何之煜　劉運(yùn)林

摘 要： 提出了一種以微帶線饋電的小型“Y”形超寬帶天線，尺寸為30 mm×30 mm。天線由“Y”形輻射貼片，雙“8”字形諧振片以及帶矩形槽的接地面三部分構(gòu)成。利用三維電磁仿真軟件對(duì)天線的回波損耗、增益、方向圖等參數(shù)進(jìn)行了仿真，達(dá)到電壓駐波比（VSWR）< 2的頻帶范圍為3.06～13.89 GHz，頻帶寬度達(dá)到了10.83 GHz，并且天線顯示出較好的全向輻射特性，天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，可用于超寬帶通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 超寬帶天線； 回波損耗； 增益； 輻射方向圖

中圖分類號(hào)： TN820.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）05?0073?04

A small?size ultra?wideband Y?shaped antenna

HE Zhi?yu， LIU Yun?lin

（School of Physics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： A new design of compact microstrip?fed ultrawideband （UWB） antenna is presented， whose total size is 30 mm×30 mm. The antenna consists of a Y?shaped radiating patch， a pair of “8”?shaped resonance chips and a grounding plane with a rectangular slot. The 3?D electromagnetic simulation software is applied to simulating the parameters such as return loss， gain and radiation pattern of the antenna. Simulated results show that the antenna′s frequency band range is 3.06～13.98 GHz， whose voltage standing wave ratio （VSWR） is less than 2， which can provide a wide usable bandwidth of 10.83 GHz. The antenna reveals a good omni?directional radiation characteristic. The antenna configuration is simple， easy to fabricate， and can be integrated into UWB systems.

Keywords： UWB antenna； return loss； gain； radiation pattern

0 引 言

近年來，超寬帶（UWB）通信系統(tǒng)，由于其高數(shù)據(jù)傳輸率（大于100 Mb/s），高信息容量，易于制作，低成本等優(yōu)勢(shì)，已引起了廣泛的關(guān)注。2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）通過將3.1～10.6 GHz頻段作為民用通信領(lǐng)域的決議[1]。此后，超寬帶天線，作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，以其寬頻帶、全向輻射性、低剖面、低成本等特點(diǎn)，成為了研究的熱點(diǎn)。

近十年間，大量不同結(jié)構(gòu)的平面超寬帶天線涌現(xiàn)出來，文獻(xiàn)[2?7]給出了如矩形、橢圓、圓形、蝶形等結(jié)構(gòu)的平面超寬帶天線。在文獻(xiàn)[8]中，通過對(duì)貼片部分開“W”形縫隙和饋線兩端加一對(duì)“6”形諧振圈，天線產(chǎn)生兩處諧振，具有寬頻帶特性。在文獻(xiàn)[9]中，通過對(duì)橢圓貼片開“C”形縫以及對(duì)接地平面開橢圓形槽，天線產(chǎn)生4處諧振，頻帶達(dá)到3.29 GHz。在文獻(xiàn)[10]中，天線利用漸變式的微帶饋線，并通過對(duì)接地面的優(yōu)化，達(dá)到寬頻帶的效果。在文獻(xiàn)[11]中，通過在貼片部分開“U”形縫隙，天線在工作頻帶內(nèi)多產(chǎn)生一處諧振，從而拓寬了頻帶。

基于以上的研究背景，本文嘗試了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以微帶線饋電的“Y”形超寬帶天線，利用三維電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行一系列的仿真、分析及優(yōu)化，包括回波損耗[S11]參數(shù)、輻射方向圖、某些頻點(diǎn)的電流分布等，通過研究某些參數(shù)對(duì)于天線性能的影響，從而確定了最佳尺寸，天線的頻帶寬度為3.06～13.89 GHz。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，天線由“Y”形輻射貼片，帶槽接地平面和兩個(gè)“8”字形諧振貼片三部分組成。天線貼片和接地平面的尺寸標(biāo)示如圖2，圖3所示。饋電兩端雙“8”字形諧振片的尺寸標(biāo)示如圖4所示。該天線印制在一塊相對(duì)介電常數(shù)為4.4，介質(zhì)損耗[tanδ=0.02，]厚度為1.6 mm的FR4?exopy介質(zhì)基板上，天線的尺寸大小為W×L（W=30 mm，L=30 mm），該天線的饋線端與50 Ω?SMA的信號(hào)傳輸器連接。為了達(dá)到較好的阻抗匹配，饋線的寬度設(shè)置為[w1=]3.5 mm，長(zhǎng)度設(shè)置為[l1=]11 mm。在天線的接地平面（[w=]30 mm，[l5=]10 mm）中央挖了一個(gè)矩形槽，大小為2.5 mm×5.5 mm。在輻射貼片一面，饋線兩端分別放置了一個(gè)“8”字形諧振貼片，有助于阻抗的匹配和頻段的拓寬，天線的具體尺寸如表1所示。

2 仿真結(jié)果分析

利用高頻電磁仿真軟件對(duì)天線性能的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行仿真，比如回波損耗，輻射方向圖，電流分布等，并且對(duì)于某些參數(shù)的變化對(duì)于天線性能的影響也做了仿真與分析。

在饋線兩端各放置一個(gè)“8”字形諧振片，用于天線饋端的阻抗匹配，并且能拓寬天線的工作頻帶范圍。天線在是否有雙“8”字形諧振片情況下，回波損耗[S11]參數(shù)的變化曲線圖，如圖6所示?？梢钥闯觯诩尤腚p“8”字形諧振片之后，原天線在9.2～10.8 GHz頻段的回波損耗能達(dá)到-10 dB以下，因此，該諧振片結(jié)構(gòu)對(duì)于拓寬天線帶寬有很大的作用。

如圖3所示，在天線的接地平面上，挖有一個(gè)尺寸為[w8×l9]的矩形槽（[w8=]2.5 mm，[l9=]5.5 mm）。不同矩形槽的寬度[w8]對(duì)于天線性能的影響，如圖7所示?？梢钥闯?，不同尺寸的矩形槽對(duì)于天線的回波損耗有很大的影響 ，因此，接地平面的結(jié)構(gòu)對(duì)于天線的性能也有很大的影響。

天線分別在3.8 GHz，9 GHz和11.6 GHz處的電流分布情況，如圖8所示。圖8（a）表示的天線在3.8 GHz處的電流分布情況，可以看出，當(dāng)頻率為3.8 GHz時(shí)，電流在饋線端的邊緣表示為紅色。圖8（b）表示的是當(dāng)頻率為9 GHz時(shí)，天線的電流分布情況，可以看出，此時(shí)天線的電流大多分布于雙“8”字形諧振片上。圖8（c）則表示的是當(dāng)頻率為11.6 GHz時(shí)，天線的電流分布情況，可以看出，此時(shí)電流分布主要集中于位于接地平面的矩形槽以及其對(duì)于饋電的邊緣位置。

天線在掃頻范圍內(nèi)增益變化的曲線，如圖9所示。可以看出天線具有較穩(wěn)定的增益，增益范圍為1.5～4.7 dB。

天線在y?z面和x?z面上的輻射方向圖，如圖10所示。選取的頻點(diǎn)分別是4 GHz，6 GHz和8 GHz，通過仿真天線在y?z面和x?z面上的方向圖，可以分析天線在不同頻點(diǎn)上的輻射情況，并且在圖中同時(shí)顯示出了天線在y?z面和x?z面上的共面極化（co?polarization）和交叉極化（cross?polarization）。可以看出，天線在y?z面顯示出良好的全向輻射特性，而在x?z面上，天線則顯示出了類似于偶極子天線的雙向輻射性，可用于雙向輻射特性的通信系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

本文分析了一種以微帶線饋電的小型“Y”形微帶天線，尺寸為30 mm×30 mm。利用三維電磁仿真軟件仿真出的工作頻帶范圍為3.06～13.89 GHz，頻帶寬度達(dá)到了10.83 GHz，因此，回波損耗S11參數(shù)曲線圖表示文中所設(shè)計(jì)的天線具有超寬帶特性，屬于超寬帶天線。另外，通過改變某些參數(shù)，發(fā)現(xiàn)饋線兩側(cè)的雙“8”字形輻射片和接地面上的矩形槽的尺寸對(duì)于天線的頻帶特性有很大的影響。文中還對(duì)天線的增益特性進(jìn)行了仿真，從結(jié)果可以看出，天線具有較好的增益，并且在8.5 GHz時(shí)達(dá)到了4.7 dB。同時(shí)，從對(duì)天線的輻射方向圖結(jié)果可以看出，天線在y?z面具有全向輻射特性，而在x?z面上，則具有類似于偶極子的雙向輻射性。因此，文中所提出的天線具有良好的超寬帶特性，可以用于超寬帶通信系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] Federal Communications Commission. Revision of part 15 of the commission′s rules regarding ultra?wideband transmission system from 3.1 to 10.6 GHz Federal Communications Commission， FCC 02?48 [R]. Washington DC： FCC， 2002.

[2] OJAROUDI Nasser. Compact UWB monopole antenna with enhanced bandwidth using rotated L?shaped slots and parasitic structures [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2014， 56（1）：175?178.

[3] OJAROUDI Nasser， OJAROUDI Mohammad， EBAZADEH Yaser. UWB/omni?directional microstrip monopole antenna for microwave imaging applications [J]. Progress in Electromagne?tics Research C， 2014， 47： 139?146.

[4] ABDELAAL M A， GHOUZ H H M. New compact circular ring microstrip patch antennas [J]. Progress in Electromagnetics Research C， 2014， 46： 135?143.

[5] WANG Y， LI X， YANG L， et al. Compact triple?band dual?polarized microstrip patch antenna for wireless application [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2014， 56（4）： 778?783.

[6] LUO Y L， XU L， XIN Z Y. Compact UWB printed slot antenna with extra UMTS and Bluetooth bands [J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2013， 27（12）： 1557?1565.

[7] TELSANG T M， KAKADE A B. Ultrawideband slotted semicircular patch antenna [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2014， 56（2）： 362?369.

[8] YANG Tang. Compact double band?notched antenna with nonequiwidth W?shaped slot and “6”?shaped resonance Loop for UWB application [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2013， 55（10）： 2405?2410.

[9] NASER?MOGHADASI M， DADASHZADEH G R， KALTEH A A， et al. Design of a novel band?notched slot patch antenna for UWB communication system [J]. Microwave and Optical Technology Letters， 2010， 52（7） 1599?1603.

[10] WU Qi， JIN Rong?hong， GENG Jun?ping， et al. Printed omin?direction UWB monopole with very compact size [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2008， 56（3）： 896?899.

[11] DISSANAYAKE Tharaka， ESSELLE K P. Prediction of the notch frequency of slot loaded printed UWB antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2007， 55（11）： 3320?3325.