超寬帶圓片單極天線的改進設計

鐘玲玲，李永翔，李 鵬

（津航計算技術研究所，天津 300141）

0 引言

超寬帶（UWB）技術的特點是極短的脈沖和極寬的帶寬，在電子對抗系統、超寬帶雷達等領域展現了優越性能。UWB系統中，對天線設計的要求很高。超寬帶天線技術隨射頻電子技術和超寬帶無線電設備技術而不斷發展，近年來已廣泛用于現代航空、航天和民用通信等［1］。根據美國聯邦通信委員會（FCC）的定義，信號帶寬大于1.5GHz或信號帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶，2002年2月14日，FCC正式向民用通信用途開放帶寬7.5GHz的頻段3.1～10.6GHz［2－3］。對數周期天線、阿基米德螺旋天線、等角螺旋天線等傳統超寬帶天線的饋電網絡設計復雜，相位中心不固定，傳輸時域短脈沖信號時的失真較嚴重。近年提出的超寬帶天線主要以雙錐天線的各種演變形式為主，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，STOHR提出的圓片單極天線具有很寬的阻抗帶寬和穩定的相位中心［4］。該天線能覆蓋無線終端的全部所需頻段，可在很寬的阻抗帶寬上提供令人滿意的輻射性能，此外還具有制作簡單、加工方便、成本低廉、體積小、質量輕等優點［5－6］。

文獻［7］介紹了圓片單極超寬帶天線的設計方法及其超寬帶性能。本文在民用超寬帶范圍內對該天線進行了仿真和實驗，提出了天線的改進形式，分析了天線的阻抗、方向圖、增益，以及表面電流分布等特性。

1 超寬帶圓片單極天線特性

1.1 天線基本結構

超寬帶圓片單極天線的基本結構如圖1（a）所示。天線由邊長為d的正方形地板和垂直于地板的金屬圓片組成，采用同軸饋電方式，饋電點為圓片的下端點與地板的中心，饋電高度為h，制作輻射圓片的材料可擇厚為g的銅板或鐵板，切割成半徑為r的圓。

因針對民用超寬帶范圍3.1～10.6GHz進行設計，取最低頻率為3GHz，由相關公式可得r≈11mm。經過多組參數調整，綜合考慮天線的尺寸參數和性能指標，確定能使圓片單極天線獲得良好仿真結果的最優參數為：r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm。以此參數模型為基礎，實際加工制作了天線實物如圖1（b）所示。

圖1 超寬帶圓片單極天線Fig.1 Circular disc monopole UWB antenna

1.2 天線性能分析

超寬帶圓片單極天線反射損耗實驗與仿真結果（頻帶0.01～30GHz）如圖2所示。由仿真結果可知：在3～30GHz的超寬頻率范圍內，天線反射損耗均小于－10dB，實驗所得低頻特性與仿真結果吻合良好，高端的反射損耗略高于仿真結果。這主要是加工誤差和仿真中未考慮同軸接頭的影響，該接頭會引入隨頻率變化的電抗加載至輸入阻抗諧振電路，導致諧振點移動，特別是對高端諧振點影響更大。總體來說，天線在頻帶3.1～10.6GHz內的仿真和實驗測量結果均小于－10dB。

圖2 超寬帶圓片單極天線反射損耗Fig.2 Return loss of circular disc monopole UWB antenna

超寬帶圓片單極天線不同頻率的增益仿真結果（頻帶3～11GHz）如圖3所示。在頻帶3.1～10.6GHz范圍內，增益變化幅度小于5dB，增益隨頻率升高而呈現增大的趨勢，當頻率為10.6GHz時，增益約6.5dB，增益在整個頻帶內有良好的穩定性。

圖3 超寬帶圓片單極天線增益Fig.3 Gain of circular disc monopole UWB antenna

頻率分別為3.1，6.85，10.6GHz時，超寬帶圓片單極天線在水平面（xoy面）方向圖的仿真和實驗結果如圖4所示。在各頻率上，該天線水平面近似全向輻射，尤其在頻率3.1GHz處，方向圖有非常良好的全向性；當天線諧振頻率升高時，方向圖略有起伏。總體來說，天線在各頻率的方向圖較穩定，且仿真與實驗結果吻合較好。

在頻率分別為3.1，6.85，10.6GHz時，超寬帶圓片單極天線零相位表面電流分布的仿真結果如圖5所示。由圖可知：電流主要分布在圓片下端點附近和地板中心，表明天線的輻射主要來自饋電區域附近。文獻［8］認為，開放空間突然出現的時變電場（位移電流）是脈沖電磁波輻射的根本原因。對圓片單極天線來說，饋電點是主要的不連續結構，即輻射脈沖主要來自饋電區。當頻率為3.1GHz時，天線的電流只有高端1個零點，呈現單極天線特性；當頻率上升為6.85，10.6GHz時，上下兩邊均出現零點，這是因為天線的電長度隨頻率升高而增大。

圖4 超寬帶圓片單極天線方向圖Fig.4 Radiation pattern of circular disc monopole UWB antenna

圖5 超寬帶圓片單極天線表面電流分布Fig.5 Surface current distribution of circular disc monopole UWB antenna

2 多環單極天線

圓片單極天線因結構的特殊性，導致天線的風載較大，抗風能力較差，當風力較大時極易造成天線的變形而影響信號的接收和發射，如圓片單極天線尺寸較大，甚至會導致饋電點處的折斷。解決方法一是在天線的地板上加裝用于支撐的介質材料底座，二是減小天線的風載面積。

2.1 不同饋電方式的多環單極天線

多環單極天線由同心圓環構成，用穩定的結構連接饋電點。對三角形、倒三角形以及具有一定寬度直線的三種線形連接饋電點進行了仿真。三環單極天線的結構如圖6所示。除饋電區域外，三種天線的尺寸與圓片單極天線一致，此外環寬r12＝0.5mm，三個圓環外半徑分別為3.67，7.33，11.00mm，即三環均布。饋電區域三角饋電饋線最寬處距離1.85mm，漸變至0.5mm；倒三角饋電最寬處距離5mm，漸變至0.5mm；直線饋電饋線寬a＝0.5mm。上述饋電區域的尺寸經多組仿真調整，性能為最優。

圖6 不同饋電方式的三環單極天線Fig.6 Three－ring monopole antenna with different feeding type

上述三種不同饋電方式三環單極天線反射損耗的仿真結果如圖7所示。倒三角饋電在頻率為5GHz時反射損耗出現了一個較大的尖峰，而三角饋電和直線饋電在整個頻帶上的反射損耗特性相差無幾，可保證在頻帶3.1～30GHz的范圍內反射損耗基本小于－10dB。考慮實際加工制作，直線饋電方式更簡便，為此以下重點討論直線饋電多環單極天線的特性。

圖7 不同饋電方式三環單極天線的反射損耗Fig.7 Return loss of three－ring monopole antennas with different feeding type

2.2 主要結構參數對天線性能的影響

環數和環寬都可能對多環單極天線性能產生影響。在上述直線饋電多環單極天線基本尺寸不變的條件下，均勻分布的環數n分別為3，5時天線的反射損耗如圖8所示。由圖可知：兩者非常相近，表明環數對天線的反射損耗幾無影響。仿真和實驗中發現，當環均勻分布，且n≥3，天線的性能均可接受。

圖8 不同n的反射損耗Fig.8 Return loss under various n

在上述直線饋電三環單極天線基本尺寸不變的條件下，不同環寬r12時天線的反射損耗如圖9所示。需說明的是，為便于加工制作，設定天線的饋電線寬度與環寬相同，即a＝r12。由圖可知：天線的反射損耗在環寬較細（r12＝0.25mm）時可保證在頻率3.1～30.0GHz的范圍內反射損耗基本小于－10dB；當r12由0.25mm增大至3.00mm時，天線的反射損耗逐漸降低；若環寬繼續增大，圓環則會重疊變為圓片。

2.3 天線性能分析

至此，實際加工制作了一個三環單極天線，天線實物如圖10所示。其d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm，r12＝1mm，三個圓環外半徑分別為3.67，7.33，11.00mm，直線饋電線寬a＝1mm。對該天線進行仿真和測試，結果如圖11所示。

圖9 不同r12的反射損耗Fig.9 Return loss under various r12

圖10 三環單極天線實物Fig.10 Three－ring monopole antenna

圖11 三環單極天線的性能Fig.11 Performance of three－ring monopole antenna

由圖11（a）可知：與仿真結果相比，實際測量的反射損耗曲線略向高頻移動，但整體與仿真結果吻合較好，僅在頻率5GHz處有一個較大的尖峰，在頻率3～30GHz的范圍內，反射損耗基本保持低于－10dB。由圖11（b）可知：頻率為3.1GHz時，全向性良好，隨著頻率的升高，方向圖出現一定的起伏。

3 波浪邊緣圓片單極天線

圓片單極天線及其變形形式阻抗帶寬的高頻端幾乎都在20GHz以上，從頻率復用的角度來說，這些天線有一定的實用價值，可用1副天線覆蓋超寬頻帶，實現一機多用，但不同的應用條件對天線帶寬的要求各異。如將天線的工作頻率限制在FCC規定民用超寬帶通信的頻段3.1～10.6GHz范圍，上述各種天線形式會因過高的高頻帶寬而受干擾，為此基于圓片單極天線提出了一種能阻陷天線高頻端的波浪邊緣單極天線。

3.1 天線基本結構

波浪邊緣圓片單極天線的基本結構與超寬帶圓片單極天線相同，由邊長為d的正方形地板和垂直于地板的金屬片組成，厚度均為g，采用同軸饋電的方式，饋電點為圓片的下端點與地板正中心，饋電高度為h；差別在于輻射片的形狀，此處的輻射片不是一個單純的圓片，而是在半徑為r的圓片周邊均勻削去部分類似半圓的形狀。切削時將圓周均勻分為n0份，以每一圓周等分點為原心，畫出半徑為r0的小圓片，切削掉小圓片與原大圓片重合部分。需注意：為保證天線的饋電位置不變，饋電點應選擇在某一段未被切削的大圓片圓弧曲線中心。n0＝6時的天線如圖12所示。

圖12 波浪邊緣圓片單極天線Fig.12 Circular disc monopole antenna with wavy－edge

3.2 主要結構參數對天線性能的影響

仿真中發現，切削小圓片時r0，n0對天線反射損耗有較大的影響。在大圓片半徑r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm條件下，研究了不同r0，n0時的天線反射損耗。

n0＝6時，不同r0的波浪邊緣圓片單極天線反射損耗如圖13所示。由圖可知：天線出現了高頻端陷頻特性，切削半徑越大，天線在高頻端的反射損耗性能就越差，可用帶寬范圍越窄，r0＝1mm時，反射損耗小于－10dB的頻率范圍為3.1～14.5GHz，r0＝4mm時，反射損耗小于－10dB的頻帶范圍僅為4.8～7.6GHz，r0＝2mm時，反射損耗性能適中，小于－10dB的頻帶范圍為3.1～12.5GHz。

圖13 波浪邊緣圓片單極天線不同r0的反射損耗Fig.13 Return loss under various r0of circular disc monopole antenna with wavy－edge

r0＝2mm時，不同n0的波浪邊緣圓片單極天線反射損耗如圖14所示。由圖可知：當n0＝12（過多）時，天線低頻端的性能變差，反射損耗小于－10dB的低頻端點為3.5GHz；當n0＝4（過少）時，天線反射損耗總體過高且在高頻23～26GHz處又出現了一多余的諧振頻點；當n0＝6時，反射損耗和帶寬特性均可接受。

圖14 波浪邊緣圓片單極天線不同的n0反射損耗Fig.14 Return loss under various n0of circular disc monopole antenna with wavy－edge

3.3 天線性能分析

由仿真分析和調整，選定性能最優的天線結構參數為：r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm，r0＝2mm，n0＝6，對該波浪邊緣圓片單極天線的主要性能進行了分析。

不同頻率的上述波浪邊緣圓片單極天線反射損耗如圖15所示。由圖可知：在超寬頻帶3.1～12.5GHz范圍內，天線反射損耗的仿真結果小于－10dB；實測結果在低頻端與仿真結果略有差異，在高頻端吻合較好，總體趨勢與仿真結果一致，在希望的頻帶3.1～10.6GHz范圍內反射損耗較好，高頻端反射損耗較差，有效抑制了高端頻率。

圖15 波浪邊緣圓片單極天線反射損耗Fig.15 Return loss of circular disc monopole antenna with wavy－edge

波浪邊緣圓片單極天線輻射方向圖仿真和測量結果如圖16所示。由圖可知：與圓片單極天線類似，xoy面的方向圖也近似全向，且增益并未因圓片邊緣的波浪結構而減小，仿真與實驗結果吻合較好，在頻帶范圍內方向圖較穩定，僅在頻率10.6GHz時測量結果與仿真結果相比不對稱，這可能是由測試過程中天線放置方向偏差或手工加工的地板不能保證完全水平造成的。

在不同頻率的波浪邊緣圓片單極天線零相位表面電流分布的仿真結果如圖17所示。由圖17可知：電流除主要分布在圓片下端點及地板中心，另有部分分布在饋電點兩側被削去的小圓片圓周上。實際上，越靠近饋電點的輻射區域，其對應的電尺寸就越短，頻率越高，而饋電點兩側被削減掉的圓片原對應的是高頻部分，削減后必然會破壞天線的高頻特性；對天線的低頻部分，因原本在天線上部電流分布較稀疏，故削減結構對其影響較小。從表面電流分布可解釋波浪邊緣分布的圓片單極天線具高頻抑制特性的原因。

圖16 波浪邊緣圓片單極天線方向圖Fig.16 Radiation pattern of circular disc monopole antenna with wavy－edge

圖17 波浪邊緣圓片單極天線表面電流分布Fig.17 Surface current distribution of circular disc monopole antenna with wavy－edge

4 電阻加載圓片單極天線

加載天線在天線的適當位置插入某種元件或網絡，以改變天線上的電流分布，改善天線電特性、拓展帶寬。電阻加載形式的圓片天線能有效實現天線的小型化。

4.1 天線基本結構

電阻加載圓片單極天線的基本結構與立體結構的圓片單極天線相同，主要由邊長為d的正方形地板和垂直于地板的半徑為r的金屬圓片組成，采用同軸饋電方式，饋電點為圓片的下端點與地板的正中心，圓片與地板之間的饋電高度為h，金屬的厚度為g，加載的電阻豎直連接在輻射圓片的下邊緣與地板間，在y軸上與中心的距離為y0，阻值為R。為獲得全向性方向圖，避免方向圖不均勻，在圓片兩側對稱的放置各放置電阻1個，形成的載圓片單極天線如圖18所示。其中：r＝11m，d＝65m，h＝0.5m，g＝mm。

圖18 電阻加載圓片單極天線Fig.18 Resistive loaded circle disc monopole antenna

4.2 主要結構參數對天線性能的影響

用仿真方法討論了電阻加載天線的加載位置與阻值對天線性能的影響。

R＝50Ω時不同y0的反射損耗如圖19所示。由圖可知：當y0過小（如y0＝1mm）時，天線的反射損耗與不加載幾乎完全相同，未實現小型化；當y0增大至約5mm時，反射損耗雖有向低頻端擴展的趨勢，但數值過大；當y0＝10mm時，反射損耗在整個頻帶上取值較理想，該位置約為天線最低工作頻率對應波長λL的0.1倍（上述位置均為圓片的下半部分）。此外，研究了電阻直接加載在圓片上半部分與地板間不同位置的狀況，仿真結果表明：電阻加載在圓片上半部分任何位置都基本無拓展低頻帶寬作用，這主要是因為電流在圓片的上半部分分布很少，尤其是圓片頂端，基本處于電壓波節點，電流幾乎為零。

y0＝10mm時，不同R的反射損耗如圖20所示。當R較小時，天線對低頻端的擴展作用不明顯，如R＝10Ω時，反射損耗小于－8dB的低頻端點由不加載的2.95GHz變為加載后的2.3GHz，根據相似原理，天線的尺寸僅縮小為原來的78%；R取值過大，雖反射損耗效果非常好（R＝100Ω時，幾乎可保證在所有的頻率上反射損耗均小于－10dB），但電阻的損耗過大會導致天線效率降低。因此，綜合考慮天線的帶寬和效率，取R＝50Ω。

圖19 不同y0的電阻加載圓片單極天線反射損耗Fig.19 Return loss with various y0of resistive loaded circle disc monopole antenna

圖20 不同R的電阻加載圓片單極天線反射損耗Fig.20 Return loss with various Rof resistive loaded circle disc monopole antenna

4.3 天線性能分析

對參數為r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm，y0＝10mm，R＝50Ω的電阻加載圓片單極天線的性能進行分析。

不同頻率的電阻加載圓片單極天線反射損耗如圖21所示。由圖可知：在頻率0～23GHz范圍內，天線反射損耗的仿真結果均小于－10dB，實測值結果與仿真總體結果較吻合；在低頻端，實測值略高于仿真結果；在頻率10GHz以上，實測值低于仿真結果，實測電阻加載圓片單極天線在頻率0～30GHz范圍內反射損耗均小于－7dB，帶寬特性良好。

圖21 電阻加載圓片單極天線的反射損耗Fig.21 Return loss of resistive loaded circle disc monopole antenna

圖22 電阻加載圓片單極天線的增益Fig.22 Gain of resistive loaded circle disc monopole antenna

不同增益的電阻加載圓片單極天線反射損耗如圖22所示。由圖可知：與前文提及的天線相比，該天線在低頻端的增益有較大幅度下降，這是因為天線電流沿線傳播時，在向周圍空間輻射能量的同時，沿線分布加載的電阻也消耗了電磁能量，致使其效率較低。在頻帶1.8～3.0GHz范圍內，增益為－10～2dB；在頻帶3.0～11.0GHz范圍內，增益的變化范圍仍基本與其他天線一致（2～7dB），仍保持了良好的穩定性。

電阻加載圓片單極天線的輻射方向圖如圖23所示。由圖可知：低頻端仿真與實測方向圖吻合較好，仍具全向特性，但輻射較弱，增益均為約－10dB。在高頻端，仿真與實測結果均與未加載天線相似，但實測高頻端方向圖不均勻，這可能是由電阻遮擋導致的。

在頻率分別為1.8，3.1，10.6GHz條件下電阻加載圓片單極天線零相位表面電流的分布如圖24所示。由圖可知：天線在低頻端的電流分布較前述天線有較大的改變，大部分電流都因電阻加載作用被吸收，地板上電流密度較大，圓片上端幾無電流分布；在較高頻率的范圍（3.1～10.6GHz）內，電流分布與不加載的立體圓片單極天線非常類似，即天線在頻率3.1～10.6GHz的電特性幾乎不變，保持了原良好的阻抗特性和輻射特性。

圖23 電阻加載圓片單極天線的方向圖Fig.23 Radiation pattern of resistive loaded circle disc monopole antenna

圖24 電阻加載圓片單極天線的表面電流分布Fig.24 Surface current distribution of resistive loaded circle disc monopole antenna

5 結束語

本文根據實際應用，提出了幾種超寬帶圓片天線的改進設計，并利用仿真和實驗對其基本性能進行了驗證。為解決天線的風載問題，提出了超寬帶多環單極天線，設計的天線能在保持天線基本超寬帶特性的前提下提高天線的抗風能力，該天線還可制成可折疊的便攜式天線。為適應不同應用條件對天線帶寬的要求，基于圓片單極天線設計了具有高頻抑制功能的波浪邊緣圓片單極天線、以及電阻加載圓片單極天線，性能均較好。本文的各種超寬帶圓片單極天線改進結構的電特性有其良好的應用前景和實際應用價值。

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