段吉海 藍 創(chuàng) 徐衛(wèi)林 韋保林 郝強宇 李曉峰

具有兩塊非對稱接地面的高緊湊型超寬帶天線

段吉海 藍 創(chuàng) 徐衛(wèi)林 韋保林 郝強宇 李曉峰

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004）

針對超寬帶無線通信的應用，提出了一種新穎的具有兩塊非對稱接地面結構的緊湊型超寬帶（Ultra－Wideband，UWB）天線.本設計采用半橢圓輻射單元和兩塊非對稱接地平面結構，以獲得較寬的工作頻率和較小的幾何尺寸.對影響天線性能的主要幾何參數(shù)進行了研究和優(yōu)化并對所設計天線進行了加工制作與測量.測試結果表明：反射系數(shù)S11小于－10dB時，所設計天線的工作頻率覆蓋3～12GHz的范圍，滿足標準UWB帶寬（3.1～10.6GHz）的要求，且平均增益達到4.5dBi天線具有較小的幾何尺寸，僅為14mm×18mm＝252mm2.

超寬帶；小型化天線；非對稱接地平面

引 言

由于傳統(tǒng)窄帶無線系統(tǒng)的潛在干擾和頻譜的大量占用，美國聯(lián)邦通訊委員會在2002年將7.5GHz帶寬（3.1～10.6GHz）分配給超寬帶（Ultra－Wideband，UWB）無線通信業(yè)務使用［1］.超寬帶天線作為無線通信系統(tǒng)的關鍵模塊，被廣泛應用到諸多領域當中，成為通信領域的一個研究熱點［2－6］.隨著通信事業(yè)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對設備的小型化、便攜式提出了進一步要求.因而，超寬帶天線應具備尺寸小、結構簡單易于加工集成等特點.

為了在相當寬的頻率范圍（3.1～10.6GHz）內(nèi)實現(xiàn)UWB天線的小型化和高增益的設計，國內(nèi)外許多天線設計者嘗試了各種不同的結構和技術［7－14］.文獻［7］采用雙饋電結構設計了一個阻抗帶寬為100%的天線，該天線尺寸能夠達到14mm× 20mm＝280mm2.文獻［8］通過改進接地平面的結構設計了一個尺寸為18mm×20mm＝360mm2和阻抗帶寬為132%的單極子天線.文獻［9］使用了L型接地平面結構設計了一個具有18mm×16mm＝288mm2尺寸并覆蓋3.3GHz到12GHz之間頻率的天線.文獻［10］通過在原來結構的基礎上截掉一半尺寸來達到縮小天線面積的目的，該天線實現(xiàn)了9.5mm×28.5mm＝271mm2的幾何尺寸和3.0～11.1GHz的阻抗帶寬.文獻［11］采用月牙形結構設計了一個超寬帶天線，該天線能夠在3.4～20 GHz之間的頻率范圍工作，而且具有很小的尺寸（17mm×18mm＝306mm2）.文獻［12］則采用三種小型化技術實現(xiàn)較寬的阻抗帶寬（3.2～25.5 GHz）和緊湊的物理尺寸（12mm×23mm＝276 mm2）.文獻［13］設計的橢圓形輻射元結構天線的尺寸達到11mm×34mm＝374mm2，其阻抗帶寬為3.1～12.6GHz.文獻［14］設計了一個由漸變輻射體結構和缺陷地結構構成的天線，其尺寸為12mm ×23mm＝276mm2，帶寬為3.1～13GHz.

本設計提出了一種尺寸僅為14mm×18mm＝252mm2的高度緊湊型超寬帶天線.為了實現(xiàn)更小尺寸的超寬帶天線，采用了半橢圓輻射單元和兩塊非對稱接地平面結構.仿真優(yōu)化了影響天線性能的關鍵幾何參數(shù)，并分析天線受關鍵參數(shù)的影響情況，得到其最佳幾何尺寸.為了驗證所設計的天線性能，我們對其進行了加工制作，并就天線的S參數(shù)、輻射特性、增益等進行了測試.

1 天線結構設計

本文提出的天線是一種平面結構，如圖1所示.其半橢圓形狀的輻射元與饋線構成漸變結構，有利于提高天線的阻抗匹配特性［14］.天線背面為兩塊非對稱結構的接地平面.該接地平面呈半包圍形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)天線的緊湊型設計，并且改善了天線的表面電流分布，能夠讓天線在頻率軸上形成多個諧振點，拓寬了天線的工作頻帶.因此該天線結構能夠在縮減幾何尺寸的同時展寬了天線的阻抗帶寬.

天線正面的半橢圓的短軸、長軸半徑分別為a1、b1，饋線寬度為f.天線的接地平面可通過以下步驟獲得：首先在基片背面的左半部分挖掉一個橢圓（外橢圓）并只保留左下角圖形；然后在右半部分剪去另一個橢圓（內(nèi)橢圓）得到另外一個圖形；最后這兩部分圖形組合成一個圖后再在下邊開一個寬度為d的槽片，由此可得如圖1（b）所示的陰影部分，即為天線的背面結構.其中，外橢圓的短、長軸半徑分別為a2，b2，內(nèi)橢圓短、長軸半徑分別為a3，b3.這種由兩塊接地平面組成的結構能夠提高天線輻射特性、擴展天線阻抗帶寬并能有效減小天線幾何尺寸.

圖1中，天線的基片介質(zhì)材料采用羅杰斯（Rogers）板材，其介電常數(shù)εr＝3.55，基片寬度W＝14mm，長度L＝18mm，厚度h＝1.6mm.為方便設計，我們建立了一個笛卡爾坐標系，其原點和天線正面的橢圓中心M1重合，則M1＝（0mm，0 mm）.M3、M2分別為天線背面內(nèi)外兩個橢圓的中心，外橢圓如圖1（b）中虛線所示.

圖1 天線結構示意圖

2 參數(shù)研究與優(yōu)化

為了獲得更好的性能參數(shù)，我們利用仿真軟件對所設計的天線的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化.在保證其他參數(shù)不變的情況下，改變其中一個參數(shù)，得到的反射系數(shù)S11曲線如圖2所示.

從圖2（a）中可以看出，饋線寬度從小到大變化，天線帶寬的低頻部分和高頻部分的S11降低，而中頻部分的S11增大.從圖2（b）中可以看出，隨著輻射單元橢圓半徑的逐漸增大，S11參數(shù)曲線的低頻部分下移而高頻部分上移.圖2（c）表明了天線阻抗帶寬受接地平面外橢圓尺寸的變化的影響.隨著橢圓半徑a2的增大，天線的高、低頻部分阻抗匹配性較好，但中頻部分會變差.而圖2（d）顯示了接地平面的內(nèi)橢圓半徑取不同值時S11參數(shù)曲線的變化.隨著內(nèi)橢圓半徑的增大，天線的阻抗帶寬先增大然后減小.

圖2 S11隨參數(shù)變化曲線

經(jīng)過以上的仿真優(yōu)化，并綜合分析各種參數(shù)對天線性能的影響，得到如下最優(yōu)的幾何尺寸：f＝ 1.8mm，a1＝4.2mm，b1＝5.8mm，a2＝8.1mm，b2＝10mm，a3＝6mm，b3＝7.4mm，d＝3.6mm，e＝4.3mm，M2＝（－0.1mm，1.2mm），M3＝（－0.1 mm，1.4mm）.

3 實驗結果分析

在上述仿真優(yōu)化的基礎上加工制作的超寬帶天線樣品如圖3所示.本文通過對天線的反射系數(shù)、表面電流分布、方向圖以及增益等參數(shù)的研究，了解天線的工作特性.

圖3 天線實物圖

反射系數(shù)是衡量天線特性的主要參數(shù)之一，其仿真與測量曲線如圖4所示.圖中實線代表仿真結果，虛線為測量結果.從圖中可以看出，在3～12 GHz頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11都小于－10dB.測量值與仿真值基本吻合，但還存在一些偏差，主要原因可能是仿真是在理想條件下進行，而天線在加工制造以及焊接時都會產(chǎn)生一定的誤差.

圖4 反射系數(shù)S11曲線

天線的表面電流分布如圖5所示.低頻時電流主要集中在饋線、饋線與輻射元結合處以及右邊的接地塊.這說明饋線、輻射元以及右邊的接地塊在低頻段對天線性能的影響占主導地位.在高頻時，電流集中在饋線和左邊的接地塊，加強了饋線與接地平面之間的耦合.因此，高頻時天線性能主要受饋線和左邊接地塊的影響.

方向圖是衡量天線特性的另外一個重要參數(shù).圖6給出了天線在4GHz，6GHz和8GHz頻率點的仿真與測量方向圖，其中（a）、（c）、（e）是x－y平面的方向圖，（b）、（d）、（f）是y－z平面的方向圖.從圖6可以看出，天線的輻射近似朝x方向.由于測量條件的原因，方向圖在某些角度上會出現(xiàn)測量值與仿真值的偏差.

圖5 天線表面電流分布仿真圖

圖6 天線仿真和測試方向圖

圖7 給出了所設計天線的測量增益曲線.由圖7可見，在整個工作頻率范圍內(nèi)，天線的增益由3.2 dBi逐漸增大到5.5dBi，平均增益為4.5dBi，增益隨頻率的增大而增大.

圖7 天線增益曲線

4 結 論

提出了一種新穎的具有兩塊非對稱接地平面結構的高度緊湊型超寬帶天線.該天線由半橢圓輻射體和兩塊接地平面構成，其幾何尺寸僅為14mm× 18mm＝252mm2.為了獲得天線的優(yōu)化性能，仿真并分析了影響天線特性的主要幾何參數(shù)，且在優(yōu)化的基礎上制作了天線實物，對天線的主要指標進行了測試.結果表明，這種新型天線在3～12GHz頻率范圍內(nèi)的S11小于－10dB，相對帶寬為120%，平均增益達到4.5dBi.由于該天線具有尺寸小、頻率寬、增益高等特點，因此，非常適用于小型化的超寬帶系統(tǒng).

參考文獻

［1］ MA T G，TSENG C H.An ultrawideband coplanar waveguide－fed tapered ring slot antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（4）：1105－1110.

［2］ 唐志軍，何怡剛，詹 杰，等.緊湊型共面波導饋電的超寬帶印刷天線設計［J］.電波科學學報，2012，27（3）：572－577.

TANG Zhijun，HE Yigang，ZHAN Jie，et al.Design of coplanar waveguide fed printed antenna with compact size for ultra－wideband wireless applications［J］.Chinese Journal of Radio Science，2012，27（3）：572－577.（in Chinese）

［3］ ADNAN S，ABDEL－ALHAMEED R A，HRAGA H I，et al.Design studies of ultra－wideband microstrip antenna for ultra－wideband communication［C］／／Antennas ＆Propagation Conference.Loughborough，2009：365－368.

［4］ RAHAYU Y，RAHMAN T A，NGAH R.A small coupled slot antenna for ultra wideband application［C］／／IEEE International Symposium.Beijing，2009：423－426.

［5］ 崔恒榮，陸云龍，沈 偉，等.雙阻帶特性的超寬帶單極子天線設計［J］.電波科學學報，2013，28（1）：137－141.

CUI Hengrong，LU Yunlong，SHEN Wei，et al.Ultra－wideband monopole antenna with dual band－notches［J］.Chinese Journal of Radio Science，2013，28（1）：137－141.（in Chinese）

［6］ CHEN Wenling，WANG Guangming，ZHANG Chenxin.Small－size microstrip patch antennas combining Koch and Sierpinski fractal－shapes［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Letter，2008，7：738－741.

［7］ OJAROUDI M，KOHNESHAHRI G，NOORY J.Small modified monopole antenna for UWB application［J］.IET Microwaves Antennas Propagation，2009，3（5）：863－869.

［8］ KOOHESTANI M，MOGHADASI M N，VIRDEE B S.Miniature microstrip－fed ultra－wideband printed monopole antenna with a partial ground plane structure［J］.IET Microwaves Antennas Propagat，2011，5（14）：1683－1689.

［9］ LI Zhiyong，ZHANG Qian，WANG Huilong，et al.A novel miniature UWB microstrip－fed antenna with L－shape ground［C］／／2010International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems.Chengdu，2010：1－4.

［10］ FEI Peng，JIAO Yongchang，ZHU Yang，et al.Compact CPW－fed monopole antenna and miniaturized acs－fed half monopole antenna for UWB applications［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2012，54（7）：1605－1609.

［11］ DIKMEN C M，CAKIR G.Miniature crescent shaped UWB antenna［J］.International Journal of RF and Microwave Computer－aided Engineering，2013，23（4）：494－498.

［12］ GUO Lu，CHEN Xiaodong.Design of a compact planar antenna for UWB systems［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2013，55（9）：1989－1992.

［13］ SUN Y Y，CHEUNG S W，YUK T I.Design of a very compact UWB monopole antenna with microstrip－FED［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2013，55（9）：2232－2236.

［14］ 錢祖平，周 鋒，彭 川，等.一種小型平面超寬帶天線的設計與實現(xiàn)［J］.電波科學學報，2010，25（5）：920－924.

QIAN Zuping，ZHOU Feng，PENG Chuan，et al.Design and realization of compact planar ultra－wideband antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）：920－924.（in Chinese）

Design of a highly compact ultra－wideband antenna with two asymmetric patch grounds

DUAN Jihai LAN Chuang XU Weilin WEI Baolin HAO Qiangyu LI Xiaofeng
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

In this paper，a novel highly compact ultra－wideband（UWB）antenna with two asymmetric patch grounds is proposed for UWB applications.Using the Semi－elliptical radiator and two patch grounds which are mounted to the back side of the antenna，the broad impedance matching and small form factor are achieved.The key parameters that affect the performance of the antenna are studied and optimized.The proposed antenna has been fabricated and measured.The experimental results show that the designed antenna can provide ultra－wide bandwidth with S11＜－10dB，covering standard UWB bandwidth of 3.1～10.6GHz，and the average gain of the antenna is 4.5dBi.The antenna features a very small physical size of 14mm×18mm＝252mm2.

ultra－wideband；miniaturized antenna；asymmetric ground

TN822＋.8

A

1005－0388（2015）02－0339－05

段吉海（1964－），男，廣西人，博士，桂林電子科技大學信息與通信學院教授，研究生導師，主要從事射頻集成電路研究.

藍 創(chuàng)（1984－），男（壯族），廣西人，桂林電子科技大學信息與通信學院碩士生，主要從事射頻集成電路研究.

徐衛(wèi)林（1976－），男，湖南人，博士，桂林電子科技大學信息與通信學院副教授，研究生導師，主要從事集成電路研究.

2014－04－26

國家自然科學基金（61161003，61166004，61264001）；廣西自然科學基金（2013GXNSFAA019333）

聯(lián)系人：段吉海E－mail：phddjh＠gmail.com