《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > EDA與制造 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種新型的超寬帶天線的研究
一種新型的超寬帶天線的研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第1期
胡少文,，吳毅強(qiáng)，羅 斌,，鄧 淼,，廖昆明，周輝林
南昌大學(xué) 電子信息工程系,， 江西 南昌330031
摘要： 提出了一種微帶饋電的超寬帶天線,。該天線印刷在覆銅介質(zhì)基板上， 介質(zhì)基板尺寸為30 mm×35 mm×1.5 mm,，材料是介電常數(shù)為4.4 的FR4介質(zhì),。利用仿真軟件HFSS對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。通過在微帶面上開縫,，可實(shí)現(xiàn)天線頻帶寬度(S11<-10 dB)2.5 GHz~11.5 GHz,，相對(duì)帶寬達(dá)128%。結(jié)果表明,，該天線不僅滿足超寬帶要求,，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小,，適合在UWB通信中應(yīng)用,。
中圖分類號(hào)： TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)01-0090-03
Research of a novel ultra-wideband antenna
Hu Shaowen，Wu Yiqiang,， Luo Bin, Deng Miao,，Liao Kunming， Zhou Huilin
Department of Electronic, Nanchang University, Nanchang 330031, China
Abstract： A micro-strip-fed ultra-wideband antenna is proposed. The antenna was etched on a copper-cladding substrate,，whose material was FR4 with relative permittivity of 4.4, and the magnitude was 30.0 mm×35.0 mm×1.5 mm. The antenna model was organized and optimized with the help of HFSS. The bandwidth(return loss≤-10 dB) starts from 2.5 GHz up to 11.5 GHz that means a relative bandwidth of 128% by slotting on the surface of micro-strip. The results show that the proposed antenna not only realizes UWB but also is simple in structure small in size, suitable for UWB communications.
Key words : micro-strip-fed; ultra-wideband antenna(UWB); micro-strip slotted

    近年來,，隨著對(duì)無線通信需求的不斷增加，超寬帶技術(shù)作為一種短距離高速率無線通信技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注,，因此設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、性能良好的超寬帶天線具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。2002年美國FFC（Federal Communications Commission)規(guī)定UWB頻段為3.1 GHz~10.6 GHz,，小型化超寬帶天線引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,。為了實(shí)現(xiàn)微帶印刷偶極子天線寬帶性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種多樣的天線結(jié)構(gòu)[6-8],，U槽貼片天線,、蝴蝶結(jié)形、單極子天線等被廣泛應(yīng)用于UWB通信,，但是目前這些天線體積較大,。參考文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的天線采用的是將等腰梯形與圓弧形相結(jié)合的方式對(duì)接地板進(jìn)行開槽實(shí)現(xiàn)帶寬（VSWR<2）為3 GHz~11.8 GHz。出于實(shí)際制作和應(yīng)用的考慮,，本文在微帶貼片輻射元上開縫,，設(shè)計(jì)一種能滿足UWB通信的小型化超寬帶天線,，便于與射頻電路集成，并利用仿真軟件HFSS 對(duì)天線進(jìn)行建模和優(yōu)化,。實(shí)驗(yàn)表明,，所設(shè)計(jì)的天線能很好地滿足超寬帶應(yīng)用的需求。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線,，它利用微帶線或者同軸線等饋線饋電,，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng)，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射,。通常介質(zhì)基片的厚度與波長相比是很小的,，而饋電網(wǎng)絡(luò)又可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，剖面薄,，體積小,，從而實(shí)現(xiàn)了小型化。微帶導(dǎo)體貼片一般采用規(guī)則形狀的面積單元,如矩形,、圓形或圓形環(huán)薄片的微帶貼片,。在相同的頻率工作時(shí)，矩形貼片可獲得比圓形貼片稍高的效率,、增益及更寬的頻帶,。增大天線帶寬的方法有：多貼片、縫隙加載,、集總元件加載(包括短路針)以及雙饋點(diǎn)等,。這些方式各有利弊，如：多貼片和集總元件加載都會(huì)使天線的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜,，而雙饋點(diǎn)時(shí)諧振頻率調(diào)諧范圍受到一定的限制,、開槽可能改變諧振頻點(diǎn)等。因此,，在設(shè)計(jì)時(shí),，必須綜合考慮，使得相應(yīng)的參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,。本文設(shè)計(jì)的天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,，該天線印刷在覆銅介質(zhì)基板上,由接地面、縫隙貼片單元,、饋電結(jié)構(gòu)組成,。介質(zhì)基板尺寸為30 mm&times;35 mm&times;1.5 mm,接地面的尺寸為30 mm&times;11.5 mm,縫隙的寬度都是0.5 mm。材料是介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì),，采用縫隙貼片單元與接地面進(jìn)行饋電,。其實(shí)影響天線輻射性能的因素有很多，主要是由輻射貼片的尺寸、幾何形狀和縫隙的尺寸決定,，在HFSS 中建立模型，對(duì)天線幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化,。

2 天線的分析與仿真
    天線的輻射主要是由輻射貼片尺寸,、開縫的尺寸和位置決定的，通過在輻射貼片上開縫可以實(shí)現(xiàn)超寬帶帶寬（回波損耗S11&le;-10 dB）為2.5 GHz~11.5 GHz,，相對(duì)帶寬為128%,，如圖2所示。

    天線的阻抗帶寬不足以說明天線的性能,，該天線在實(shí)現(xiàn)超寬帶性能的同時(shí),，具有對(duì)稱的方向圖和良好的增益。圖4(a),、(b)所示為天線在2.0,、4.5和8.0 GHz下的仿真輻射方向圖。該天線在低頻率點(diǎn)H面方向圖在工作頻段內(nèi)呈全向輻射,，在&phi;=0和&phi;=&pi;時(shí)輻射最強(qiáng),，E面方向圖主要波瓣在&theta;=0和&theta;=&pi;；在較高頻率點(diǎn)主波方向稍有改變,，H面在&phi;=-&pi;/2時(shí)輻射為零,。

    該天線在超寬帶頻段內(nèi)有良好的增益，仿真增益如圖5所示, 在2.5 GHz~11.5 GHz全頻帶內(nèi), 增益大于3.6 dBi,。天線的仿真增益在3.6 dB~8.05 dB左右范圍內(nèi)波動(dòng),。最大增益為8.05 dBi，比一般的微帶天線的增益要大,。從圖5中可以看出,，天線的增益隨著頻率的增高而逐漸增大，最大達(dá)到8.05 dBi,，頻率高于4.5 GHz時(shí),，天線的增益處于一個(gè)比較平坦趨勢(shì)，天線在高頻段的增益較高是因?yàn)樘炀€匹配較好,。因此可知此天線能達(dá)到很好的性能,，滿足UWB通信的需求。

    表1給出了本研究與參考文獻(xiàn)[5-8]天線的參數(shù),，對(duì)比后可以看出本研究設(shè)計(jì)的天線在帶寬和尺寸上都有明顯的優(yōu)勢(shì),，證明了在輻射貼片上開縫能夠有效地展寬天線的阻抗頻帶。

3 天線制作
    為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天線的實(shí)用性和有效性,，利用HFSS對(duì)其進(jìn)行了綜合優(yōu)化,優(yōu)化后的尺寸為:W=30 mm, W1=15 mm,W2=1.5 mm,W3=1.5 mm,W4=5.25 mm, H=12.5 mm,H1=1 mm,H2=1.5 mm,L=35 mm,L1=27 mm,L2=5.25 mm,S=5.85 mm,S1=0.5 mm,。根據(jù)優(yōu)化后得到的尺寸，對(duì)該天線進(jìn)行實(shí)際加工和測(cè)試,并利用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試,實(shí)物圖和測(cè)試的反射系數(shù)如圖6所示。

 

 

    從圖6可以看出,，仿真的天線回波損耗和實(shí)際測(cè)試的回波損耗基本上吻合,，只是在2.8 GHz~10 GHz之間稍有偏差。出現(xiàn)這種誤差的原因主要是由介質(zhì)板的厚度,、開縫的尺寸和位置等因素造成的,。但實(shí)測(cè)的結(jié)果基本上能滿足超寬帶的要求。
    本文提出了一種簡(jiǎn)單的開縫實(shí)現(xiàn)超寬帶工作的微帶天線,，分析了不同尺寸的輻射貼片對(duì)天線帶寬的影響,。此天線的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生超寬帶，并且大大縮減了天線尺寸,，其原理就是通過使用這種貼片與開縫的結(jié)構(gòu),，減少了電流的突變，起到改變天線面上電流分布的作用,，改善了天線的阻抗特性,，并且減少了電阻和電抗的波動(dòng)幅度，使之形成良好的匹配,。此天線具有良好的方向性能和增益性能,。通過對(duì)天線參數(shù)的優(yōu)化，該微帶饋電的天線可以工作在2.6 GHz~11.5 GHz的頻帶范圍內(nèi),。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、易于加工制作，滿足目前超寬帶通信需求,。
參考文獻(xiàn)
[1] 李存龍, 史小衛(wèi), 徐樂,，等.一種開雙C型槽的新型寬帶微帶天線設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010,33(5): 70-72.
[2] 車仁信, 紀(jì)穎, 劉廣生，等. 一種U型寬帶微帶天線的設(shè)計(jì)與制作[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007, 28(1):54-57.
[3] 周超, 曹海林, 楊力生. 一種改進(jìn)的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線設(shè)計(jì)[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2008,20(1): 39-41.
[4] 李迎松, 楊曉冬, 劉乘源. 共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線研究[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2010,24(9):819-823.
[5] 趙紅梅, 田向, 路立平. 一種新型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)[J].電信科學(xué), 2011,27(8):74-78.
[6] REN Y J, CHANG K. An annual ring antenna for UWB communications[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, 2006,5(5):274-276.
[7] CHEN Y L, RUAN C L, PEG L. A novel ultra-wideband bow-tie slot antenna in wireless communication systems[J]. Progress In Electromagnetics Research Letters, 2008,1(5):101-108.
[8] 廖昆明, 吳毅強(qiáng), 陳力. 超寬頻單極子陶瓷介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)與仿真[J].電子元件與材料,2011,30(9):50-52.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。