張 倩,劉運(yùn)林,李智勇,王匯龍

（西南交通大學(xué)電磁場與微波研究所,成都 610031）

一種改進(jìn)的小型化超寬帶平面倒錐縫隙天線

張 倩,劉運(yùn)林,李智勇,王匯龍

（西南交通大學(xué)電磁場與微波研究所,成都 610031）

提出了一種改進(jìn)的超寬帶平面倒錐縫隙貼片天線,通過調(diào)整倒錐縫隙和倒錐貼片的形狀,在更小尺寸條件下,實(shí)現(xiàn)了超寬帶性能。天線總體尺寸為40 mm×40mm×1.5 mm。采用仿真軟件分析了該天線的阻抗帶寬、輻射方向圖及增益特性。結(jié)果顯示,該天線的回波損耗小于-10 dB的帶寬為2.2GHz到大于16GHz,在低頻段具有全向性,在3～14 GHz頻段增益隨頻率的變化在4～7 dB之間。

超寬帶天線;平面倒錐型天線;縫隙天線;小型化

1 引 言

隨著寬帶無線通信系統(tǒng)的發(fā)展,超寬帶系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展。自2002年聯(lián)邦通信委員會將3.1～10.6 GHz分配給超寬帶商業(yè)服務(wù)后,超寬帶天線也因此得到了更廣泛的關(guān)注。平面倒錐型天線（PICA）是Suh等人提出的一種超寬帶平面天線[1-2],它具有超寬帶、全向輻射的特性。PICA天線安裝在一個(gè)大底板上,是一種基本單極子天線,而輻射單元進(jìn)行了仔細(xì)的裁剪,形成了更高的諧振模式,因此得到了很寬的帶寬。然而PICA天線尺寸較大,需要進(jìn)一步減小。文獻(xiàn)[3]中的PICA天線變形形式說明去掉底板可以使天線能更好地與電子設(shè)備集成。文獻(xiàn)[4,5]中提出的天線都是具有較小尺寸的改進(jìn)的PICA天線,但沒有達(dá)到超寬帶的性能。文獻(xiàn)[6]中,S.Cheng和A.Rydberg提出了一種基于PICA概念的印制縫隙天線,該天線實(shí)現(xiàn)了超寬帶的特性,天線集成于一個(gè)兩層PCB板,最大尺寸為60 mm,相當(dāng)于0.44 λ（λ為帶寬最低頻率對應(yīng)的工作波長）,但是這個(gè)尺寸相對現(xiàn)在的移動設(shè)備仍較大。

為了進(jìn)一步減小天線尺寸,本文提出了一種改進(jìn)的小型超寬帶平面倒錐縫隙天線,采用仿真軟件仿真分析了該天線的阻抗帶寬、輻射方向圖及增益特性,并分析了天線結(jié)構(gòu)中的一些參數(shù)對天線阻抗帶寬性能的影響。

2 天線結(jié)構(gòu)

本文所提出的超寬帶平面倒錐縫隙天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。建立笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)于天線的上表面,即上表面位于x-y平面。天線主要由兩部分組成:具有扇形縫隙的金屬底板和與微帶線相接的扇形金屬結(jié)構(gòu)。帶有扇形縫隙的底板和上層貼片結(jié)構(gòu)分別印制在高度為1.5 mm的RO3003基板兩面,基板相對介電常數(shù)為3,介質(zhì)損耗角正切為0.001 3。扇形縫隙是由半個(gè)橢圓形和一個(gè)等腰三角形組成的。天線上層金屬結(jié)構(gòu)同樣采用了半個(gè)橢圓與一個(gè)等腰三角形的組合,只是尺寸更小。底板橢圓底部與上層橢圓底部的水平距離為g。天線饋電采用了50 Ψ的微帶饋線。通過調(diào)整扇形縫隙的尺寸、上層金屬結(jié)構(gòu)的尺寸,以及饋線的尺寸,我們得到了一種具有超寬帶的阻抗帶寬、低頻段全向輻射的改進(jìn)的小型超寬帶平面倒錐縫隙天線。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the antenna

3 仿真結(jié)果與分析

天線印制在高度為1.5 mm的 RO3003基板上,其總體尺寸為40 mm×40 mm×1.5 mm,相較于采用半圓和等腰三角形組合的類似天線[6],尺寸縮小了1/3,天線最大尺寸為40 mm,相當(dāng)于0.3λ。優(yōu)化后的各參數(shù)值為:L=40 mm,W=40 mm,h=1.5 mm,L1=6 mm,L2=8 mm,W1=16 mm,Ls=3 mm,L3=9.7 mm,L4=25.1 mm,W2=35.9 mm,g=1 mm,Wf=3.7 mm。

3.1 阻抗匹配

圖2是該天線隨頻率變化的回波損耗曲線。由圖可知,天線滿足回波損耗小于-10 dB的帶寬為2.2 GHz到大于16 GHz,達(dá)到了超寬帶的要求。天線在帶寬范圍內(nèi)具有若干個(gè)諧振點(diǎn),這些諧振點(diǎn)是由天線上層貼片、底板縫隙以及它們之間的耦合產(chǎn)生的。

圖2 平面倒錐縫隙天線的回波損耗曲線圖Fig.2 VSWR curve of the antenna

3.2 輻射方向圖與增益

在天線帶寬范圍內(nèi),選取了4個(gè)頻率點(diǎn)對天線的輻射方向圖性能進(jìn)行分析。圖3～6是天線分別在3 GHz、5 GHz、7 GHz和10 GHz的輻射方向圖 ,圖中“o”標(biāo)記為共面極化曲線,“x”標(biāo)記為交叉極化曲線。從圖中可知,低頻時(shí)天線在H面具有全向性,但隨著頻率的提高,出現(xiàn)雙向性,在更高的頻率時(shí)出現(xiàn)了旁瓣,交叉極化也逐漸增大。天線的E面方向圖呈現(xiàn)雙向性,有較高的交叉極化,主要是由于天線沿y軸的電流分布具有不對稱性。

圖7是在3～14 GHz帶寬范圍內(nèi)取點(diǎn)得到的增益曲線圖,由圖可知該天線增益變化比較平坦,在3～14 GHz內(nèi),增益變化在 4～7 dB之間,適用于超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用。

圖3 3GHz時(shí)的輻射方向圖Fig.3 Radiation patterns at 3 GHz

圖4 5 GHz時(shí)的輻射方向圖Fig.4 Radiation patterns at 5 GHz

圖5 7GHz時(shí)的輻射方向圖Fig.5 Radiation patterns at 7GHz

圖6 10GHz時(shí)的輻射方向圖Fig.6 Radiation patterns at 10GHz

3.3 參數(shù)分析

此外,本文還從阻抗帶寬的角度分析了天線結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)對天線性能的影響。圖8～11分別給出了天線參數(shù)W1、W2、L2和L4對天線阻抗帶寬性能的影響。

圖8 參數(shù)W1對天線阻抗帶寬性能的影響Fig.8 Effect of W1 of the proposed antenna on the impedance matching

圖9 參數(shù)W2對天線阻抗帶寬性能的影響Fig.9 Effect of W2 of the proposed antenna on the impedance matching

圖10 參數(shù)L2對天線阻抗帶寬性能的影響Fig.10 Effect of L2 of the proposed antenna on the impedance matching

圖11 參數(shù)L4對天線阻抗帶寬性能的影響Fig.11 Effect of L4 of the proposed antenna on the impedance matching

從圖中可知,參數(shù)W1主要影響阻抗帶寬的中高頻段,隨著W1的減小,中頻段回波損耗逐漸減小,而高頻段回波損耗逐漸增大。參數(shù)W2主要影響阻抗帶寬的中低頻段,和各諧振頻率點(diǎn)的位置。參數(shù)L2主要影響阻抗帶寬的低頻段,隨著L2的增大,低頻段回波損耗也逐漸增大。參數(shù)L4主要影響帶寬的中高頻段。其它參數(shù)也對天線的阻抗帶寬性能有較小的影響,通過優(yōu)化它們可以使天線的阻抗帶寬匹配得更好。

4 結(jié) 論

本文提出了一種適用于超寬帶應(yīng)用、微帶饋電的改進(jìn)的小型化超寬帶平面倒錐縫隙天線。該天線以PICA天線為基礎(chǔ)概念,結(jié)合縫隙天線,主要包括分別印制在介質(zhì)基板兩面的兩部分:具有扇形縫隙的金屬底板和與微帶饋線相接的扇形金屬結(jié)構(gòu)。本文通過調(diào)整天線結(jié)構(gòu)中兩個(gè)扇形的形狀,實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。天線總體尺寸為40 mm×40 mm×1.5 mm,最大尺寸40 mm相當(dāng)于0.3λ?；夭〒p耗低于-10 dB的工作頻率為2.2 GHz到大于16GHz,在低頻段內(nèi)具有全向輻射性能,并在3～14 GHz內(nèi)保持了4～7 dB的增益性能。該天線結(jié)構(gòu)簡單,便于制作和集成于移動通信設(shè)備中。天線的尺寸仍可通過改變基板材質(zhì)進(jìn)一步小型化,將在后續(xù)工作中進(jìn)行相關(guān)方面的研究。

[1] Suh S Y.A comprehensive investigation of new p lanar wideband antennas[D].Blacksburg,VA,USA:Virginia Polytech nical Institute State University,2002.

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A Modified M iniature Ultrawideband（UWB）Printed PICA-like Slot Antenna

ZHANG Qian,LIU Yun-lin,LI Zhi-yong,WANG Hui-long
（Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

A modified ultrawideband（UWB）printed PICA（Planar Inverted Cone Antenna）-like slot antenna is presented.Through adjusting the shape of the solt and the patch,the proposed antenna performances an ultrawideband characteristic with the overall size of 40 mm×40 mm×1.5 mm.The impedance bandwidth,radiation patterns and gain are simulated.The results show that the proposed antenna achieves good impedance matching over an operating bandw idth of 2.2 GHz to more than16 GHz.Good omnidirectional pattern isobtained at lower frequencies,and consistent gain（4～7 dB）is over 3～14 GHz.

u ltrawideband（UWB）antenna;planar inverted cone antenna（PICA）;slot antenna;m iniature

The Science and Technology Innovation Fund of Ministry of Education

TN823

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.018

1001-893X（2010）11-0085-05

2010-07-02;

2010-09-21

教育部科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目

張 倩（1987-）,女,山西高平人,2009年于西南交通大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為西南交通大學(xué)電磁場與微波研究所碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì);

ZHANG Qianwasborn inGaoping,Shanxi Province,in 1987.She

the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.She is now a graduate student in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.Her research direction is antenna theory and design.

Email:xqsnow@126.com

劉運(yùn)林（1965-）,男,四川人,1997年于西南交通大學(xué)電磁所獲博士學(xué)位,現(xiàn)為西南交通大學(xué)教授、博導(dǎo),主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì);

LIU Yun-lin was born in Sichuan Province,in 1965.He received the Ph.D.degree from Southwest Jiaotong University in 1997.He is now a professor and Ph.D.supervisor in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.His research direction is antenna theory and design.

李智勇（1986-）,男,內(nèi)蒙古商都人,2009年于西南交通大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為西南交通大學(xué)電磁場與微波研究所碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì);

LI Zhi-yong was born in Shangdu,Neimenggu Autonomous Region,in1986.He received the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.He is now a graduate student in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.His research direction is antenna theory and design.

王匯龍（1986-）,男,云南人,2009年于西南交通大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為西南交通大學(xué)電磁場與微波研究所碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)。

WANG Hui-long wasborn in Yunnan Province,in 1986.He received the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.He is now a graduate student in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.H is research direction is antenna theory and design.