密度分布情況。通過HFSS軟件仿真，圖5是該天線工作頻點分別為2.5 GHz、5.5 GHz、8.5 GHz、10.5 GHz時仿真表面電流分布圖。由圖5(a)可知，當(dāng)工作頻率為2.5 GHz時，即頻率較低時，天線的電流主要集中分布在饋線及兩側(cè)接地板，且分布較對稱，此時開口諧振環(huán)作用較小；當(dāng)工作頻率為5.5 GHz時(見圖5(b))，天線的電流主要集中分布在饋線、右側(cè)接地板及開口諧振環(huán)，此時開口諧振環(huán)的電流分布較活躍；當(dāng)工作頻率為8.5 GHz(見圖5(c))時，天線的電流主要集中分布在左側(cè)接地板及饋線靠近接地板的邊緣，開口諧振環(huán)處的電流分布較弱；當(dāng)工作頻率為10.5 GHz(見圖5(d))時，電流主要集中分布在饋線、開口諧振環(huán)及接地板靠近饋線的邊緣。該天線在不同工作頻率時電流分布不同,說明饋線兩側(cè)接地板的不對稱性及開口諧振結(jié)構(gòu)會使電流分布路徑不同，從而導(dǎo)致天線的性能發(fā)生改變。

圖5 天線在不同頻率表面電流分布

圖6為該天線分別在2.5 GHz、5.5 GHz、8.5 GHz、10.5 GHz時對應(yīng)的E面(XOY)和H面(XOZ)仿真方向圖。由圖6(a)可知，在低頻時，由于開口諧振環(huán)的作用較小，天線的對稱性良好，且在E面與H面皆呈現(xiàn)8字型。隨著頻率升高(見圖6(b)～(d))，當(dāng)開口諧振環(huán)對電流分布起作用后，天線會發(fā)生畸變，E面旁瓣電平增多，但仍保持類似8字型，且H面整體都接近于全向。由于該天線具有較好的一致性，因此，該天線在H面(XOZ)全向性良好，可收發(fā)各方向的信號。

圖6 天線方向圖仿真

圖7為UWB天線的增益仿真曲線。由圖可知，該天線在低頻部分增益較低，這是由于低頻時電流分布路徑較少造成的；隨著頻率的升高，增益逐漸增大，且上、下波動不超過2.3 dBi，由此可知，該天線在工作頻段有穩(wěn)定的增益，可適用于實際通信系統(tǒng)。

圖7 天線增益仿真曲線

表1為本文所提出的天線與部分文獻所設(shè)計天線的比較。與文獻[5-7]相比，本文所提出的天線帶寬更寬；同時尺寸遠小于[8-9]中所設(shè)計的天線。因此，綜合以上分析，由天線帶寬、方向圖及增益的仿真結(jié)果表明，本文提出的帶有開口諧振環(huán)的8UWB天線具有尺寸小和頻帶寬等特點，有一定使用價值和應(yīng)用前景。

表1 CPW UWB天線比較

3 結(jié)束語