超寬帶平板圓片單極天線及其小型化研究

鐘玲玲，李鵬，章飚

（中國航天科工集團三院八三五七所，天津 300141）

超寬帶（Ultrawide-band，UWB）技術是伴隨著實際應用需求而誕生的。該技術產生于20 世紀80 年代，UWB 的特點是極短的脈沖和極寬的帶寬，這使得它在電子對抗系統、超寬帶雷達等軍事方面日益展現出優越性能。在UWB系統中，對天線設計有很高的要求。隨著射頻電子技術的飛躍和超寬帶無線電設備的發展，超寬帶天線技術也在不斷地發展。近年來，超寬帶天線已廣泛應用于現代航空、航天以及民用通信等各個方面[1－2]。因此，設計出結構簡單、性能良好并且可以滿足各種實際需求的超寬帶天線具有重大的現實意義。

按照美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）的定義，信號帶寬大于1.5 GHz 或信號帶寬與中心頻率之比大于25%為超寬帶，2002 年 2 月 14 日，FCC 正式將帶寬為 7.5 GHz 的從3.1 GHz 到10.6 GHz 之間的頻率向民用通信用途開放[3－4]。

傳統的超寬帶天線，如對數周期天線、阿基米德螺旋天線、等角螺旋天線等，饋電網絡設計復雜，相位中心不固定。近年來提出的超寬帶天線主要以雙錐天線的各種演變形式為主，這包括蝶形天線、淚滴天線、漸變槽縫天線等及其變形形式。其中由W.Stohr 所提出的圓片單極天線除了具有很寬的阻抗帶寬之外，還具有穩定的相位中心[5]。這種天線能夠覆蓋無線終端的全部頻段，在很寬的阻抗帶寬上能提供令人滿意的輻射性能。此外，它還具有制作簡單、加工方便、成本低廉、體積小、質量輕等諸多優點[6－8]。

圓片單極天線雖然具有諸多優點，但是由于其地板是垂直于輻射器的，天線的空間尺寸較大，結構穩定性差。尤其是當天線的最低工作頻率fL處在短波段時，天線的縱向高度可以達到幾米，而地板的尺寸則更為龐大，巨大的體積也會給天線的安裝和維護帶來不便，這個缺點大大降低了圓片單極天線的實際應用價值，所以需要進一步研究其平面化、小型化技術，因此提出了平板圓片單極天線。文獻[7]詳細介紹了超寬帶平板圓片單極天線的設計方法及其超寬帶性能，文中給出了這種天線在民用超寬帶范圍的仿真和實驗結果，并在此基礎上，提出了幾種減小該天線高度的方法。通過電磁仿真軟件以及實驗驗證，將詳細討論各種改進型天線的性能及主要結構參數對天線性能的影響，并對天線的阻抗及輻射特性進行分析。

1 平板圓片單極天線的特性分析

1.1 天線基本結構

平板圓片單極天線的基本結構如圖1a 所示：天線上端為圓片單極子的基本結構，圓片半徑為r，下端反射板由2 塊邊長分別為m，n 的矩形金屬片組成，與圓片共面對稱放置；金屬圓片與反射板的厚度均為c；天線采用同軸饋電的方式，同軸內芯線裸露出來，作為饋電點，同軸外皮與2 塊地板分別相連。將圓平板垂直地焊接在芯線之上，饋電點為圓片的下端點，焊接時留出饋電間隙h。

超寬帶平板圓片單極天線的設計方法在文獻[9]中已經詳細介紹，此處不予贅述。因為要針對民用超寬帶范圍3.1～10.6 GHz 進行設計，選取最低頻率為3 GHz，在相關設計公式中，當f=3 GHz時，可以得到r≈10.7 mm。經過多組參數調整，綜合考慮天線的尺寸參數和性能指標，最后確定能夠使平板圓片單極天線獲得良好仿真結果的最優參數為：圓片半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長取值與圓片半徑相同，即m=n=11 mm，饋電高度h=0.6 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm。以此參數模型為基礎，實際加工制作了天線實物（如圖1b 所示）并對其性能進行了測量。

圖1 平板圓片單極天線Fig.1 Planar circular disc monopole antenna

1.2 天線性能分析

天線的反射損耗|S11|是天線的一個重要性能參數，它決定了天線的阻抗特性。圖2a給出了超寬帶圓片單極天線反射損耗實驗與仿真結果的比較。在3.1～55 GHz 的超寬頻率范圍內，天線反射損耗的仿真結果均小于-10 dB；由于實驗儀器的限制，只實際測量了0.01～40 GHz的反射損耗，雖然實測的反射損耗比仿真值略高，但是仍然能夠基本保證在3.1～40 GHz的頻率范圍內反射損耗是小于-10 dB的。綜上所述，這種平板圓片單極天線阻抗特性良好，它具有近20∶1的阻抗帶寬。

圖2 平板圓片單極天線的性能Fig.2 Performance of the planar circular disc monopole an-tenna

對于超寬帶天線，增益特性是衡量其性能好壞的重要指標。圖2b 是該天線的增益隨頻率變化關系的仿真結果（3～11 GHz）。頻率在3.1～10.6 GHz 范圍內，增益變化范圍是1～5 dB，變化幅度小于4 dB。總體而言，增益在頻帶內較為穩定。

天線的方向圖是表征天線輻射特性與空間角度關系的圖形。圖2d 表示該天線在頻率分別為3.1，6.85，10.6 GHz 時水平面（xoy 面）方向圖的仿真和實驗結果。在各個頻率上，該天線水平面近似全向輻射，仿真與實驗測量的方向圖吻合度較好，在頻率為6.85 GHz 時實測值甚至比仿真值略高，該平板圓片單極天線方向圖的穩定性較好。

圖2c是該天線在頻率分別為3.1，6.85，10.6 GHz時零相位表面電流分布的仿真結果。在圓片上，電流主要分布在下端點附近。除此之外，電流還集中在地板的上邊緣，這表明地板與圓片鄰近的部分也成為輻射結構，仿真參數調節過程也表明天線反射損耗性能與地板的橫邊長度m 有很大的關系，而縱邊長度n的變化對反射損耗的影響不大。隨著頻率的升高天線的電長度增大，所以圓片上的表面電流在高頻端會出現幾個零點，但就總體而言，電流仍然主要分布在圓片下端，這一特性較為穩定。

2 減小平板圓片單極天線高度的方法

對于平板圓片單極天線而言，進一步小型化的主要含義是減小天線的縱向高度。前述仿真結果中已經提到過，圓片單極天線的電流主要分布在圓片的下邊緣，從理論上說，在不改變圓片直徑大小的情況下，從上端采取措施降低天線的高度是值得嘗試的方法。為了盡量減小天線尺寸同時保證天線的阻抗特性，采用了剪切、折疊和彎角3種方法來實現平板圓片單極天線在高度上的小型化設計。

2.1 剪切

減小平板圓片單極天線縱向高度的最直接方法是在天線的輻射圓片上直接進行剪切。因為電流主要分布在圓片的下邊緣和地板的上邊緣，從理論上說適當對圓片在高度上進行剪切能在一定程度上保持平板圓片單極天線的超寬帶特性。

經過剪切的平板圓片單極天線結構如圖3a 所示。保持平板圓片單極天線的基本結構及參數不變（輻射單極子半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長m=n=11 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm），微調饋電高度至h=1.5 mm，將圓片單極子在距離其下邊緣w 處剪切掉，則圓片單極子的最終高度為w。圖3b為w=15 mm時的天線實物。

圖3 剪切平板圓片單極天線Fig. 3 Planar circular disc monopole antenna cutting a certain length

圖4a給出了剪切平板圓片單極天線在w分別為15，18，22 mm（不剪切）時反射損耗隨頻率變化的仿真結果（0～65 GHz）。圓片剪切以后，相比較不剪切的情況其反射損耗總體呈上升趨勢，但當w≥15 mm時，在3.1～10.6 GHz的頻率范圍內，反射損耗值仍然能夠保持均小于-10 dB，說明這種剪切圓片單極子的圓片高度相比較平板圓片單極子而言可以縮減約30%。

圖4b 給出了w=15 mm 時剪切后的天線反射損耗曲線，可以看出：在3～18 GHz的頻率范圍內，反射損耗仿真結果均小于-10 dB；在實際測量的0.01～40 GHz頻率范圍內，3.1 GHz以上的反射損耗均可保證小于-9 dB；實測反射損耗在高頻端比仿真值低，性能良好。

圖4c 表示 w=15 mm 時，該天線在3.1，6.85，10.6 GHz時xoy面的輻射方向圖。可以看出，該天線方向圖與平板圓片單極天線相比差別不大，仿真與實驗結果吻合，總體而言在3.1～10.6 GHz頻帶內較為穩定。

2.2 折疊

剪切的方法雖然能夠減小天線的高度，但是其高度值有一定限制。前文的分析中已經提到，高度只能減小30%左右，因而要考慮通過其它方法繼續減小天線的高度，折疊便是方法之一。

圖4 剪切平板圓片單極天線的性能Fig.4 Performance of the planer circular disc monopole antenna cutting a certain length

經過折疊的圓片單極天線結構如圖5a所示。保持平板圓片單極天線的基本結構及參數不變（輻射單極子半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長m=n=11 mm，饋電高度h=0.6 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm），將圓片單極子在距離其下邊緣w 處直角折疊，則圓片單極子的最終高度為w。圖5b為w=5 mm時的天線實物。

圖6a給出了該超寬帶折疊圓片單極天線分別在w 為0 mm（完全折疊），5 mm，11 mm（從中點折疊），15 mm，22 mm（不折疊）時反射損耗隨頻率變化的仿真結果（0～65 GHz）。可以看出，圓片單極子折疊以后，相比較不折疊的情況其反射損耗有上下浮動，但是浮動范圍都不大。無論折疊任何高度，在3.1～10.6 GHz 的頻率范圍內，反射損耗值均可保證小于-10 dB，說明這種折疊圓片單極子可以在很大程度上減小高度，甚至可以讓圓片完全折疊至高度為0。當然，由于縱向尺寸的減小，其橫向尺寸必然有所擴展，也就是說它空間體積的減小是有限制的。

圖5 折疊圓片單極天線Fig.5 Circular disc monopole antenna puckering a certain length

圖6b 給出了w=5 mm 時折疊后天線的反射損耗。從圖6b 可以看出在3.1～56 GHz 的超寬頻率范圍內，天線反射損耗的仿真結果均小于-10 dB；在實際測量的0.01～40 GHz頻率范圍內，天線個別頻點反射損耗大于-10 dB，雖然實測的反射損耗與仿真結果相比總體偏高，但總體趨勢仍然具有超寬帶特性。

圖6c表示w＝5 mm時天線的輻射方向，可以看出，xoy 面仿真與實驗結果基本吻合，仍然呈現良好的全向特性。

2.3 彎角

除了將圓片單極天線的圓片折疊，將其彎折一定的角度是減小天線高度的另一個有效方法。

圖6 折疊圓片單極天線的性能Fig.6 Performance of the circular disc monopole antenna pucking a certain length

彎角結構的圓片單極天線如圖7a所示。保持平板圓片單極天線的基本結構及參數不變（輻射單極子半徑r=11 mm，矩形金屬反射板邊長m=n=11 mm，饋電高度h=0.6 mm，地板和輻射單極子厚度c=1 mm），將圓片單極子繞反射板的上邊緣旋轉角度φ，則圓片單極子的最終高度為2rcosφ。圖7b 為φ=50°時的天線實物。

圖8a給出了該彎角結構的圓片單極天線在φ=0°（不彎角），φ=30°，φ=50°，φ=60°時反射損耗隨頻率變化的仿真結果（0～65 GHz）。從圖8a 可以看出，雖然隨著角度φ的增大，其反射損耗值也增大，但在3.1～10.6 GHz的頻率范圍內，角度φ的值在0°～50°范圍內均可保證反射損耗值小于-10 dB。事實上，當φ＝50°時，天線的實際高度為22×cos 50°≈14.14 mm，與剪切的平板圓片單極天線相比，已經進一步達到了在高度上小型化的目的。

圖7 彎角結構的圓片單極天線Fig.7 Circular disc monopole antenna with a certain angle

圖8b 給出了φ＝50°時彎角后的天線反射損耗仿真和實驗結果的對比曲線。從圖8b 可以看出在3.1～58 GHz 的超寬頻率范圍內，天線反射損耗的仿真結果均小于-10 dB；在實際測量的0.01～40 GHz頻率范圍內，反射損耗的總體結果均高于仿真結果。分析其原因，主要是由于加工精度不能保證天線的饋電距離精確到0.1 mm 量級，另外還有同軸接頭的影響，使得頻率越高誤差越大。總之，天線在3.1～10.6 GHz 頻率范圍內的反射損耗仍可保證小于-10 dB，從更寬頻帶上看仍然具有超寬帶趨勢。

圖8c 表示φ=50°時彎角結構圓片單極天線的輻射方向。其仿真與測量結果的變化規律均與折疊結構的圓片天線類似，即xoy面仿真與實驗結果基本吻合，全向性良好。

圖8 彎角結構圓片單極天線的性能Fig.8 Performance of the circular disc monopole antenna with a certain angle

3 結語

介紹了一種平板圓片單極天線，并提出了幾種在高度上進一步實現其小型化的方法。平板天線不僅實現了圓片單極天線的平面化，而且大大縮小了天線的空間尺寸，保持了良好的性能，仿真和實驗的手段研究證明其具有近20∶1 的阻抗帶寬和全向性的方向圖。剪切、折疊和彎角結構的圓片單極天線有各自的優缺點：剪切的方法能夠在不影響平板圓片單極天線平面特性的情況下保持其基本性能仍然滿足UWB 通信系統的要求，但是其高度的減小有一定限制；折疊和彎角的方法可以繼續降低天線的高度，這2 種方法雖然破壞了平板圓片單極天線的完全平面特性，但其性能良好，仍不失為有效的小型化方法。筆者提出的各種小型化天線的結構和電特性決定了它們具有廣闊的應用前景和實際應用價值。

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