小型化超寬帶平面單極天線的設(shè)計(jì)與分析

謝澤會(huì)，任景英，郝雙洋，趙紅梅

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002;2.中國(guó)聯(lián)通河南省分公司，河南 鄭州 450045)

責(zé)任編輯:薛 京

自2002年2月FCC在02-48號(hào)報(bào)告及規(guī)則中批準(zhǔn)了UWB(3.1～10.6 GHz)頻段用于民用，從此對(duì)UWB天線的研究飛速發(fā)展。UWB貼片天線如微帶天線、槽線天線等具有結(jié)構(gòu)平面化、易于小型化、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于便攜通信。但槽線天線屬于行波天線，其設(shè)計(jì)較為困難，與槽線相比，微帶天線適于PCB電路集成。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料看，目前對(duì)UWB天線的研究主要朝著高性能、小型化、平面化及具有線性相位方向發(fā)展［1-2］。

平面單極天線除具有微帶天線的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)還克服了其大部分缺點(diǎn)，如平面單極天線的帶寬較寬、性能受介質(zhì)基片材料的影響較小等，把平面單極天線應(yīng)用于UWB通信中是最近幾年的研究熱點(diǎn)。目前市場(chǎng)上已有不少天線產(chǎn)品，但大多數(shù)產(chǎn)品還是傳統(tǒng)的UWB天線，如喇叭天線、雙錐天線、螺旋天線等。針對(duì)3.1～10.6 GHz的小型化UWB天線產(chǎn)品還比較少，國(guó)外生產(chǎn)的小尺寸天線主要通過(guò)采用具有高介電常數(shù)的陶瓷介質(zhì)，尺寸能達(dá)到10 mm×10 mm×1 mm。國(guó)內(nèi)目前針對(duì)UWB天線的研制都還是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，文獻(xiàn)［3］采用單極天線模型，但把地板和輻射體共面設(shè)計(jì)成平面結(jié)構(gòu)，該天線具有超過(guò)3.7∶1的工作帶寬及良好的方向圖特性，由于采用矩形輻射片，天線體積較大，尺寸為42 mm×39 mm。文獻(xiàn)［4］采用圓盤單極天線的模型，在1～20 GHz的頻率范圍內(nèi)反射損耗的測(cè)量與仿真結(jié)果都大致能保證在-10 dB以下。但天線采用的是立體結(jié)構(gòu)，天線尺寸為16.4 mm×23 mm，不便于集成。文獻(xiàn)［5］中輻射體采用半圓單極子和一個(gè)等腰三角形的組合，且在半圓上開孔，使天線的阻抗特性得以改善。但天線僅在1.2～3.5 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR＜2(S11＜-10 dB)，具有超寬帶的工作特性。綜上國(guó)內(nèi)研究的天線仍然體積較大或帶寬較窄，與國(guó)外還有一定的差距，因此超寬帶天線的小型化具有重要的研究?jī)r(jià)值。

本文在平面圓盤單極天線的模型基礎(chǔ)上，提出在圓盤輻射體上開圓形槽，同時(shí)采用L形接地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面單極超寬帶天線。通過(guò)Ansoft HFSS11仿真表明，天線在3～15 GHz內(nèi)S11＜-10 dB，滿足超寬帶的要求;重要的天線尺寸僅為20 mm×20 mm×1.6 mm，實(shí)現(xiàn)了小型化，天線采用微帶饋電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于集成。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 單極天線的理論基礎(chǔ)

橢圓盤狀單極天線是超寬帶片狀天線的基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)節(jié)橢圓的長(zhǎng)軸及短軸尺寸可調(diào)節(jié)天線的下限諧振頻率。

圓盤狀單極子天線與平面圓形天線有相似的結(jié)構(gòu)，并且能提供多種諧振模式，其中波長(zhǎng)滿足2R=nλn/4=λ1/4(n為諧振模的階數(shù)，λ1為基模波長(zhǎng))的高階模，由于空間間隔近所造成的重疊實(shí)現(xiàn)了UWB特性。這些單極子天線所實(shí)現(xiàn)帶寬的最低邊界頻率近似由式(1)決定，即

理論上可以采用近似等效的思想，認(rèn)為平面圓形的面積πR2等于由高度為l、半徑為a的經(jīng)圓柱r決定的面積［6］。而產(chǎn)生實(shí)際輸入阻抗的單極子長(zhǎng)度為

式中，c為光速。如果再考慮介質(zhì)材料的影響，對(duì)于最低諧振頻率更合適

1.2 天線模型建立

由于平面單極子天線受介質(zhì)的影響比較小，而表面開槽即曲流技術(shù)能引導(dǎo)貼片中的電流改變方向，從而增大電流路徑的有效路徑。為了實(shí)現(xiàn)天線的小型化［9］，本設(shè)計(jì)取3.2～10.7 GHz中間的點(diǎn)作為最低諧振頻率，然后通過(guò)表面開槽及調(diào)整介質(zhì)厚度的方法來(lái)展寬帶寬。

理論上圓盤輻射體半徑R=5 mm時(shí)，最低諧振頻率fL=6.4 GHz，但由于介質(zhì)材料等效的k因子的影響，最低諧振頻率下降為4.3 GHz。

根據(jù)微帶天線的設(shè)計(jì)理論，結(jié)合工程實(shí)際選取介質(zhì):相對(duì)介電常數(shù)為3.02、大小為20 mm×20 mm×1.6 mm的羅杰斯R3003基板，介質(zhì)基板雙面覆銅，介質(zhì)敷銅板替代金屬面板作為輻射單元的材料，相當(dāng)于在輻射面與饋源之間引入了一個(gè)等效電抗，這在一定程度上改善了天線的阻抗匹配性能，天線的輻射體制成圓盤形狀，同時(shí)為了減小尺寸，在圓盤上開圓形槽，兩個(gè)圓心之間的距離為d。

天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。接地板采用缺陷結(jié)構(gòu)，制作成反L形，目的是可以改變微帶天線的輻射及阻抗特性［10］。

2 相關(guān)參數(shù)分析

2.1 接地板開L形槽對(duì)天線阻抗帶寬的影響

改變接地板的形狀可以更好地實(shí)現(xiàn)與輻射體的阻抗匹配，從而展寬天線的阻抗帶寬。

圖1 天線結(jié)構(gòu)俯視圖

取圓盤輻射體半徑R=5 mm，完整正方形接地銅板的大小為20 mm×20 mm，在接地板上挖去合適大小的正方形變成反L形接地板，設(shè)挖去的小正方形的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)。

L形接地板面積的變化對(duì)天線性能的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，L=0，即地板不開槽時(shí)嚴(yán)重失諧，隨著L的增大天線趨于諧振，當(dāng)L=10 mm時(shí)，天線已經(jīng)諧振，但阻抗帶寬極窄，不能滿足超寬帶要求。隨著槽寬的增加，諧振頻率點(diǎn)增多，帶寬增加，當(dāng)L=17 mm時(shí)天線達(dá)到了較好的阻抗匹配，諧振頻率點(diǎn)分別為4.3 GHz，7.8 GHz及13 GHz，且在3 ～15 GHz內(nèi)均有S11＜ -10 dB。繼續(xù)增大L的寬度會(huì)發(fā)現(xiàn)天線低頻端點(diǎn)及高頻端點(diǎn)均會(huì)上移或下移，導(dǎo)致頻帶變窄，綜合考慮取L=17 mm。

圖2 L形接地板面積變化對(duì)天線性能影響

2.2 內(nèi)圓半徑r對(duì)天線阻抗帶寬的影響

輻射貼片半徑R的變化不僅會(huì)影響最低截止頻率，而且會(huì)影響阻抗帶寬內(nèi)的回波損耗。當(dāng)R=5 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻抗帶寬為3～15 GHz。進(jìn)一步增大或減小R發(fā)現(xiàn)，高頻端的諧振頻率點(diǎn)開始上移，但阻抗帶寬變化范圍不明顯，低頻段諧振特性變差，從天線小型化趨勢(shì)及諧振特性方面考慮，取R=5 mm。

為了研究輻射體開槽是否能展寬帶寬，對(duì)圓盤輻射體開圓形槽并逐漸增大內(nèi)槽的半徑r，兩個(gè)圓心間距保持1 mm不變。圖3是r改變時(shí)天線的S11特性曲線。可以看出隨著r的變化，天線諧振特性波動(dòng)不大，但r過(guò)大或過(guò)小均會(huì)出現(xiàn)帶阻現(xiàn)象，因此r不能過(guò)大，取r=2.2 mm。

圖3 內(nèi)圓槽r變化時(shí)的S11曲線

圖4 天線方向圖特性

綜上，當(dāng)L=17 mm，R=5 mm，r=2.2 mm 時(shí)，該天線能實(shí)現(xiàn)較好的帶寬和小于-10 dB的回波損耗，且此時(shí)天線的體積只有20 mm×20 mm×1.6 mm，小于同類其他天線的體積，符合小型化及微型化的需求。

2.3 天線的輻射特性分析

天線的輻射特性是衡量超寬帶天線性能好壞的重要參考方向。從圖4可以看出，該天線在整個(gè)頻段具有全向性，尤其在4.3 GHz時(shí)，H面增益不圓度小于 ±0.5%，且每個(gè)諧振頻率點(diǎn)增益平坦性較好，只是高頻時(shí)部分方向增益有所下降。

3 結(jié)論

在具有較低介電數(shù)基板上同時(shí)采用缺陷接地板及輻射單元結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一款小型化超寬帶。該天線諧振匹配性能良好，阻抗匹配帶寬為5∶1，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有良好的應(yīng)用前景。

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