一種改進的杠鈴形超寬帶天線

袁海軍, 馬云輝

摘 要：為了優化超寬帶天線的阻抗帶寬，提出了一種改進的杠鈴形超寬帶天線，通過增加階梯形缺口及采用部分接地面從而改善超寬帶阻抗匹配。測量結果表明，天線的輸入阻抗帶寬達74.7%(3.45~7.56 GHz)，同時數值仿真表明在y-z和x-z平面方向圖呈對稱分布。

關鍵詞：超寬帶天線； 杠鈴形天線； 部分接地面; 數值仿真; 方向圖

中圖分類號：TN822-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)09-0057-03

An Improved Barbell-shape UWB Antenna

YUAN Hai-jun, MA Yun-hui

(Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, China)

Abstract： In order to optimize the impedance bandwidth of ultra-wide band (UWB) antenna, a kind of improved barbell-shape UWB antenna is proposed. The impedance matching of UWB is improved by adding the stepped appearance gaps and adopting the partial ground plane. The measured results shows that input impedance bandwidth of the improved antenna is up to 74.7% (3.45～7.56 GHz). The symmetrical distribution in the y-z and x-z planes of radiation patterns are obtained by numerical simulation.

Keywords： UWB antenna; barbell-shape antenna; partial ground plane; numerical simulation; radiation pattern

0 引 言

超寬帶(UWB)技術作為一種無線通信技術，在短距離室內高速無線通信方面也受到人們越來越多的關注。根據FCC規定，將3.1~10.6 GHz之間的7.5 GHz頻段分配給超寬帶通信業務使用。在超寬帶系統中，超寬帶天線是關鍵部件，因此，相當多的研究者致力于超寬帶天線的發展，以實現高的數據傳輸速率、低功耗、簡單的硬件結構，如射頻識別、傳感器網絡、雷達、定位跟蹤等［1］。

近來許多研究集中在分形天線，分形天線的優點如尺寸小、重量輕、厚度薄正好滿足手持設備的要求，采用分形概念是天線原理與設計很有前景的研究方向之一［2］，許多研究者對分形天線做出了積極的研究，如帶有分形雙枝樹縫隙的雙波段開槽共面波導饋電天線［3］，采用分形概念的樹形超寬帶天線［4-5］和超寬帶杠鈴形天線［6］，Sierpinski分形天線［7-9］和snowflake分形天線［10］等。這些天線通過采用不同結構的分形特性，能得到更好的阻抗匹配帶寬和輻射方向圖。

本文在超寬帶杠鈴形天線基礎上，提出了一種改進措施，從而獲得更好的阻抗帶寬，天線采用部分接地技術［11］和分形概念。

1 天線結構設計

杠鈴形及改進的杠鈴形超寬帶天線結構如圖1和圖2所示，圖中給出了天線的頂視和側視圖，輻射單元長度為W0，寬度為L0，饋線寬度Wf，長度為Lf，輻射單元蝕刻在FR4基板上(厚度h=1.5 mm，εr=4.4)，基板尺寸為Lsub×Wsub，天線背面有部分接地面，尺寸為Lg×Wsub。改進的杠鈴形超寬帶天線是在圖1結構基礎上蝕刻出臺階形缺口，對應缺口的尺寸為W1,W2,…,W5和L1,L2,…,L5，天線輻射單元位于x-y平面，輻射單元厚度方向對應x-z平面。

天線尺寸如下：W0=16 mm，L0=21 mm，Wf=2.8 mm，Lf=16 mm，Lsub=70 mm，Wsub=40 mm，Lg=9 mm。

對于圖2，W1=10 mm,W2=8 mm,W3=6 mm,…,W5=2 mm，其依次按2 mm遞減，L1=5 mm,L2=4 mm,L3=3 mm,…,L5=1 mm，其依次按1 mm尺寸遞減，其他尺寸與圖1相同。

2 天線仿真

按照圖1和圖2尺寸采用HFSS 10.0進行了仿真，回波損耗仿真結果如圖3所示?？梢钥闯鰣D2的回波損耗低于圖1，圖2天線回波損耗小于-10 dB帶寬為72.6%(3.48~7.45 GHz)；按照圖2結構加工出改進的杠鈴形超寬帶天線，饋電采用50 Ω同軸側饋，回波損耗實測結果如圖3所示，回波損耗小于-10 dB,帶寬為74.7%(3.45~7.56 GHz)。

圖1 杠鈴形超寬帶天線(結構1)

圖2 改進的杠鈴形超寬帶天線(結構2)

圖3 |S11|仿真與測量結果

圖4和圖5分別為圖1,圖2結構時天線在x-z,y-z平面方向圖(對應頻率4 GHz,5 GHz和6 GHz)，可以看出兩種結構的天線Eθ基本重合，而Eφ的大小在-20~-15 dB以下，從圖中可看出兩種結構天線方向圖基本一致。

從圖4和圖5方向圖可以看出，在z軸(θ=0°)和-z軸(θ=180°)近似為零點，而最大輻射方向不在θ=90°方向。

圖6為對應頻率f=4 GHz,6 GHz時的三維方向圖及加工的實物照片，頻率為5 GHz及4 GHz時方向圖相似，頻率為4 GHz時，增益為3.47 dB，頻率為6 GHz時，增益為3.15 dB。

圖4 兩種結構天線在x-z平面方向圖

圖5 兩種結構天線y-z平面方向圖

圖6 三維方向圖及實物照片

3 結 論

提出了一種改進的杠鈴形超寬帶天線，通過在杠鈴形天線上增加階梯形缺口，使天線回波損耗更小，而天線方向圖與原杠鈴形天線基本一致，實測結果表明，改進的杠鈴形超寬帶天線回波損耗小于-10 dB，帶寬達74.7%(3.45~7.56 GHz)。

參考文獻

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