具有帶阻特性的寬縫隙超寬帶天線研究

特尼格爾 張 寧 邱景輝 林 澍 魯國林

(哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1. 引 言

近幾年，隨著民用超寬帶(UWB)通信快速的發展，對應用于短距離無線通信系統中的天線提出了更高的要求，不僅要求天線尺寸小、剖面低、價格便宜，易于加工并可集成到無線電設備內部，同時，還要求天線的阻抗帶寬和方向圖帶寬足夠寬，以便覆蓋整個UWB頻段，因而，如何設計出滿足短距離無線通信要求的UWB天線成為了系統設計非常重要的一環。由于平面寬縫隙天線具有全向輻射方向圖，中等增益，可以應用多種匹配技術獲得足夠寬的阻抗帶寬，是最具吸引力的UWB候選天線之一。

超寬帶天線技術作為超寬帶通信系統的重要組成部分得到了人們越來越多的重視。針對小型化天線和寬頻帶天線，國內外展開了大量深入的研究，提出了許多方法，取得了一定的研究成果。美國聯邦通信委員會(FCC)規定UWB信號的頻段為3.1 GHz到10.6 GHz。這個通信頻段中還存在劃分給其他通信系統的頻段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a和5.75 GHz到5.85 GHz的HiperLAN/2。針對UWB通信系統的這一特殊要求，研究了具有帶阻特性的矩形寬縫隙超寬帶天線。

2. 寬縫隙天線理論分析

縫隙天線應用廣泛，典型的縫隙天線其縫隙寬度比縫隙長度小很多，稱為窄縫；當縫隙寬度與縫隙長度可比擬時，稱為寬縫，它具有頻帶寬、對掩模制版公差要求低的優點[1]。

2.1 巴比涅原理

在天線工程應用中，常利用巴比涅原理從已知天線的輻射特性導出其互補天線的輻射特性，縫隙天線問題可以采用巴比涅原理來求解。通常，其互補天線的輻射場一般是已知的，用等效互補天線在空間某點的磁場乘以該點的介質波阻抗可以得到縫隙天線在該點的電場[2]。

當理想導電(導磁)屏尺寸有限時，其邊緣效應將會影響利用巴比涅原理求解所得的結果，無法對復雜結構形式的寬縫隙天線進行精確求解，因此，這里利用仿真及實驗相結合的方法來研究天線的輻射特性。

2.2 寬縫隙天線的饋電方式

對寬縫隙天線饋電可采用微帶線饋電或者共面波導饋電。對于UWB應用，不容易實現較寬的阻抗帶寬。

共面波導由中間的饋電的帶狀導體和兩邊的接地半平面金屬組成，制作在電介質的上表面，其特性阻抗是由中間導帶寬度和縫隙之比決定，可以自由設計其尺寸，它可使天線的帶寬明顯地增加。把共面波導用于矩形縫隙天線時，能使其帶寬達到34%[3]。

2.3 矩形寬縫隙UWB天線結構設計及仿真

2.3.1 天線結構

天線結構如圖1所示(單位：mm)。該天線采用矩形縫隙輻射，末端帶有扇形調諧枝節的共面波導饋電，扇形調諧枝節能展寬天線的頻帶[4-8]，并將共面波導中心導帶設計成階梯狀，以改善天線的阻抗匹配特性，共面波導特性阻抗50 Ω。選用相對介電常數4.4的FR4作為基片。天線的尺寸為0.44λ0×30λ0(λ0為最低工作頻率點對應的自由空間波長)。

圖1 矩形寬縫隙UWB天線結構圖

2.3.2 天線的仿真分析

取寬縫隙的寬度約為0.1λ0，長度為0.25λ0.取扇形半徑初值為0.1λ0，張角θ為90°，這樣整個縫隙邊緣的總長度接近于λ0，取共面波導長度為0.25λ0。在確定了天線的初始尺寸參數之后，利用CST Microwave Studio進行仿真，分析尺寸參數變化對天線阻抗特性的影響。

2.3.3 階梯過渡段對回波損耗的影響

在共面波導中心導帶與扇形枝節之間使用階梯過渡，可以展寬工作帶寬，改善天線的阻抗匹配特性。如圖2(a)，無階梯過渡時，4～8 GHz頻段匹配特性較差，頻帶寬度并不能覆蓋整個UWB頻段，有階梯過渡時，回波損耗小于-10 dB的頻率范圍為2.4～11 GHz，達到了展寬頻帶改善阻抗匹配的目的。如圖2(b)，當階梯端長度達到7 mm時，匹配較好，可以使回波損耗在整個工作頻帶內均小于-10 dB.

2.3.4 縫隙尺寸對回波損耗的影響

縫隙的寬度和長度是影響天線的阻抗匹配特性的主要參數，如圖3(a)，隨著W的增大，絕對帶寬變寬，整個通帶向低頻端移動，當寬度為24 mm或26 mm時，其4 GHz以下及7～10 GHz頻段匹配特性較差，當寬度是28 mm時，整個工作頻帶內回波損耗均小于-10 dB。如圖3(b)，縫隙長度為10 mm時，阻抗帶寬范圍為7～10 GHz，而長度為20 mm時，雖然阻抗帶寬得到了極大的展寬，但是5～7 GHz范圍的匹配特性較差，當L=15 mm時能夠獲得最大的阻抗帶寬，2.4 ～11 GHz范圍內回波損耗小于-10 dB。

(a) 有無價梯過渡

(b) 階梯過渡段長度變化圖2 階梯過渡段對回波損耗的影響

(a) 寬度變化

(b) 長度變化圖3 縫隙尺寸變化對回波損耗的影響

(a) 半徑變化

(b) 張角變化圖4 扇形尺寸變化對回波損耗的影響

2.3.5 扇形尺寸變化對回波損耗的影響

在矩形寬縫隙中采用扇形枝節饋電可以獲得較寬的阻抗帶寬，扇形半徑及張角是影響天線阻抗匹配的重要參數。如圖4(a)，當R=8 mm時，天線具有較好的高頻特性，但不能滿足UWB對頻帶寬度的限制，當R=10 mm時，天線獲得了8.6 GHz的阻抗帶寬，覆蓋了整個UWB通信頻段，而R=12 mm時，高頻及低頻特性均變差。扇形張角2θ對枝節的電抗具有決定性的作用，當2θ在一定范圍變化時，扇形枝節的電抗變化趨于平緩并接近于零，適當選取扇形枝節的張角及半徑，可以極大地展寬天線的阻抗帶寬。如圖4(b)，θ越大，高頻特性越好，當θ達到50°時，阻抗匹配特性較好，在整個UWB頻段內回波損耗小于-10 dB，而當θ繼續增大到60°時，5～6 GHz頻段的匹配特性變差，當θ超過60°時，天線的阻抗匹配特性急劇變差，不再具有超寬帶特性。

通過仿真分析發現：當整個縫隙邊緣的長度接近于λ0時，即2(W+L+R)+θ×R≈λ0(θ取弧度)，天線的阻抗匹配特性最佳。

3. 具有帶阻特性的寬縫隙UWB天線實驗結果分析

3.1 天線結構

在矩形寬縫隙UWB天線設計的基礎上，采用開路枝節實現帶阻特性，即在矩形寬縫隙邊緣插入對稱的兩段λg/4開路枝節(λg為阻帶頻率對應的波導波長)，其枝節的長度與寬度滿足

(1)

式中：L表示開路枝節的長度；W表示開路枝節的寬度；λg可以通過式(2)計算得到。

(2)

式(1)僅給出了開路枝節長寬滿足的關系式，但考慮到較寬的枝節寬度將會影響天線的輻射特性，故應根據實際情況取值，既不影響天線的輻射方向圖，又能在指定的頻帶內實現帶阻特性，天線結構如圖5所示(單位：mm)。

圖5 帶阻矩形寬縫隙UWB天線結構

3.2 天線仿真及實驗分析

3.2.1 天線的阻抗匹配特性分析

開路線在縫隙邊緣的位置對阻帶寬度有直接的影響，圖6給出了Ln約為8 mm，Wn為0.4 mm時回波損耗隨參數Sn變化的曲線。Sn越大阻帶寬度越大，當Sn從1變化到0.2的過程中，阻帶寬度從1.4 GHz減小到880 MHz。圖7給出了開路線長度變化對天線回波損耗的影響，其長度越長，阻帶中心頻率點越低，當Ln=8 mm時，阻帶中心頻點約為5.5 GHz，阻帶5.0～5.82 GHz，此時Sn=0.2 mm.

圖6 開路線位置變化對回波損耗的影響

圖7 開路線長度變化對回波損耗的影響

圖8為帶阻天線的測量與仿真的回波損耗曲線，仿真與測量曲線基本吻合，在3.1～10.6 GHz的頻帶范圍內回波損耗基本小于-10 dB，測量的阻帶中心頻率為5.52 GHz，阻帶范圍4.5～6 GHz。

圖8 測量與仿真駐波曲線

3.2.2 天線的輻射特性分析

圖9為實測的有阻帶和無阻帶超寬帶天線的增益曲線和有阻帶增益的仿真曲線。具有帶阻特性的超寬帶天線的增益在阻帶中心頻點達到-10.6 dB，其它頻帶內增益相對平穩(2.1～4.3 dB)。

圖10為天線在3 GHz時YZ面及XZ面的輻射方向圖，其中，實踐代表仿真曲線，實線加圓點代表測量曲線，仿真和實測表明當頻率為3 GHz及7 GHz時，天線具有近似水平全向的方向圖，當頻率升高到10 GHz時，XZ面輻射方向圖呈橢圓形，不圓度接近20 dB，YZ面不再是∞型，變成扭曲的花瓣形。由圖10可見，主輻射方向波瓣匹配較好，達到預期的效果，副瓣存在一定的誤差，主要是由于有

圖9 天線的增益變化曲線

圖10 3 GHz時天線輻射方向圖

限距離引起的幅度與相位誤差；周圍物體的反射干擾；天線間的多次反射引入的誤差；天線之間不能完全對準引入的對準誤差；天線與矢量網絡分析儀不能完全匹配引入的誤差。這些誤差的存在并不影響天線的整體性能，是在允許的范圍之內的。

3.2.3 天線時域波形特性分析

圖11為歸一化的遠場探針信號波形(方位角為零度)及高斯一次微分脈沖信號，從直觀上看，遠場信號與一階高斯脈沖信號波形相似。同時計算得到天線不同方位角的波形保真系數均保持在0.8以上，說明天線具有良好的脈沖波形保真特性。

圖11 高斯一階微分及探針信號

4. 結 論

本論文研究了超寬帶天線的實現方法，對傳統寬帶天線及新型超寬帶天線進行分析，在此基礎上設計了一種矩形寬縫隙結構的超寬帶天線，采用扇形枝節共面波導饋電，分析了矩形寬縫隙UWB天線主要參數對其回波損耗的影響，同時，為避免與現存系統可能存在的干擾，研制了具有帶阻特性的矩形寬縫隙UWB天線，通過加載λg/4開路枝節的方法實現了超寬帶天線的帶阻特性，并測量了其回波損耗、增益、輻射方向。結果表明：天線具有超過125%的阻抗帶寬、穩定的增益、具有良好的波形保真特性，實現了5 GHz頻段內的帶阻特性。同時，該天線還具有小尺寸、低成本及易于集成的優點，可以作為短距離無線通信系統的收發天線。

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