一種新型超寬帶天線的設(shè)計

郁 劍，郝哲軒

(南京工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)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(lián)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(zhǔn)用于民用通信。這一舉措使得UWB無線通信技術(shù)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。由于天線在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)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(guān)注。

文獻[2]中提到，提高天線帶寬的常規(guī)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(wǎng)絡(luò)。但在增加天線帶寬的同時，天線的尺寸增大、結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。所以，為了能夠同時實現(xiàn)UWB性能，又能縮小尺寸簡化結(jié)構(gòu)，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(shù)[7-8]來拓展天線帶寬、縮小天線尺寸和實現(xiàn)新的場景應(yīng)用[9-10]。文獻[7]介紹了利用嵌套分形結(jié)構(gòu)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(shè)計的UWB天線，實現(xiàn)了寬帶和穩(wěn)定的輻射模式。同時，隨著UWB天線的尺寸越來越小，其應(yīng)用范圍也越來越廣，如應(yīng)用于可穿戴設(shè)備[4]、汽車通信[9]和未來無線網(wǎng)絡(luò)[10]等。但是，這些天線有個共同點就是其結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜。

為了設(shè)計一個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)具有較好的全向性，可供工程研究或?qū)嵺`參考[15-18]。

1 天線的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

提出的同軸饋電UWB天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，天線印刷在相對介電常數(shù)為 4.4、厚度為 1.6 mm 的 FR4 介質(zhì)板上，并且天線輻射單元通過微帶線轉(zhuǎn)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(zhì)板中線兩邊的3個橢圓關(guān)于介質(zhì)板中線嚴(yán)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(tǒng)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(shè)計過程圖1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)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(shè)計過程。Ant1是傳統(tǒng)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(zhì)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(shè)計的UWB天線Ant4。

圖2 4副天線的S參數(shù)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(jié)果。從圖中可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)參數(shù)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(nèi)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(nèi)有4個諧振點：3.62，6.68，9.02，10.8 GHz。

在設(shè)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(shù)對性能的分析可以方便地完成UWB天線的設(shè)計。圖3給出了在其他參數(shù)不變的情況下，天線參數(shù)α，L2和a/b與UWB性能之間的關(guān)系。從圖3 (a)可以看出，橢圓間夾角α關(guān)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(shù)的分析結(jié)構(gòu)，并結(jié)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(xiàn)“8”字型；隨著頻率的升高，輻射單元表面的電流分布發(fā)生大的變化，天線的輻射方向圖也發(fā)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(xiàn)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(nèi)的輻射特性與傳統(tǒng)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(shè)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(nèi)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(nèi)具有較穩(wěn)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(shè)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(jié)構(gòu)上都有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，尺寸遠小于文獻[6，10]中的天線，結(jié)構(gòu)上優(yōu)于文獻[2，7-8]中所設(shè)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(jié)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(yīng)用前景。

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

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種同軸饋電的UWB天線。天線輻射單元通過微帶線轉(zhuǎn)同軸進行饋電，并且通過7個完全相同的橢圓單極子，實現(xiàn)UWB特性。仿真結(jié)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(yīng)用于UWB無線通信系統(tǒng)中。同時，這種天線在整個工作頻率范圍內(nèi)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(shè)計提供一個有效的方法。此外，也能為UWB陷波天線的設(shè)計提供一個基本設(shè)計方案。