陰亞芳，白玉鶴

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

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超寬帶單極子天線的設(shè)計

陰亞芳，白玉鶴

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

文中提出并研究了一種以微帶饋電的超寬帶單極子天線，尺寸為42 mm×36 mm。天線印刷在相對介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm的介質(zhì)板上，由輻射貼片及帶矩形槽的接地平面組成。利用三維電磁仿真軟件對天線的回波損耗、方向圖等參數(shù)進(jìn)行了仿真，其結(jié)果表明，該天線在2.5～16 GHz的頻率范圍內(nèi)回波損耗<-10 dB，具有超寬帶的工作特性，且天線顯示出較好的全向輻射特性，天線的結(jié)構(gòu)簡單、易于加工。

超寬帶；平面單極子；回波損耗

自2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準(zhǔn)將3.1～10.6 GHz頻段應(yīng)用于超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)民用通信領(lǐng)域，超寬帶通信系統(tǒng)成為了研究熱點(diǎn)。超寬帶通信技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，具有傳輸速率高、通信距離短、平均發(fā)射功率低、多徑分辨率高、便于攜帶等特點(diǎn)[1-2]。

超寬帶天線是超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分。隨著微波集成電路的快速發(fā)展，系統(tǒng)高度集成化、小型化。因此，對超寬帶天線也提出了更高的要求，在保證天線性能的基礎(chǔ)上，盡可能縮小天線的尺寸[3]。近年來，已研制出各種不同結(jié)構(gòu)的超寬帶天線[4～7]。文獻(xiàn)[8～11]給出了如矩形、橢圓、圓形等結(jié)構(gòu)的平面超寬帶天線。文獻(xiàn)[12]采用在天線的接地板上引入圓弧形切口和將方形接地板的直角改成圓角的設(shè)計方法，改善了平面超寬帶天線的性能，但是天線的體積較大，尺寸為42 mm×50 mm。文獻(xiàn)[13]通過單極子和高介電常數(shù)陶瓷介質(zhì)諧振器的耦合設(shè)計了一種新型的類齒狀UWB單極天線，但天線采用的是立體結(jié)構(gòu)，不便于集成。這些天線分別具有自身的優(yōu)勢，雖其滿足UWB對帶寬的要求，但尺寸卻不夠小，不易于集成，不能滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)發(fā)展的要求。相較而言，超寬帶平面印刷天線更容易嵌入無線設(shè)備或者集成到其他集成電路中。

本文設(shè)計了一種新型超寬帶平面印刷單極子天線，通過對矩形輻射貼片的4個角剪裁和在中間挖矩形縫隙，來獲得天線的寬頻帶特性。利用三維電磁仿真軟件對天線進(jìn)行一系列的仿真、分析及優(yōu)化，同時研究了各個參數(shù)變化時，回波損耗、輻射方向圖的變化。最終得到天線的最佳尺寸。天線的阻抗帶寬為13.5 GHz，通頻帶內(nèi)回波損耗<-10 dB，帶內(nèi)駐波比<2，達(dá)到了FCC所規(guī)定的要求。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的圓柱形單極子天線具有水平全向輻射特性，但其阻抗帶寬較窄，這限制了它的應(yīng)用范圍，為了擴(kuò)展天線的阻抗帶寬，可采用加大圓柱半徑的方式，由此演變出平面結(jié)構(gòu)的單極子天線。

本文由傳統(tǒng)的印刷單極子天線出發(fā)，通過輻射貼片曲流技術(shù)和接地板曲流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。最后，在輻射貼片上開矩形槽，進(jìn)一步縮小了天線的尺寸，具體演化過程如圖1所示。圖2為3種天線的回波損耗的仿真結(jié)果對比圖。

圖1 天線演化過程

圖2 3種天線回波損耗仿真結(jié)果

由圖2可看出，天線1滿足回波損耗<-10 dB的頻帶為2.7～4.5 GHz，阻抗帶寬較窄，僅為1.8 GHz，完全不能滿足UWB的需求。天線2滿足回波損耗<-10 dB的頻帶為2.5～16 GHz，阻抗帶寬可達(dá)13.5 GHz，滿足UWB需求。天線3與天線2阻抗帶寬基本一致，比天線2的體積更小。

經(jīng)過仿真分析，最終得到天線的尺寸結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中圖3(a)為天線頂部示意圖，圖3(b)為天線底部示意圖。天線由輻射貼片、微帶饋線和帶槽接地平面組成。該天線印刷在一塊介質(zhì)基板上，基板厚度為1 mm，介電常數(shù)為2.65，介質(zhì)損耗為tanδ=0.02。天線介質(zhì)板長L0為42 mm，寬W0為36 mm。天線的饋線端與50 Ω的SMA信號傳輸器連接。為達(dá)到較好的阻抗匹配，饋線的寬度Wf設(shè)置為3 mm，長度Lf設(shè)置為20 mm。由傳統(tǒng)矩形輻射貼片分別切掉對稱的4個角，其中底邊上截取的三角形角度的大小為A。貼片上面邊上截取三角形的兩直角邊L1為2 mm，W1為1mm。輻射貼片中央挖矩形槽大小為L2取10 mm，W2取8 mm。天線接地平面的寬度為W0，長度Lg取20 mm。在接地平面中央挖一個長L3為2.5 mm，寬W3為1.9 mm的矩形槽[14]，有助于阻抗的匹配和頻帶的拓寬。

圖3 天線結(jié)構(gòu)圖

2 仿真結(jié)果及分析

利用基于有限元的電磁仿真軟件HFSS對天線的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行仿真[15]。天線在掃頻范圍 2～18 GHz中的回波損耗曲線，如圖4圖所示。由圖4可知，天線工作頻帶范圍為2.5～16 GHz，頻帶寬度達(dá)到了13.5 GHz。比FCC規(guī)定的頻帶更寬，適用范圍更廣。

圖4 回波損耗仿真結(jié)果

圖5給出了天線在設(shè)計過程中，底邊上截取的三角形角度A與天線回波損耗之間的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)度數(shù)較小，例如等于5°時，天線的阻抗帶寬較窄，僅有3.1 GHz，不能滿足UWB的需求。隨著度數(shù)的增大，天線的阻抗帶寬逐漸變寬，當(dāng)A=15°時，天線阻抗帶寬可達(dá)13.2 GHz，滿足超寬帶系統(tǒng)的需求。當(dāng)A進(jìn)一步增大，達(dá)到25°時，天線的阻抗帶寬變窄，僅為5.5 GHz。由此可見，只有選擇合適的切角大小，才能使天線的阻抗帶寬滿足UWB系統(tǒng)的需求。

圖5 回波損耗與角度之間關(guān)系

圖6～圖8分別對應(yīng)天線在xoz平面與yoz平面的輻射增益方向圖。選取的頻點(diǎn)分別為4 GHz，6 GHz和8 GHz。由圖可知，天線在低頻時具有全向輻射特性，當(dāng)頻率不斷增加時，方向圖具有一定的惡化，但其yoz面仍接近全向，這表明該天線在整個超寬帶頻段內(nèi)具有良好的全向輻射特性。而在xoz面上，天線具有與偶極子天線相似的雙向輻射特性。

圖6 f=4 GHz的輻射方向圖

圖7 f=6 GHz的輻射方向圖

圖8 f=8 GHz的輻射方向圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種以微帶線饋電的平面印刷單極子天線，尺寸為42 mm×36 mm。利用三維電磁仿真軟件仿真出的工作頻帶范圍為2.5～15.7 GHz，頻帶寬度達(dá)13.2 GHz。同時，由天線的輻射方向圖可看出，天線在yoz面具有全向輻射特性，而在xoz面上，具有類似偶極子的雙向輻射特性。天線結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、便于實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計。

[1] 鐘順時.天線理論與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2] 阮成禮.超寬帶天線理論與技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3] 陳瑾,傅光,吳廣德,等.開槽結(jié)構(gòu)橢圓超寬帶平面天線設(shè)計與研究[J].微波學(xué)報,2010,26(2):11-14.

[4] 李迎松,楊曉冬,劉乘源,等.共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線研究[J].電子測量與儀器學(xué)報,2010, 24(9):819-823.

[5] Foudazi A,Hassani H R,Nezhad S M A. Small UWB planar monopole antenna with added GPS/GSM/WLAN bands[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation,2012,60(6):2987-2992.

[6] 施榮華,徐曦,董健.一種雙陷波超寬帶天線設(shè)計與研究[J].電子與信息學(xué)報,2014(2):482-487.

[7] 程勇,呂文俊,程崇虎,等.一種小型陷波多用途超寬帶天線[J].微波學(xué)報,2007,23(1):20-24.

[8] 呂文俊,朱洪波.陷波特性平面超寬帶天線的研究進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報,2009, 24(4):780-785.

[9] 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.

[10] Ojaroudi Nasser, Ojaroudi Mohammad, Ebazadeh Yaser. UWB/omni-directional microstrip monopole antenna for microwave imaging applications [J].Progress in Elcctromagnetics Research C,2014,47(2):139-146.

[11] Abdelaal M A,Ghouz H H M. New compact circular ring microstrip patch ante-nnas[J].Progress in Electromagnetics Research C,2014,46(5):135-143.

[12] 張科強(qiáng),南琳.一種改進(jìn)的UWB平面單極子天線設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2012(12):198-200.

[13] 吳毅強(qiáng),鄧淼,廖昆明,等.一種新型超寬帶單極子天線設(shè)計與仿真[J].電子元件與材料,2012,31(7):31-33.

[14] 李偉文,黃長斌,游佰強(qiáng),等.超寬帶印制矩形單極天線設(shè)計[J].微波學(xué)報,2010,26(2):30-34.

[15] 李明洋,劉敏,楊放.HFSS天線設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

Design of Monopole Antenna for UWB

YIN Yafang，BAI Yuhe

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A new design of microstrip-fed ultra-wideband antenna with the size of 42 mm×36 mm is presented. The thickness of the substrate is 1mm and the relative permittivity is 2.65.This antenna consists of a radiating patch and a grounding plane with a rectangular slot. The 3-D electromagnetic simulation software is applied to simulating the parameters such as return loss and radiation pattern of the antenna. Simulated results show that the antenna’s frequency band range is 2.5～16 GHz,whose return loss is less than -10 dB,providing a wide usable bandwidth of 13.2 GHz. The antenna reveals a good omni-directional radiation characteristic .The configuration is simple, easy to fabricate and can be integrated into UWB systems.

ultra-wideband；planar monopole；return loss

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.006

2016- 02- 27

陰亞芳(1966-)，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：數(shù)字信號處理及光器件。白玉鶴(1988-)，女，碩士研究生。研究方向：電磁場與微波技術(shù)。

TN626

A

1007-7820(2016)12-020-03