萬小鳳，鄭宏興，王曉輝

（天津職業(yè)技術師范大學天線與微波技術研究所，天津 300222）

隨著無線通信技術的快速發(fā)展以及雷達、預警、導彈制導等軍事技術的不斷進步，工業(yè)界及軍工系統(tǒng)對天線的結構類型、性能參數(shù)、裝配方式以及尺寸大小等技術指標都提出了許多新的要求，高性能天線的潛在需求進一步推動了天線技術的發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的超寬帶天線一般用平面金屬板向外輻射，并帶有與輻射板垂直的較大尺寸的接地板結構，其體積大、應用不方便[2]，而印刷超寬帶天線兼具天線小型化優(yōu)勢，同時滿足超寬帶通信的特定要求[3]。超寬帶天線的設計方法主要有3種[4]。①多諧振法：通過增加天線的諧振頻率來展寬工作帶寬。多諧振法是對窄帶天線進行改進，通過引入多個不連續(xù)諧振點，改變天線邊緣衍射場的相位分布關系，進而減小天線諧振時的品質因數(shù)，以此實現(xiàn)展寬天線帶寬的目的[5]。②電小尺寸輻射法：在天線的結構中只允許有一個與波長相比物理尺寸很小的輻射區(qū)，在很寬的頻率范圍內產生相同的輻射區(qū)域。電小尺寸輻射法可以應用到不規(guī)則印刷天線的設計中，但其有一個缺點就是天線的增益和遠場輻射特性會對頻率有較強的依賴性。③相似輻射法：在很寬的頻率范圍內對天線進行相似輻射結構設計，天線輻射特性與頻率無關，可以在很寬的頻段內工作。本文對超寬帶印刷天線設計進行討論。

1 超寬帶天線分析

超寬帶天線的饋電方式一般有3類：共面波導饋電、微帶饋電、同軸饋電，如圖1所示。共面波導饋電將接地面和輻射單元放置在同一個面上，饋電的結構相當于對同軸線的平面化，同時接地面本身也可以看作是輻射體的一部分[6]。微帶饋電又叫邊饋[7]，這種饋電方式在介質板的兩面都有金屬，背面的金屬主要是起到微帶線地板的作用。同軸饋電[7]是超寬帶單極天線早期常見的一種饋電方式，其結構比較簡單，在較大的金屬平面板上豎立起一塊與其垂直的金屬輻射單元，底部用同軸線饋電，它的H面方向圖近似全向，E面方向圖類似蝴蝶形狀[6]。這類天線帶寬性能好，增益也較大，全向性也較好，缺點就是體積比較大，不易集成化。采用共面波導和微帶線饋電的超寬帶天線具有體積小、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點，本文采用的是微帶線饋電。

圖1 不同饋電類型的天線

超寬帶印刷單極子天線的輻射貼片可以做成各種各樣的形狀，比如三角形[6]、圓形[8]、橢圓形[9]、矩形[10]、八邊形[11]等，可以很方便地改變其阻抗帶寬和輻射特性。以往的研究表明，提高超寬帶印刷單極子天線的帶寬有以下幾種方法：一是通過采用漸變的饋線來增大天線的帶寬[12]；二是通過改變輻射貼片的形狀來增大天線帶寬，可以用“U”形、鏟形、梯形、階梯形、圓形、水滴形等貼片形式；若采用十字形、U形或者蝴蝶形等結構，天線的駐波比帶寬可增大到4∶1，若用圓形、扇形、橢圓形等，帶寬會更寬。

2 超寬帶天線設計

超寬帶印刷單極子天線的正、反面結構圖如圖2所示，其中陰影部分表示金屬。

圖2 介質基片的金屬片結構

采用微帶線進行饋電，圓角矩形貼片和接地板分別印制在Lsub×Wsub×Hsub的介質基片的正反兩面，介質基片選用介電常數(shù)為4.4的FR4基板，圓角矩形貼片長為L1，寬為L2，并且其4個角被剪切成半徑為R的圓角，微帶饋線長為L3，寬為W1，接地面長為L4，寬為Wsub，并且在接地板上開尺寸為L5×W1的矩形槽來擴展帶寬。

本文采用商業(yè)仿真軟件HFSS對天線性能進行仿真。首先對未開矩形槽時的天線進行仿真分析，其對應的S11及VSWR曲線如圖3、圖4中的虛線所示。

圖3 開槽前、后天線的回波損耗

圖4 開槽前、后天線的電壓駐波比

從圖中可以看出，天線在3.26～10.25 GHz頻段內特性良好，但在10.25 GHz頻段處出現(xiàn)了一個不可控的陷波，導致天線性能降低。

針對這種情況，采用在接地面上開矩形槽的方法來消除陷波，同時可以增加天線的帶寬，調節(jié)矩形槽的尺寸并對其進行仿真，并將仿真結果用實線表示顯示在圖3、圖4中?？梢钥吹酱藭r天線的帶寬由原來的3.26～10.25 GHz擴展到了3.13～15.7 GHz，極大地展寬了天線帶寬。

3 天線參數(shù)優(yōu)化

下面對影響天線性能的主要參數(shù)進行優(yōu)化。首先，對接地板的長度L4進行優(yōu)化，分別取L4=12、12.5、13、13.5 mm，改變接地板的長度，實際就是改變輻射貼片與地板之間的距離，從圖5的仿真結果可以看出接地板長度的變化主要影響天線的高頻性能，對低頻影響不大，并且當L4=12.5 mm時天線帶寬最大，效果最好。其次，改變天線接地板上開槽的長度L5，觀察其變化對天線性能的影響。其他參數(shù)保持不變，分別令L5=1、3、5 mm，比較結果如圖6所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當開槽矩形的長度L5=3 mm時帶寬最寬，效果最好。最后，對天線介質板的長度Lsub進行優(yōu)化，令其取值分別為30、35、40 mm，其他參數(shù)不變，回波損耗隨介質基片長度的變化趨勢如圖7所示。從圖7中可以看出，介質基片長度等于40 mm時，天線的帶寬最大。

圖5 不同接地板長度對天線帶寬的影響

圖6 不同槽長對天線影響

圖7 不同介質板長度對帶寬影響

最終確定天線各部分的尺寸分別為：介質基片長度Lsub=40 mm，寬度Wsub=27 mm，厚度Hsub=1.6 mm；接地板的長度L4=12.5 mm，且接地面的上端開有矩形槽，矩形槽長度L5=3 mm，位于微帶線的正下方，微帶饋線長度L3=14 mm，寬度W1=2.9 mm，輻射貼片是邊長L1=L2=14 mm的正方形，圓角半徑為R=4 mm。

4 實驗結果

圖8 天線的遠場輻射特性

根據(jù)最后的參數(shù)，設計了如圖2的超寬帶印刷單極子天線，并對天線的遠場輻射特性進行仿真。選取工作頻段內的 4 GHz、8 GHz、11 GHz和15 GHz作為參考頻率點，觀察天線的遠場輻射特性，方向圖如圖8所示。從圖8中可看出，當頻率較低時，天線的方向圖呈現(xiàn)良好的單極天線的特性。觀察H平面，在低頻范圍內（4 GHz、8 GHz），輻射場的形狀接近圓周，為近似全向輻射；而在高頻范圍內（11 GHz、15 GHz），輻射場曲線出現(xiàn)明顯的不規(guī)則的凹凸，全向性有所降低。E面方向圖在頻率較低時可以獲得接近“8“字形的指向性，具有較低的交叉極化電平；當頻率較高時，天線的方向圖產生一些變形，交叉極化電平也隨之升高?？偟膩碇v，天線在整個工作頻段內具有良好的近似全向輻射特性。

根據(jù)上述優(yōu)化結果，制作了天線的實物如圖9所示。用矢量網(wǎng)絡分析儀AV3620測量，結果顯示與HFSS軟件仿真結果相一致。

圖9 天線實物

5 結束語

本文設計了一款微帶線饋電的超寬帶印刷單極子天線，天線輻射體采用圓角矩形輻射貼片，并通過在接地板上開矩形槽極大地增大了天線的帶寬。天線結構簡單，體積較小，性能優(yōu)良，具有較高的應用價值。

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