賈登權(quán)　史志緯

摘 要：目前超寬帶無(wú)線通信成為研究的熱點(diǎn),同時(shí)對(duì)天線的研究提出新的挑戰(zhàn)。提出了一種小型超寬叉形微帶天線結(jié)構(gòu),首次采用對(duì)地板做開(kāi)一個(gè)半圓形縫隙處理,提高了天線輻射性能,而對(duì)其他參數(shù)影響不大。通過(guò)數(shù)值模擬,該天線主抗帶寬為3.5~14 GHz,基本覆蓋了FCC建議的頻段。其在XZ面具有良好的全向,在YZ平面輻射圖具有很好的穩(wěn)定性。此天線結(jié)構(gòu)具有良好的輻射特性,基本滿足了超寬帶通信對(duì)天線的要求。

關(guān)鍵詞：微帶天線;半圓縫隙;超寬帶;輻射圖

中圖分類號(hào)：TN820.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-041-02

A Novel Ultra-wideband Microstrip Antenna

JIA Dengquan,SHI Zhiwei

(Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract：At present,the Ultra-Wideband(UWB) wireless communication becomes research hotspot,a new challenge to the antenna's research is needed.A new kind of small UWB fork-shaped microstrip antennas is proposed,a semicircle slit processing on the ground is first adopted,the antenna radiation has been enhanced,but it has not big influence to other parameter.Through the numerical simulation,this antenna bandwidth is 3.5~14 GHz,the FCC suggestion frequency band is covered basically.It has good omnidirectional in the XZ plane,and has very good stability radiation pattern in the YZ plane.This antenna has a good radiation characteristic,and basically has satisfied the ultra-wide band request to the antennas.

Keywords：microstrip antenna;semicircle slit;UWB;radiation patterns

0 引 言

伴隨著移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是一些可攜帶移動(dòng)通信設(shè)備的需求,小型化超寬印刷微帶天線的研究技術(shù)得到快速發(fā)展。美國(guó)通信委員會(huì)于2002年將3.1~10.6 GHz頻段作為超寬通信使用,使超寬天線技術(shù)的研究成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

大量的不同類型超寬帶平面微帶單集子天線出現(xiàn)在相關(guān)文獻(xiàn)中,如矩形、橢圓形、圓形、多面形［1］等,但是有的很難與其他的微波器件集成在一起［2］。最近有些文獻(xiàn)提出了對(duì)地開(kāi)矩形縫隙的處理［3,4］,提高了主抗帶寬。文獻(xiàn)提出了對(duì)貼片開(kāi)縫隙提高YZ平面輻射特性的一種方法,但其主抗帶寬較小。在此提出了一種新型叉形結(jié)構(gòu)單集子微帶天線,通過(guò)對(duì)原始五邊形貼片結(jié)構(gòu)進(jìn)化、優(yōu)化,使得主抗帶寬在3.5~14 GHz。特別是對(duì)地做半圓形縫隙的處理,提高了天線的輻射特性,而未對(duì)主抗帶寬形成較大影響。通過(guò)應(yīng)用電磁高頻仿真軟件HFSS的仿真,此天線結(jié)構(gòu)在3.5~8 GHz的頻段內(nèi),其XZ面具有良好的全向性,并且在YZ面具有類偶集子輻射特性,在這個(gè)頻段內(nèi),其輻射特性有較好的穩(wěn)定性。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真中的天線應(yīng)用相對(duì)介電常數(shù)為4.4,tan σ=0.02的FR-4介質(zhì),其厚度 h=1 mm,其尺寸為Wg=25 mm,L=25 mm,通過(guò)微帶饋電。利用高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真、優(yōu)化,其最終結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

天線各個(gè)參數(shù)分別如下：Lg=8.5 mm,L1= 14.5 mm,L2=12.5 mm,L3=4 mm,W1=4 mm, W2=3.1 mm,W3=1.5 mm,W4=2.5 mm,W5= 1.8 mm,其中對(duì)地開(kāi)了一個(gè)小半圓縫隙,其半徑R= 0.9 mm?？梢钥闯龃颂炀€結(jié)構(gòu)能夠很好地和其他的微波電路集成在一起,饋線的主抗設(shè)置為50 Ω,1.8 mm×10 mm。

2 仿真結(jié)果

如圖2所示,其阻抗帶寬為3.5~14 GHz,其中心頻率為8.25 GHz?？梢钥闯龃私Y(jié)構(gòu)具有兩個(gè)諧振點(diǎn),分別是4.27 GHz和8.34 GHz。地板的半圓縫隙降低了5~8.2 GHz這個(gè)頻段的s 11參數(shù),對(duì)12~14 GHz有明顯的影響,但對(duì)其他的頻段沒(méi)有什么影響?？梢?jiàn)地板的半圓形縫隙的引入對(duì)s 11參數(shù)影響不大。

圖2 地板的半圓縫隙對(duì)Retrun Loss的影響

圖3是對(duì)地開(kāi)半圓縫隙與未做處理的輻射圖對(duì)比,可以看出在XZ,YZ面的輻射圖均有很大改善。在XZ

平面半圓縫隙對(duì)低頻影響較大,降低了增益,使得增益在這個(gè)頻段內(nèi)變化比較平滑。在YZ平面,半圓形縫隙對(duì)90°,270°影響較大,使得在這個(gè)角度范圍內(nèi)增益變化較小,而對(duì)其他角度沒(méi)有太大影響。同樣半圓縫隙在YZ面對(duì)低頻段也有較大的影響,提高了0°,180°輻射增益,降低了90°,270°的輻射增益,使得整體輻射具有較好的穩(wěn)定性,對(duì)高頻段影響較小?？赡馨雸A縫隙產(chǎn)生了低頻斷諧波,使得XZ,YZ 平面變化均較平滑。表1列出了4~8 GHz內(nèi),XZ平面的最高增益和最低增益。

表1 4~8 GHz內(nèi)XY平面的最高增益和最低增益

頻率 /GHz最高增益 /dB最低增益 /dB

42.781.59

52.941.37

63.151.08

730.24

82.32-1.3

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)天線各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化,以及在地平面開(kāi)了一個(gè)半圓形縫隙,提高了天線輻射特性,該天線結(jié)構(gòu)在 4~ 8 GHz內(nèi),在XZ平面具有良好的全向性；在YZ平面具有類偶集子輻射特性。

圖3 三個(gè)頻率仿真的輻射圖結(jié)果

參考文獻(xiàn)

［1］Antonino-Daviu E,Cabedo-Fabres M.Wide Double-fed Planar Monopole Antennas.Electronic Letter,2003,39(23).

［2］Ammann M J,Chen Z N.A Wideband Monopole Antennas for Mutil-band Wireless Systems.IEEE Atennas and Propagation Magazine,2003,45(2).

［3］Jihak jung,Wooyong Choi.A Small Wideband Microstrip-fed Monopole Antenna.IEEE Microswave and Wireless Componetes Leters,2005,15(10).

［4］Bao X L,Ammann M J.Printed Band-Rejection UWB Antenna with H-shaped Slot.Antenna Technology:Small and Smart Artennas Metamaterials and Applications,IWAT′07,2007:319-322.

［5］Wang Junjun,Sun Xiaobing.UWB Circular Monopole Omininidirectional Atenna with a Slot for Radiation Pattern Improvement.Ultra-wideband 2007,ICUWB 2007,IEEE International Conference on,2007:478-482.

［6］毛胤電,陳董.寬縫結(jié)構(gòu)超寬帶天線的設(shè)計(jì)［J］.山西電子技術(shù),2007(4):54-56.

［7］宋朝暉,祁嘉然,邱景輝,等.圓盤單極超寬帶天線特性研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007(1):26-30.

［8］陳董,程崇虎.寬縫結(jié)構(gòu)超寬帶天線的研究［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,26(2):72-75.

［9］肖志文,盧萬(wàn)錚,何建國(guó),等.一種平面超寬帶天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其分析［J］.微波學(xué)報(bào),2006(4):36-40.

［10］程勇,呂文俊,程崇虎,等.一種小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào),2006(4):582-585,631.

［11］呂文俊,朱洪波.具有陷波功能的超寬帶縫隙天線的設(shè)計(jì)與研究［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2007,2(4):349-353.

作者簡(jiǎn)介賈登權(quán) 研究方向?yàn)樘炀€理論與工程。