一種新型超寬帶天線的設計

郁 劍，郝哲軒

(南京工業大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著科學技術的不斷進步和發展，人們對無線通信、移動通信等需求越來越高。為了滿足人們需求的日益增長，在2002年，美國聯邦通信委員會(FCC)[1]正式將3.1～10.6 GHz的超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)頻段批準用于民用通信。這一舉措使得UWB無線通信技術引起了世界各國的廣泛關注。由于天線在無線通信系統中起著至關重要的作用，所以，UWB天線[2-6]同樣迅速引起了各國研究者的重點關注。

文獻[2]中提到，提高天線帶寬的常規方法主要有3種：① 降低天線的輻射Q 值；② 修改等效電路——通過附加寄生貼片或是采用電磁耦合饋電等；③ 附加阻抗匹配網絡。但在增加天線帶寬的同時，天線的尺寸增大、結構變得復雜。所以，為了能夠同時實現UWB性能，又能縮小尺寸簡化結構，各國研究者都在不斷地努力。最近，研究者提出了一些新的技術[7-8]來拓展天線帶寬、縮小天線尺寸和實現新的場景應用[9-10]。文獻[7]介紹了利用嵌套分形結構的自相似性和空間填充特性來拓展帶寬和縮減天線尺寸。文獻[8]介紹了利用行波模式設計的UWB天線，實現了寬帶和穩定的輻射模式。同時，隨著UWB天線的尺寸越來越小，其應用范圍也越來越廣，如應用于可穿戴設備[4]、汽車通信[9]和未來無線網絡[10]等。但是，這些天線有個共同點就是其結構相對比較復雜。

為了設計一個結構簡單緊湊的UWB天線[11-14]，本文提出了一種同軸饋電的UWB天線，天線的輻射單元由7個完全相同的橢圓單極子組成。通過7個橢圓單極子的組合改變天線輻射單元上的電流分布，從而改善橢圓單極子的阻抗帶寬，提高天線的阻抗帶寬，滿足UWB無線通信的要求。天線的結構簡單緊湊，尺寸僅為30.0 mm×24.0 mm×1.6 mm。同時，該天線的阻抗相對帶寬為112.9%(S11≤-10 dB)，在整個工作頻段范圍內具有較好的全向性，可供工程研究或實踐參考[15-18]。

1 天線的設計與結構

提出的同軸饋電UWB天線的幾何結構如圖1(a)所示，天線印刷在相對介電常數為 4.4、厚度為 1.6 mm 的 FR4 介質板上，并且天線輻射單元通過微帶線轉到同軸進行饋電。天線的輻射單元由7個完全相同的橢圓單極子組成，橢圓的軸比為0.3，介質板中線兩邊的3個橢圓關于介質板中線嚴格對稱，相鄰2個橢圓之間的夾角α=10°，與天線輻射單元相連的是阻抗為50 Ω的微帶線，微帶線的長度和寬度分別為L1和W1。圖1中深色部位為地板，接地板的尺寸為W×L2。通過把7個橢圓單極子組合起來增大天線輻射單元上的電流分布，進而改善傳統橢圓單極子的阻抗帶寬，提高改進天線的工作帶寬，達到UWB無線通信的要求。

(b) 天線設計過程圖1 天線的結構與設計過程Fig.1 Structure and design process of the antenna

圖1(b)給出了同軸饋電UWB天線的設計過程。Ant1是傳統的橢圓單極子天線，其仿真的回波損耗如圖2中的Ant1曲線所示，可以看出，單極子天線的頻帶寬度很窄，很難做到寬帶的特性。為了增加天線的頻帶寬度，可增大橢圓單極子貼片表面電流的傳播路徑。Ant2是沿介質板中線分別在橢圓單極子兩邊增加2個尺寸完全一致的橢圓得到的，以此類推，可以得到最終設計的UWB天線Ant4。

圖2 4副天線的S參數Fig.2 S-parameter of four antennas

圖2給出了4款天線的回波損耗S11仿真的對比結果。從圖中可以很明顯地發現，在輻射單元表面積增大的同時，天線的阻抗帶寬逐漸滿足UWB性能要求。

一種同軸饋電UWB天線的具體結構參數為：W=24.0 mm,L=30.0 mm,W1=1.6 mm,L1=3.4 mm,L2=9.5 mm,L3=6.5 mm,a=10 mm,b=3.0 mm,a=10°，h=1.6 mm。

2 UWB天線的仿真與分析

圖2中曲線Ant4為本文所提出UWB天線的輸入回波損耗仿真曲線。由圖2可知，該天線在3.09～11.10 GHz頻帶內滿足回波損耗S11≤-10 dB，帶寬為8.01 GHz，相對帶寬為112.9%。同時，從仿真的回波損耗曲線可以看出，天線在整個工作頻帶內有4個諧振點：3.62，6.68，9.02，10.8 GHz。

在設計天線過程中，分析天線橢圓之間夾角、接地板和橢圓軸比對天線性能的影響，通過參數對性能的分析可以方便地完成UWB天線的設計。圖3給出了在其他參數不變的情況下，天線參數α，L2和a/b與UWB性能之間的關系。從圖3 (a)可以看出，橢圓間夾角α關系到天線的UWB帶寬，隨著夾角α的增大，帶寬相對在變窄；從圖3 (b)可以看出，接地板的長度對天線的性能影響很大，微小的變化就會惡化天線的帶寬；從圖3 (c)可以看出，橢圓的軸比增大，天線性能變好，但帶寬變窄。綜合參數的分析結構，并結合天線的整體性能，最終選擇夾角為α=10°。

(a) 夾角α

(b) 接地板長度L2

(c) 橢圓軸比 b/a

為了考察天線的輻射特性，圖4給出了天線在3.5，5.5，8.5，10.5 GHz四個頻點上的E面(YOZ)和H面(XOY)仿真方向圖。從圖4中可以看出，在低頻段處，天線H面方向圖具有全向的輻射特性，天線E面方向圖呈現“8”字型；隨著頻率的升高，輻射單元表面的電流分布發生大的變化，天線的輻射方向圖也發生畸變，但是從圖4(a)和圖4(b)可以看出，天線在E面(XOZ)還是表現出類似“8”字型、H面(XOY)類似圓形的輻射特性。所以，提出的UWB天線在整個工作頻段內的輻射特性與傳統的單極子天線的輻射特性非常接近。

(a) E面

(b) H面圖4 天線仿真方向圖Fig.4 Simulated radiation pattern of the proposed antenna

圖5為所設計天線在+x軸方向上的增益仿真曲線。由圖5可知，該天線在阻抗帶寬內的平均增益為3.40 dBi，天線在4.7 GHz時取得最大增益4.92 dBi，天線在7.3 GHz時取得最小增益2.15 dBi。由此可見，天線在整個頻帶內具有較穩定的輻射增益，能夠保證對無線通信信號的有效傳輸。

圖5 天線的增益Fig.5 Gain of the proposed antenna

本文所提出的天線與部分文獻所設計天線的比較如表1所示。在滿足UWB通信頻段要求的前提下，本文所提出的天線在尺寸和結構上都有相當的優勢，尺寸遠小于文獻[6，10]中的天線，結構上優于文獻[2，7-8]中所設計的天線。因此，綜合以上分析，由天線回波損耗、方向圖的仿真結果表明，本文提出的同軸饋電UWB天線具有尺寸小和頻帶寬等特點，有一定的使用價值和應用前景。

表1 UWB天線比較Tab.1 Comparison of UWB antennas

3 結束語

本文設計了一種同軸饋電的UWB天線。天線輻射單元通過微帶線轉同軸進行饋電，并且通過7個完全相同的橢圓單極子，實現UWB特性。仿真結果表明，天線的阻抗帶寬(S11≤-10 dB)為3.09～11.10 GHz，覆蓋了UWB范圍，可應用于UWB無線通信系統中。同時，這種天線在整個工作頻率范圍內具有良好的全向輻射方向特性，可以為同軸饋電的UWB微帶天線設計提供一個有效的方法。此外，也能為UWB陷波天線的設計提供一個基本設計方案。