一種小型的“Y”形超寬帶天線

何之煜　劉運林

摘 要： 提出了一種以微帶線饋電的小型“Y”形超寬帶天線，尺寸為30 mm×30 mm。天線由“Y”形輻射貼片，雙“8”字形諧振片以及帶矩形槽的接地面三部分構成。利用三維電磁仿真軟件對天線的回波損耗、增益、方向圖等參數進行了仿真，達到電壓駐波比（VSWR）< 2的頻帶范圍為3.06～13.89 GHz，頻帶寬度達到了10.83 GHz，并且天線顯示出較好的全向輻射特性，天線的結構簡單，易于制作，可用于超寬帶通信系統。

關鍵詞： 超寬帶天線； 回波損耗； 增益； 輻射方向圖

中圖分類號： TN820.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0073?04

A small?size ultra?wideband Y?shaped antenna

HE Zhi?yu， LIU Yun?lin

（School of Physics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： A new design of compact microstrip?fed ultrawideband （UWB） antenna is presented， whose total size is 30 mm×30 mm. The antenna consists of a Y?shaped radiating patch， a pair of “8”?shaped resonance chips and a grounding plane with a rectangular slot. The 3?D electromagnetic simulation software is applied to simulating the parameters such as return loss， gain and radiation pattern of the antenna. Simulated results show that the antenna′s frequency band range is 3.06～13.98 GHz， whose voltage standing wave ratio （VSWR） is less than 2， which can provide a wide usable bandwidth of 10.83 GHz. The antenna reveals a good omni?directional radiation characteristic. The antenna configuration is simple， easy to fabricate， and can be integrated into UWB systems.

Keywords： UWB antenna； return loss； gain； radiation pattern

0 引 言

近年來，超寬帶（UWB）通信系統，由于其高數據傳輸率（大于100 Mb/s），高信息容量，易于制作，低成本等優勢，已引起了廣泛的關注。2002年，美國聯邦通信委員會（FCC）通過將3.1～10.6 GHz頻段作為民用通信領域的決議[1]。此后，超寬帶天線，作為超寬帶系統的重要組成部分，以其寬頻帶、全向輻射性、低剖面、低成本等特點，成為了研究的熱點。

近十年間，大量不同結構的平面超寬帶天線涌現出來，文獻[2?7]給出了如矩形、橢圓、圓形、蝶形等結構的平面超寬帶天線。在文獻[8]中，通過對貼片部分開“W”形縫隙和饋線兩端加一對“6”形諧振圈，天線產生兩處諧振，具有寬頻帶特性。在文獻[9]中，通過對橢圓貼片開“C”形縫以及對接地平面開橢圓形槽，天線產生4處諧振，頻帶達到3.29 GHz。在文獻[10]中，天線利用漸變式的微帶饋線，并通過對接地面的優化，達到寬頻帶的效果。在文獻[11]中，通過在貼片部分開“U”形縫隙，天線在工作頻帶內多產生一處諧振，從而拓寬了頻帶。

基于以上的研究背景，本文嘗試了一種結構簡單，以微帶線饋電的“Y”形超寬帶天線，利用三維電磁仿真軟件對天線進行一系列的仿真、分析及優化，包括回波損耗[S11]參數、輻射方向圖、某些頻點的電流分布等，通過研究某些參數對于天線性能的影響，從而確定了最佳尺寸，天線的頻帶寬度為3.06～13.89 GHz。

1 天線結構設計

如圖1所示，天線由“Y”形輻射貼片，帶槽接地平面和兩個“8”字形諧振貼片三部分組成。天線貼片和接地平面的尺寸標示如圖2，圖3所示。饋電兩端雙“8”字形諧振片的尺寸標示如圖4所示。該天線印制在一塊相對介電常數為4.4，介質損耗[tanδ=0.02，]厚度為1.6 mm的FR4?exopy介質基板上，天線的尺寸大小為W×L（W=30 mm，L=30 mm），該天線的饋線端與50 Ω?SMA的信號傳輸器連接。為了達到較好的阻抗匹配，饋線的寬度設置為[w1=]3.5 mm，長度設置為[l1=]11 mm。在天線的接地平面（[w=]30 mm，[l5=]10 mm）中央挖了一個矩形槽，大小為2.5 mm×5.5 mm。在輻射貼片一面，饋線兩端分別放置了一個“8”字形諧振貼片，有助于阻抗的匹配和頻段的拓寬，天線的具體尺寸如表1所示。

2 仿真結果分析

利用高頻電磁仿真軟件對天線性能的各項指標進行仿真，比如回波損耗，輻射方向圖，電流分布等，并且對于某些參數的變化對于天線性能的影響也做了仿真與分析。

在饋線兩端各放置一個“8”字形諧振片，用于天線饋端的阻抗匹配，并且能拓寬天線的工作頻帶范圍。天線在是否有雙“8”字形諧振片情況下，回波損耗[S11]參數的變化曲線圖，如圖6所示。可以看出，在加入雙“8”字形諧振片之后，原天線在9.2～10.8 GHz頻段的回波損耗能達到-10 dB以下，因此，該諧振片結構對于拓寬天線帶寬有很大的作用。

如圖3所示，在天線的接地平面上，挖有一個尺寸為[w8×l9]的矩形槽（[w8=]2.5 mm，[l9=]5.5 mm）。不同矩形槽的寬度[w8]對于天線性能的影響，如圖7所示?？梢钥闯觯煌叽绲木匦尾蹖τ谔炀€的回波損耗有很大的影響 ，因此，接地平面的結構對于天線的性能也有很大的影響。

天線分別在3.8 GHz，9 GHz和11.6 GHz處的電流分布情況，如圖8所示。圖8（a）表示的天線在3.8 GHz處的電流分布情況，可以看出，當頻率為3.8 GHz時，電流在饋線端的邊緣表示為紅色。圖8（b）表示的是當頻率為9 GHz時，天線的電流分布情況，可以看出，此時天線的電流大多分布于雙“8”字形諧振片上。圖8（c）則表示的是當頻率為11.6 GHz時，天線的電流分布情況，可以看出，此時電流分布主要集中于位于接地平面的矩形槽以及其對于饋電的邊緣位置。

天線在掃頻范圍內增益變化的曲線，如圖9所示。可以看出天線具有較穩定的增益，增益范圍為1.5～4.7 dB。

天線在y?z面和x?z面上的輻射方向圖，如圖10所示。選取的頻點分別是4 GHz，6 GHz和8 GHz，通過仿真天線在y?z面和x?z面上的方向圖，可以分析天線在不同頻點上的輻射情況，并且在圖中同時顯示出了天線在y?z面和x?z面上的共面極化（co?polarization）和交叉極化（cross?polarization）。可以看出，天線在y?z面顯示出良好的全向輻射特性，而在x?z面上，天線則顯示出了類似于偶極子天線的雙向輻射性，可用于雙向輻射特性的通信系統。

3 結 論

本文分析了一種以微帶線饋電的小型“Y”形微帶天線，尺寸為30 mm×30 mm。利用三維電磁仿真軟件仿真出的工作頻帶范圍為3.06～13.89 GHz，頻帶寬度達到了10.83 GHz，因此，回波損耗S11參數曲線圖表示文中所設計的天線具有超寬帶特性，屬于超寬帶天線。另外，通過改變某些參數，發現饋線兩側的雙“8”字形輻射片和接地面上的矩形槽的尺寸對于天線的頻帶特性有很大的影響。文中還對天線的增益特性進行了仿真，從結果可以看出，天線具有較好的增益，并且在8.5 GHz時達到了4.7 dB。同時，從對天線的輻射方向圖結果可以看出，天線在y?z面具有全向輻射特性，而在x?z面上，則具有類似于偶極子的雙向輻射性。因此，文中所提出的天線具有良好的超寬帶特性，可以用于超寬帶通信系統。

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