一種蝶形平面超寬帶（UWB）天線的設(shè)計(jì)

張秋凝

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）分配了3.1～10.6 GHz的頻譜資源給超寬帶無(wú)線通信應(yīng)用[1]，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)引起了超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）天線的研究熱潮。與其他系統(tǒng)的天線相比，一個(gè)性能優(yōu)良的UWB超寬帶[2]應(yīng)用天線，除了具有很寬的頻帶外，還要有近似全向的輻射方向圖和良好的色散特性。

盡管一個(gè)傳統(tǒng)的單極子天線，例如橢圓形單極子天線[3]，具有很好的超寬帶特性，但是在超寬帶系統(tǒng)中使用這樣的天線，非平面結(jié)構(gòu)是其主要的缺點(diǎn)。平面單極子天線通常由微帶線或者各種形狀的波導(dǎo)（Coplanar Waveguide，CPW）饋電[4-6]，這些饋電方式之所以如此受關(guān)注，是因?yàn)檫@些饋電方式適合于超寬帶應(yīng)用，具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：低剖面，重量輕和易于制作[7-9]。但是設(shè)計(jì)人員就必須更關(guān)注于饋電線的設(shè)計(jì)，這樣使得設(shè)計(jì)變得較為復(fù)雜。

文中提出了一種新型的平面超寬帶天線，使用了蝶形結(jié)構(gòu)，同軸饋電，設(shè)計(jì)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，無(wú)需考慮饋電線。天線結(jié)構(gòu)是通過(guò)在介質(zhì)基板的2面分別印刷上一個(gè)半圓形金屬，在輻射面上刻蝕掉2個(gè)對(duì)稱(chēng)的正方形和在接地面上刻蝕掉2個(gè)半圓形圖案實(shí)現(xiàn)的。

1 天線的設(shè)計(jì)

文中所提出的超寬帶天線由同軸饋電，饋電位置如圖1所示。天線制作在FR-4環(huán)氧樹(shù)脂介質(zhì)基板上，板層厚度為1.6 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02。該天線的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1所示。天線結(jié)構(gòu)的輻射面是在介質(zhì)板上層面印刷了一個(gè)半圓形金屬平面，在半圓的兩邊對(duì)稱(chēng)地刻蝕掉2個(gè)正方形平面，如圖1（a）所示；天線接地板同樣是在介質(zhì)板下層面印制了一個(gè)半圓形金屬平面，左右兩邊對(duì)稱(chēng)地刻蝕掉了2個(gè)半圓形平面，如圖1（b）所示。天線最后的優(yōu)化參數(shù)為a=30 mm，b=4 mm和R=8 mm。

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

該天線的設(shè)計(jì)和分析是基于有限元算法的商用化軟件Ansoft HFSS11進(jìn)行的，并利用該軟件獲得了仿真結(jié)果。除此之外，作者還根據(jù)仿真模型制作了一款實(shí)物天線，如圖2所示。使用Agilent公司生產(chǎn)的E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)物天線進(jìn)行了測(cè)量。

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry of the antenna

圖2 天線的實(shí)物結(jié)構(gòu)Fig.2 Physical structure of the antenna

下面為了討論天線輻射片上切掉的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的正方形面和接地面上切掉的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的半圓形面的影響，利用仿真軟件分別對(duì)正方形面的邊長(zhǎng)b和半圓形面直徑R對(duì)于反射損耗的影響進(jìn)行了分析。

不同的邊長(zhǎng)b對(duì)天線性能的影響如圖3所示。由圖可以看出，尺寸b不同時(shí)，天線的第1個(gè)諧振點(diǎn)基本上保持不變，這是因?yàn)樘炀€的主要頻帶是由天線的輻射面大小決定的。當(dāng)b值小于5 mm時(shí)天線反射損耗表現(xiàn)為在帶內(nèi)的幅度和頻點(diǎn)的微小波動(dòng)，當(dāng)b值大于5 mm時(shí)天線回波損耗曲線出現(xiàn)了兩個(gè)較深的諧振點(diǎn)，隨著b值增大第一個(gè)頻點(diǎn)的深度逐漸加深，第2個(gè)頻點(diǎn)的頻率逐漸增大，深度加深。

不同的R值對(duì)天線特性的影響如圖4所示。因?yàn)镽值改變的是接地板的形狀，相對(duì)于b值的影響，直徑R的影響要小的多，不同的R值，基本上不改變天線的頻帶特性，只是影響帶內(nèi)不同頻點(diǎn)的反射深度。

圖3 不同b值天線的反射系數(shù)Fig.3 Reflection coefficient of the anntenna at different b

圖4 不同R值天線的反射系數(shù)Fig.4 Reflection coefficient of the anntenna at different R

通過(guò)以上討論獲得了天線性能的優(yōu)化模型，以下對(duì)該優(yōu)化模型結(jié)果進(jìn)行分析。

天線的駐波比（VSWR）結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出，在超過(guò)預(yù)設(shè)頻帶3.1～10.6 GHz的范圍內(nèi)，該天線的VSWR≤2。

圖5 實(shí)際測(cè)量和仿真的VSWRFig.5 Measured and simulated VSWR

圖6 4GHz下x-z和y-z面的仿真輻射圖Fig.6 Simulated radiation patterns in x-z and y-z planes at 4 GHz

天線在不同頻點(diǎn)4，7和10 GHz的x-z和y-z面的仿真輻射圖如圖6，7和8所示。由圖可以看出，在x-z面，該超寬帶天線較低頻段（3～7 GHz）具有較好的全向輻射特性；在 x-z面，頻率為10 GHz時(shí)，輻射方向圖幾乎為全向。

圖7 7 GHz下x-z和y-z面的仿真輻射圖Fig.7 Simulated radiation patterns in x-z and y-z planes at 7 GHz

圖8 10 GHz下x-z和y-z面的仿真輻射圖Fig.8 Simulated radiation patterns in x-z and y-z planes at 10 GHz

圖9 群延遲的測(cè)量Fig.9 Measured group delay

最后，文中討論天線在無(wú)失真情況下發(fā)送和接收脈沖的特性。由于超寬帶系統(tǒng)使用脈沖傳輸，一個(gè)重要的問(wèn)題是天線脈沖失真。理想情況下，希望是一個(gè)線性相位響應(yīng)（不變?nèi)貉舆t）。在此情況下，我們先測(cè)量2天線間的頻域傳輸系數(shù)，然后轉(zhuǎn)化為時(shí)域結(jié)果。2天線間隔30 cm，其群時(shí)延結(jié)果如圖9所示。該天線在大于超寬帶天線頻帶的范圍內(nèi)群延遲變化小于0.8 ns。群延遲特性表明，該天線相位線性超過(guò)了超寬帶頻段。

3 結(jié) 論

文中成功設(shè)計(jì)了一個(gè)由同軸饋電的平面超寬帶天線。天線的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，仿真和測(cè)量結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線覆蓋UWB系統(tǒng)的3.1～10.6 GHz頻段，天線具有很好的全向輻射特性和良好的線性相位響應(yīng)。因此，該天線能夠適用于一定的UWB應(yīng)用。

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