于仕輝，婁文濤，董和磊，安文星

(1.天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津 300072；2.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 523808)

近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)[1－2]的不斷發(fā)展，頻率資源的使用日益匱乏，通信系統(tǒng)對(duì)于寬帶天線的需求越來(lái)越大，特別是FCC(美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì))于2002 年2 月將3.1 GHz～10.6 GHz 頻段劃歸為民用超寬帶頻段后[3－5]，有關(guān)于超寬帶天線的研究開(kāi)始蓬勃發(fā)展起來(lái)。微帶天線是一種諧振式天線，具有剖面低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易集成的優(yōu)點(diǎn)，但是它的固有缺點(diǎn)—阻抗帶寬窄，限制了其在微波領(lǐng)域中應(yīng)用。因此，如何將普通微帶天線的帶寬增大到UWB(超寬帶)頻段是目前亟需克服的難題。

一般來(lái)說(shuō)有以下三種方法[6]可以增大微帶天線的帶寬:(1)減小品質(zhì)因數(shù)Q[7](通過(guò)提高介質(zhì)基板的厚度或者減小其介電常數(shù))；(2)附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[8]；(3)天線陣的設(shè)計(jì)[9]。第一種是通過(guò)加大介質(zhì)基板厚度從而降低其品質(zhì)因數(shù)，但是加大了天線的尺寸，導(dǎo)致集成困難，后兩種方法一般是改變天線的結(jié)構(gòu)，制作比較復(fù)雜。針對(duì)上述問(wèn)題，相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)出了超寬帶印刷型縫隙天線[10]，其與超寬帶單極子天線[11]一樣都是采用微帶饋線或者共面波導(dǎo)(CPW)進(jìn)行饋電，并且一般主要采用三角形、橢圓形、長(zhǎng)方形等形狀的縫隙結(jié)構(gòu)[12－13]，縫隙可以開(kāi)在輻射金屬板或者接地板上[14－17]，其形狀對(duì)天線性能有著重要影響，并且其對(duì)加工精度要求低，易于制作，可采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝制作在敷銅電路板上，具有良好的應(yīng)用遠(yuǎn)景。

本文設(shè)計(jì)了一款基于凹槽形縫隙的微帶超寬帶天線，該天線在其接地板上開(kāi)出凹槽形縫隙，通過(guò)金屬微帶線饋電并與縫隙耦合來(lái)增大帶寬，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶天線的輻射。該縫隙天線結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成，同時(shí)具有良好的阻抗匹配特性和較高的增益，仿真結(jié)果表明，其阻抗帶寬可達(dá)到117%(2.2 GHz～8.4 GHz)，實(shí)現(xiàn)了超寬帶特性。最終制作了天線的實(shí)物模型并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，得到其阻抗帶寬為113%(2.2 GHz～8.0 GHz)，最高增益達(dá)到6 dB，平均增益為4 dB。且其具有小型化、集成度高、制作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以用在多種通信系統(tǒng)中，具有較好的應(yīng)用前景。

1 天線的設(shè)計(jì)

本文采用一種凹槽形開(kāi)口縫隙，在相同接地板尺寸的情況下，凹槽形縫隙比矩形窄縫的實(shí)際耦合面積大大增加，從而增大天線輻射的電磁耦合量，保證在較大的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配特性，因此增加了縫隙微帶天線的阻抗帶寬。該天線是一種多邊形縫隙天線，可以通過(guò)其多諧振特性產(chǎn)生超寬帶工作頻段，而且與長(zhǎng)方形、三角形或橢圓形縫隙超寬帶天線相比較，凹槽縫隙結(jié)構(gòu)的超寬帶天線可調(diào)整的尺寸參數(shù)更多，故更容易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

該天線的最低諧振頻率可以通過(guò)改變凹槽形縫隙的尺寸大小來(lái)調(diào)整。凹槽形縫隙天線的最低諧振頻率可以通過(guò)下面的多邊形縫隙天線公式得到:

式中:f為凹槽形縫隙天線的諧振頻率，c為真空中光速，εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，L為縫隙的邊長(zhǎng)。此外，微帶饋電線的阻抗對(duì)于天線阻抗匹配也有一定的的影響，一般為50 Ω 最合適，其尺寸計(jì)算公式如下所示:

式中:Z為微帶饋電線的特性阻抗，εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，h為微帶饋電線與接地面之間的介質(zhì)厚度，w為饋電線的寬度。該凹槽形縫隙超寬帶天線的設(shè)計(jì)過(guò)程如下所述:首先根據(jù)式(1)確定縫隙的大概尺寸，使其在低頻(3 GHz～4 GHz)范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振點(diǎn)，初步定為3.4 GHz；然后根據(jù)式(2)確定饋電線的尺寸參數(shù)，使其特性阻抗為50 Ω；最后調(diào)整縫隙的位置和尺寸參數(shù)，使得其在2.2 GHz～8.4 GHz 頻段內(nèi)具有優(yōu)良的阻抗匹配及輻射特性。

本文設(shè)計(jì)的新式凹槽形縫隙超寬帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該天線主要由介質(zhì)基板、接地板、微帶饋線三部分組成。首先在接地板上開(kāi)出一定形狀的凹槽形縫隙，然后在介質(zhì)基板的上表面印制了金屬微帶饋電線，用來(lái)對(duì)天線進(jìn)行饋電并且激勵(lì)縫隙，進(jìn)而拓寬工作頻帶。介質(zhì)基板的尺寸為55 mm×55 mm×1.5 mm，采用FR4 材料，相對(duì)介電常數(shù)εr＝4.4。關(guān)于所有阻抗匹配的研究是通過(guò)ANSYS HFSS 14.0實(shí)現(xiàn)的。天線的關(guān)鍵參數(shù)以S11性能和阻抗匹配為優(yōu)化目標(biāo)得到，具體的天線尺寸參數(shù)在表1 中給出。

圖1 凹槽形縫隙超寬帶天線

表1 天線的基本尺寸參數(shù)

2 參數(shù)分析

2.1 凹槽形縫隙邊長(zhǎng)L0 對(duì)阻抗帶寬的影響

分別選取L0＝42 mm，L0＝43 mm 以及L0＝44 mm 這三種不同情況對(duì)天線進(jìn)行仿真分析。由圖2可以得到，隨著L0的增大，天線的諧振頻率幾乎不變(3.4 GHz)，但是天線的帶寬呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在L0＝43 mm 的情況下，得到最大的阻抗帶寬117%(2.2 GHz～8.5 GHz)，且此時(shí)天線的反射系數(shù)最大，為－42.33 dB，天線收發(fā)效果最佳。綜合考慮，選取L0的大小為43 mm。

圖2 矩形縫隙邊長(zhǎng)L0 對(duì)阻抗帶寬的影響

2.2 縫隙的位置d1、d2 對(duì)天線性能的影響

(1)縫隙與基板左側(cè)的距離的d1對(duì)天線輻射特性的影響

分別選取d1＝6.4 mm，d1＝7.4 mm 以及d1＝8.4 mm 三種不同的情況對(duì)天線進(jìn)行參數(shù)分析。經(jīng)過(guò)HFSS 仿真之后，可以得到圖3 的反射系數(shù)曲線。從圖3 可以看出，隨著d1的增加天線的諧振頻率先增高后降低，同時(shí)會(huì)影響天線的反射系數(shù)，隨著d1的增大，天線的反射系數(shù)也是先增大后減小，在d1＝7.4 mm 時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，為－58.39 dB。天線的阻抗帶寬隨著d1的增加逐漸變大，在d1＝8.4 mm 時(shí)獲得最大值，為118%(2.1 GHz～8.2 GHz)，d1＝7.4 mm時(shí)稍小，為115%(2.2 GHz～8.2 GHz)。綜合考慮，取d1＝7.4 mm 時(shí)，天線獲得最佳的性能。

圖3 矩形縫隙的位置d1 對(duì)阻抗帶寬的影響

(2)縫隙與基板前側(cè)的間距d2對(duì)天線輻射特性的影響

固定縫隙與基板左側(cè)的距離d1＝7.4 mm，然后分別取d2＝5 mm，d2＝5.4 mm 以及d2＝5.8 mm 三種不同的情況對(duì)天線進(jìn)行參數(shù)分析。經(jīng)過(guò)HFSS 仿真之后，可以得到圖4 的反射系數(shù)曲線，從圖中可以看出，隨著d2的增大，天線的諧振頻率也隨之增高，在d2＝5.8 mm 時(shí)達(dá)到3.7 GHz，但是天線的反射系數(shù)先增加后降低，在d2＝5.4 mm 時(shí)到達(dá)最高點(diǎn)，為－53.56 dB，與此同時(shí)天線的阻抗帶寬逐漸減小，由117%減小為116%。綜合考慮天線的阻抗帶寬與反射系數(shù)，選取d2＝5.4 mm。

圖4 矩形縫隙的位置d2 對(duì)阻抗帶寬的影響

2.3 微帶饋電線位置d3 對(duì)天線性能的影響

金屬微帶饋電線主要用來(lái)對(duì)天線進(jìn)行饋電并且激勵(lì)凹槽形縫隙，其尺寸及位置參數(shù)會(huì)影響?zhàn)侂娋€的阻抗大小，進(jìn)而影響天線的阻抗匹配特性，故應(yīng)研究分析饋電線的尺寸參數(shù)L1、W1及位置參數(shù)d3對(duì)天線輻射特性的影響。一般來(lái)說(shuō)饋電線的阻抗應(yīng)為50 Ω，經(jīng)由初步計(jì)算后得到其尺寸參數(shù)，即微帶線的長(zhǎng)度L1＝15 mm，微帶線的寬度W1＝2.3 mm。經(jīng)過(guò)HFSS 電磁仿真軟件仿真后得到其史密斯圓圖，如圖5 所示，可以清楚地看出天線在諧振頻率3.4 GHz 處的歸一化阻抗大約為1(即50 Ω)，達(dá)到最佳匹配效果。

圖5 縫隙天線的smith 圓圖

在得到饋電線最佳尺寸參數(shù)后，接下來(lái)研究分析饋電線的位置參數(shù)d3對(duì)天線輻射性能的影響。微帶饋電線的位置d3分別取d3＝31 mm，d3＝32 mm，d3＝33 mm 三種情況，經(jīng)過(guò)仿真后得到的反射系數(shù)曲線如圖6 所示?？梢詮膱D6 中得到，隨著d3的增加，天線的諧振頻率基本上沒(méi)有變化，但是天線的反射系數(shù)先增大后降低，在d3＝32 mm 時(shí)達(dá)到最大，為－42.33 dB。而天線的阻抗帶寬在d3＝31 mm時(shí)最大，為118%(2.2 GHz～8.6 GHz)，但是其反射系數(shù)較小，為－35.87 dB。綜合考慮應(yīng)選擇d3＝32 mm，可以得到更好的天線性能。

圖6 饋電線的位置d3 對(duì)阻抗帶寬的影響

通過(guò)以上的一系列參數(shù)的對(duì)比分析，可以得到當(dāng)凹槽形縫隙邊長(zhǎng)L0＝43 mm，縫隙位置d1＝7.4 mm，d2＝5.4 mm，饋電線位置d3＝32 mm 時(shí)天線獲得最佳的阻抗帶寬匹配效果，擁有比較好的反射系數(shù)頻帶，滿足超寬帶天線設(shè)計(jì)的基本需求。

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真分析

在對(duì)天線的尺寸參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化之后，確定了最佳尺寸參數(shù)，從而得到了最佳的天線輻射特性，天線的相關(guān)仿真結(jié)果如下所示。圖7(a)給出了優(yōu)化后的超寬帶凹槽形縫隙天線的反射系數(shù)S11曲線，從圖中可以看到優(yōu)化后的微帶縫隙天線的諧振頻率3.4 GHz，天線工作在S11<－10 dB 的頻率范圍是2.2 GHz～8.4 GHz，即阻抗帶寬為117%，符合超寬帶天線的頻段要求，并且從圖7(b)中也可以看出天線的電壓駐波比在上述頻段內(nèi)，同時(shí)滿足VSWR<2 的要求，說(shuō)明天線的阻抗匹配效果比較好。

圖7 縫隙天線的反射系數(shù)圖像和電壓駐波比曲線

圖8 是該天線分別在工作頻率為3.4 GHz、5 GHz 和5.5 GHz 處的E(電場(chǎng)方向)平面和H(磁場(chǎng)方向)平面的仿真方向圖。從圖10 中可以看出，在E 平面內(nèi)，天線在工作頻率3.4 GHz、5 GHz 和5.5 GHz 處都具有近似“∞”的輻射方向圖，可以看出H面的方向性不是很好，但是天線的增益比E 面高，并且隨著頻率的增加，H 面開(kāi)始呈現(xiàn)出近似對(duì)稱(chēng)的全向化輻射方向圖，具有較穩(wěn)定的輻射性能。圖9是天線的增益曲線，從該圖中可以發(fā)現(xiàn)天線的增益在有效帶寬范圍內(nèi)在為負(fù)值(－7.5 dBi～－5 dBi)，且隨著頻率的增大先增大后減小，是由于微帶縫隙天線本身的損耗過(guò)高造成其天線的輻射效率降低，從而導(dǎo)致天線的增益為負(fù)值，其可在后續(xù)研究中進(jìn)一步設(shè)計(jì)來(lái)改善其性能，提高天線的增益。

圖8 縫隙天線不同頻點(diǎn)的方向圖

圖9 縫隙天線的增益曲線

3.2 天線性能分析

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)物制作。天線實(shí)物模型如圖10 所示。經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，可以得到天線的反射系數(shù)S11的實(shí)測(cè)值，其與仿真值的結(jié)果比較如圖11(a)所示，從中可以看出阻抗帶寬的實(shí)測(cè)值與仿真值較為接近，展現(xiàn)出良好的匹配特性，阻抗帶寬為113%(2.2 GHz～8.4 GHz)。同時(shí)，可以看出實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果有一定出入，出現(xiàn)了兩個(gè)下降峰，分別在2.2 GHz～2.6 GHz、6.6 GHz～6.9 GHz 范圍內(nèi)，推測(cè)第二個(gè)下降峰出現(xiàn)的原因可能是由于天線的測(cè)試環(huán)境處于開(kāi)放的室內(nèi)，可能存雜波的干擾；而第一個(gè)下降峰的諧振頻率出現(xiàn)明顯偏移，分析是由于天線加工過(guò)程中引入了阻焊材料，造成介質(zhì)基板整體的介電常數(shù)增加，從而造成天線諧振頻率的明顯降低(<3.4 GHz)。天線實(shí)物測(cè)試的相關(guān)增益曲線如圖11(b)所示，從中可以看出天線在有效頻段內(nèi)增益最高可達(dá)到6 dB，平均增益為4 dB 左右。

圖10 縫隙天線實(shí)物模型

圖11 仿真與實(shí)測(cè)反射系數(shù)圖和縫隙天線的增益曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種新式的微帶凹槽形縫隙超寬帶天線，通過(guò)在天線的接地板上開(kāi)出凹槽形結(jié)構(gòu)的縫隙，并利用微帶饋電線對(duì)其進(jìn)行耦合激勵(lì)來(lái)拓展頻帶，克服了普通縫隙天線頻帶窄的缺點(diǎn)。通過(guò)高頻電磁仿真軟件HFSS 對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真分析，并且對(duì)各個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化，研究了其性能，得出了天線的各個(gè)參數(shù)對(duì)其性能的影響，綜合對(duì)比分析確定了天線最終的最優(yōu)尺寸值，最終天線在2.2 GHz～8.4 GHz 的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的反射特性，相對(duì)阻抗帶寬為117%，實(shí)現(xiàn)了超寬帶特性。最終加工了天線的實(shí)物模型并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，得到其阻抗帶寬為113%(2.2 GHz～8.0 GHz)，最高增益達(dá)到6 dB，平均增益為4 dB。該天線基本能夠滿足超寬帶通信的要求，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、體積較小、易于集成等優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。