一種橢圓單極子超寬帶天線仿真設計

摘 要： 隨著寬帶無線通信的發展，寬帶天線的研究已成為行業研究的熱點，通過對多種單極天線研究，選擇了平面橢圓單極子寬頻天線進行了設計，并對接地板進行切角處理和各項參數分析與優化，實現了寬頻天線的性能要求。與其他各種設計相比，其結構簡單，制作方便。

關鍵詞： 橢圓單極子； 矩形切角； 超寬帶； 輻射圖； 共面波導

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0078?02

Simulation design of elliptical monopole UWB antenna

ZHOU Xi?quan， HUI Peng?fei， ZHAO Yan， TAO Bai?rui

（Communication and Electronic Engineering Institute， Qiqihar University， Qiqihar 161106， China）

Abstract： With the development of broadband wireless communication， broadband antenna has become a hot research focus. Through the research of the monopole antenna， the planar elliptical monopole antenna is designed in this paper. By chamfer processing of earth plate and parameter analysis and optimization of parameters， the performance requirements of broadband antenna is realized. Comparing with other designs， it has simpler structure and is easier to make.

Keywords： elliptical monopole； rectangular corner cut； ultra?wideband； radiation pattern； coplanar waveguide

0 引 言

隨著無線通信技術的快速發展，終端通信設備的小型化和多功能需求日益增多，迫切需要發展各種類型寬頻帶小型天線，以適應各種小型無線終端設備的要求。于是小型化超寬帶印刷微帶天線的研究技術得到快速發展。美國通信委員會于2002年將3.11～10.16 GHz頻段作為超寬通信使用，使超寬天線技術的研究成為一個新的研究熱點。

大量的不同類型超寬帶平面微帶單極子天線出現在相關文獻中，如矩形、橢圓形、圓形和多面形等。文獻[1]～[6]提出了各種類型平面單極子天線，基本都在FCC提出的頻率范圍。通過對各種形狀單極子研究，選擇了一種橢圓結構單極子微帶天線，通過共面波導饋電和對接地板切角處理大大提高了阻抗帶寬，實現了超寬頻率工作范圍。同時應用HFSS軟件進行了參數優化，實現了在3.00～12 GHz寬頻范圍天線的輻射圖基本穩定，其H主平面具有良好的全向性，E主平面具有類偶極子輻射特性，在這個頻段內，其輻射特性有較好的穩定性，使駐波比在帶寬范圍內小于2。

1 天線結構

天線的結構如圖1所示，天線制作在長和寬分別為[L]和[W]的聚四氟乙烯環氧樹脂基板上，其介電常數為2.2，厚度為0.74 mm。介質板面上是橢圓輻射貼片（[k]為橢圓比）和帶有缺口的共面接地板，接地板與微帶饋線采用共面波導結構，橢圓貼片與接地板最小間距為[h，]饋線與地板間距為[h1，]天線采用特性阻抗為50 Ω的微帶線饋電。經優化天線尺寸見表1。

圖1 天線結構

2 仿真結果

天線端口反射系數與頻率變化曲線如圖2所示，駐波比[ρ<2]端口帶寬為3.00～12 GHz，包含UWB工作頻段。

圖2 端口駐波與頻率關系曲線

如圖3為天線在4 GHz，10 GHz頻率下遠場輻射方向圖，從兩種頻率下輻射方向圖可知，FCC頻段內E面圖基本分布趨勢相同，但隨頻率增加逐漸畸變。而H面圖基本保持全向分布趨勢。整個UWB頻段基本保持方向圖分布的穩定，滿足寬頻天線設計要求。

圖3 天線輻射E和H平面方向圖

3 天線參數性能分析

（1）橢圓[r0]對低頻范圍變化影響如圖4所示，橢圓半徑越大，頻帶越向低頻展寬。所以根據超寬帶要求選擇橢圓短軸長度為[r0=]9 mm。

圖4 [r0]變化對天線端口反射影響曲線

（2）天線[W]變化對天線影響如圖5所示，隨著[W]的增加，頻段向高端頻率擴展。

（3）接地板切角[a]（或[b]）對天線影響如圖6所示，隨著[a]的增加頻帶變寬，可以調整頻帶范圍。

圖5 [W]變化對天線端口反射影響曲線

圖6 切角[a]變化對天線端口反射影響曲線

4 結 論

本文通過對超寬帶橢圓單極子天線設計與分析，實現了超寬帶的各項性能指標。借助軟件HFSS進行仿真與優化，天線的S11≤-10 dB阻抗帶寬可到達為3.00～12 GHz。該天線具有小尺寸，超寬頻帶優勢同時，在整個UWB頻段內，有良好的駐波比特性和輻射方向圖的相對穩定，在最大輻射方向可達6.87 dB的增益，且結構簡單，可以實現無線寬頻通信要求。

參考文獻

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