袁海軍, 馬云輝

摘 要：為了優(yōu)化超寬帶天線的阻抗帶寬，提出了一種改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線，通過(guò)增加階梯形缺口及采用部分接地面從而改善超寬帶阻抗匹配。測(cè)量結(jié)果表明，天線的輸入阻抗帶寬達(dá)74.7%(3.45~7.56 GHz)，同時(shí)數(shù)值仿真表明在y-z和x-z平面方向圖呈對(duì)稱分布。

關(guān)鍵詞：超寬帶天線； 杠鈴形天線； 部分接地面; 數(shù)值仿真; 方向圖

中圖分類號(hào)：TN822-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0057-03

An Improved Barbell-shape UWB Antenna

YUAN Hai-jun, MA Yun-hui

(Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, China)

Abstract： In order to optimize the impedance bandwidth of ultra-wide band (UWB) antenna, a kind of improved barbell-shape UWB antenna is proposed. The impedance matching of UWB is improved by adding the stepped appearance gaps and adopting the partial ground plane. The measured results shows that input impedance bandwidth of the improved antenna is up to 74.7% (3.45～7.56 GHz). The symmetrical distribution in the y-z and x-z planes of radiation patterns are obtained by numerical simulation.

Keywords： UWB antenna; barbell-shape antenna; partial ground plane; numerical simulation; radiation pattern

0 引 言

超寬帶(UWB)技術(shù)作為一種無(wú)線通信技術(shù)，在短距離室內(nèi)高速無(wú)線通信方面也受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。根據(jù)FCC規(guī)定，將3.1~10.6 GHz之間的7.5 GHz頻段分配給超寬帶通信業(yè)務(wù)使用。在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶天線是關(guān)鍵部件，因此，相當(dāng)多的研究者致力于超寬帶天線的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高的數(shù)據(jù)傳輸速率、低功耗、簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)，如射頻識(shí)別、傳感器網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、定位跟蹤等［1］。

近來(lái)許多研究集中在分形天線，分形天線的優(yōu)點(diǎn)如尺寸小、重量輕、厚度薄正好滿足手持設(shè)備的要求，采用分形概念是天線原理與設(shè)計(jì)很有前景的研究方向之一［2］，許多研究者對(duì)分形天線做出了積極的研究，如帶有分形雙枝樹縫隙的雙波段開(kāi)槽共面波導(dǎo)饋電天線［3］，采用分形概念的樹形超寬帶天線［4-5］和超寬帶杠鈴形天線［6］，Sierpinski分形天線［7-9］和snowflake分形天線［10］等。這些天線通過(guò)采用不同結(jié)構(gòu)的分形特性，能得到更好的阻抗匹配帶寬和輻射方向圖。

本文在超寬帶杠鈴形天線基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)措施，從而獲得更好的阻抗帶寬，天線采用部分接地技術(shù)［11］和分形概念。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杠鈴形及改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，圖中給出了天線的頂視和側(cè)視圖，輻射單元長(zhǎng)度為W0，寬度為L(zhǎng)0，饋線寬度Wf，長(zhǎng)度為L(zhǎng)f，輻射單元蝕刻在FR4基板上(厚度h=1.5 mm，εr=4.4)，基板尺寸為L(zhǎng)sub×Wsub，天線背面有部分接地面，尺寸為L(zhǎng)g×Wsub。改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線是在圖1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上蝕刻出臺(tái)階形缺口，對(duì)應(yīng)缺口的尺寸為W1,W2,…,W5和L1,L2,…,L5，天線輻射單元位于x-y平面，輻射單元厚度方向?qū)?yīng)x-z平面。

天線尺寸如下：W0=16 mm，L0=21 mm，Wf=2.8 mm，Lf=16 mm，Lsub=70 mm，Wsub=40 mm，Lg=9 mm。

對(duì)于圖2，W1=10 mm,W2=8 mm,W3=6 mm,…,W5=2 mm，其依次按2 mm遞減，L1=5 mm,L2=4 mm,L3=3 mm,…,L5=1 mm，其依次按1 mm尺寸遞減，其他尺寸與圖1相同。

2 天線仿真

按照?qǐng)D1和圖2尺寸采用HFSS 10.0進(jìn)行了仿真，回波損耗仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鰣D2的回波損耗低于圖1，圖2天線回波損耗小于-10 dB帶寬為72.6%(3.48~7.45 GHz)；按照?qǐng)D2結(jié)構(gòu)加工出改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線，饋電采用50 Ω同軸側(cè)饋，回波損耗實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示，回波損耗小于-10 dB,帶寬為74.7%(3.45~7.56 GHz)。

圖1 杠鈴形超寬帶天線(結(jié)構(gòu)1)

圖2 改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線(結(jié)構(gòu)2)

圖3 |S11|仿真與測(cè)量結(jié)果

圖4和圖5分別為圖1,圖2結(jié)構(gòu)時(shí)天線在x-z,y-z平面方向圖(對(duì)應(yīng)頻率4 GHz,5 GHz和6 GHz)，可以看出兩種結(jié)構(gòu)的天線Eθ基本重合，而Eφ的大小在-20~-15 dB以下，從圖中可看出兩種結(jié)構(gòu)天線方向圖基本一致。

從圖4和圖5方向圖可以看出，在z軸(θ=0°)和-z軸(θ=180°)近似為零點(diǎn)，而最大輻射方向不在θ=90°方向。

圖6為對(duì)應(yīng)頻率f=4 GHz,6 GHz時(shí)的三維方向圖及加工的實(shí)物照片，頻率為5 GHz及4 GHz時(shí)方向圖相似，頻率為4 GHz時(shí)，增益為3.47 dB，頻率為6 GHz時(shí)，增益為3.15 dB。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)天線在x-z平面方向圖

圖5 兩種結(jié)構(gòu)天線y-z平面方向圖

圖6 三維方向圖及實(shí)物照片

3 結(jié) 論

提出了一種改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線，通過(guò)在杠鈴形天線上增加階梯形缺口，使天線回波損耗更小，而天線方向圖與原杠鈴形天線基本一致，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線回波損耗小于-10 dB，帶寬達(dá)74.7%(3.45~7.56 GHz)。

參考文獻(xiàn)

［1］DENG Hong-wei, HE Xiao-xiang, YAO Bin-yan, et al. A compact square-ring printed monopole ultra wideband ante-nna [C]// Proceedings of ICMMT. [S.l.]: ICMMT, 2008:14-20.

［2］WERNER D H, GANGULY S. An overview of fractal antenna engineering research [J]. Antennas Propag. Mag., 2003, 45: 38-57.

［3］FALAHATI A, NAGHSHVARIAN-JAHROMI M, EDWARDS R M. Dual band-notch CPW-ground-fed UWB antenna by fractal binary tree slot [C]// Proceedings of 2009

Fifth International Conference on Wireless and Mobile Communication. [S.l.]: ICWMC, 2009: 385-390.

［4］SONG Hyo-Won, AN Hee-Soon, LEE Jung-Nam. Design of the tree-shaped UWB antenna using fractal concept [C]// Proceedings of 2007 Mirowave conference. Korea: KJMW, 2007: 73-76.

［5］RMILI H, MRABET O E, ELOC′h J M, et al. Study of an electrochemically-deposited 3-D random fractal tree-monopole antenna [J]. IEEE Transactions on Antenna and Pro-pagation, 2007, 55: 1045-1050.

［6］WANG Peng, WANG An-guo, DONG Jia-wei. Design of the UWB antenna using fractal concept [C]// Proceedings of 2008 8th Internation Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory. [S.l.]: ISAPEMT, 2008: 189-192.

［7］HWANG K C. A Modified sierpinski fractal antenna for multiband application [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2007,6: 357-360.

［8］KINGSLEY N, ANAGNOSTOU D E, TENTZERIS M, et al. RF MEMS sequentially reconfigurable sierpinski antenna on a flexible organic substrate with novel DC-biasing technique [J].

Microelectromechanical Systems, 2007, 16: 1185-1193.

［9］VEMAGIRI J, BALACHANDRAN M, AGARWAL M, et al. Development of compact half- Sierpinski fractal antenna for RFID application [J]. Electronics Letters, 2007, 43 (22): 1168-1169.

［10］MIRZAPOUR B, HASSANI H R. Size reduction and bandwidth enhancement of snowflake fractal antenna [J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2008, 2: 180-187.

［11］CHOI S H, PARK J K, KIM S K, et al. A new ultra-wideband antenna for UWB applications [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2004, 40: 399-401.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文