基于共面波導饋電的超寬帶天線研究與設計

周瑞城

摘要：為了更好的符合超寬帶天線的性能要求，本文根據天線結構的特點進行設計，采用的材料為2.65的聚四氟乙烯，設計天線的尺寸為長35毫米，寬35毫米，高1.6毫米，并利用仿真軟件HFSS對天線的參數進行仿真，然后對仿真結果進行分析，最后通過分析其參數得到優化尺寸。

關鍵詞：共面波導饋電;超寬帶天線;結構設計;HFSS仿真;參數優化

前言

在早期，人們使用微帶天線，它的最大優勢是體積小和重量輕，但受很窄頻帶的限制，不能起到很大的發揮作用。隨著通信系統快速發展，其小型化和寬帶化取得長遠的進步。由微帶天線過渡到小型化超寬帶，簡稱為UWB。小型化超寬帶之所以引起人們的廣泛關注，是因為美國是第一個使用以3.1千兆赫茲到10.6千兆赫茲作為超寬帶通信頻段。小型化超寬帶通信系統雖然具有體積小、寬帶較寬、輻射效率良好等這些優勢，但是不能更好的和射頻設備集成加上制造困難。因此，研究小型化超寬帶成為全球研究的重點和方向。

1天線結構設計

人們為了把微帶天線的性能發揮到最大化，越來越多的研究者紛紛加入研究天線結構的隊伍，還提出各種各樣的天線結構的構想，有U糟貼片天線、蝴蝶結形等。周旺、李迎松和劉乘源這些研究者采用對稱結構共面波導設計出天線，該天線可達到3.5千兆赫到11.0千兆赫，但該設計存在體積較大的缺陷。輻射貼片一般采用如矩形、圓形環薄片等規則形狀的面積單元。相同的頻率工作的條件，相對于圓形貼片，矩形貼片在效率、增益以及頻帶的方面上更有優勢。增大天線寬帶的方法比較多，如采用多貼片、集總元件加載、縫隙加載等。這些方法有優點也有缺點，比如采用多貼片和集總元件加載會導致天線的結構變得復雜。所以設計天線的過程中，需要從多方面思考，根據不同情況采取對應的方法。本文基于共面波導技術對天線進行設計，把天線放在單層覆銅介質基板上，有共面波導地面以及其非對稱多邊形槽、十字形貼片單元和共面波導饋電結構，其中，共面波導饋電結構包括饋電信號帶和其兩邊的細縫。該電線饋電是通過十字形貼片單元和有限地共面波導進行的。本文設計的天線如圖1所示：

2天線的仿真研究

為保障設計的效果與實用，本文考慮到兩方面，一個是介質基板的厚度，另一個是有限地共面波導結構。根據其結構得出以下公式：

以上公式（1）～（4）主要是用在有限地的共面波導饋電阻抗的計算，由此可算出共面波導的信號帶線的寬度和縫隙寬度。本文利用軟件HFSS對該天線的關鍵參數進行方針與優化。

到現在為止，研究大多數針對對稱共面波導，雖然共面波導是對稱結構，但制作而成的大部分屬于非對稱。非對稱結構的共面波導在實驗設備與器件的應用方面上具有靈活性，有時候特殊情況會需要非對稱結構的共面波導。所以，非對稱結構的共面波導的研究較為普遍。從非對稱多邊形槽尺寸的優化可看出，多邊形槽尺寸每次增大，該天線的抗組特性就越好，因為槽的尺寸得到增大，可以降低輻射貼片與共面波導接地面之間的諧振作用，進而使天線的阻抗帶寬變好。本文還對該天線參數進行掃描且優化，由此可發現，輻射貼片越小，那么輻射能量隨之越小，其寬帶也同樣越小。同理，輻射貼片越大，那么該天線的阻抗寬帶隨之越大。再者，饋電間隙越小，寬帶也會跟著越小，因為縫隙每次減少，會引起耦合電容產生波動，進而使該天線阻抗寬帶變窄。此外，本文設計的天線還具有良好的增益指標，通過仿真發現，當該天線處于2.2千兆赫到8.0千兆赫的頻段內，其增益超過3分貝時，其增益會隨之增大，頻率超過4千兆赫時，其增益會處于穩定狀態，可高達8.17分貝，也就是說與常見的微帶天線相比，該天線的增益效果更好。

綜上所述，相對于各天線，本文設計的超寬帶天線在增益、重量還有體積方面上更具有優勢，也方便了共面波導技術還有缺陷地結構的展開。

3結論

本文通過利用共面波導技術與缺陷地結構以來改善傳統微帶天線的缺陷，如體積大、窄頻帶等。經過優化處理的超寬帶天線可以順利的與射頻設備集成，且所涉及的非對稱結構共面波導饋電天線實現在2.2千兆赫到8.0千兆赫的頻帶范圍內工作。在保障超寬帶天線性能的前提下，該天線結構不復雜，也就是說加工制作容易，還具有增益及穩定性，較符合當前使用通信的需求。

參考文獻

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