一種小型化超寬帶共面波導(dǎo)饋電蘑菇形單極子天線

摘要：提出一種簡單的尺寸為23 mmx25 mmx1 mm小型化超寬帶共面波導(dǎo)饋電單板子天線，它由梯形槽口接地板、蘑菇形輻射貼片和RF4介質(zhì)板構(gòu)成。詳細討論了梯形槽口結(jié)構(gòu)和矩形漸變結(jié)構(gòu)對阻抗特性的影響，分析了天線的輻射特性和增益特性，獲得該天線的回波損耗小于-10 dB的帶寬為3～13 GHz，在3～11 GHz頻段內(nèi)具有全向性，增益變化范圍是2．2～5 dB。
關(guān)鍵詞：小型化；超寬帶；共面波導(dǎo)；蘑菇形天線

0 引言
2002年，美聯(lián)邦通信委員會(FCC)通過決議，將3．1～10．6 GHz作為超寬帶系統(tǒng)的工作頻譜范圍，并允許將其應(yīng)用于一些民用無線通信領(lǐng)域。近幾年來，無線通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)也對天線的結(jié)構(gòu)和性能提出了更高的要求。因此易于和通信設(shè)備集成的共面波導(dǎo)饋電的單極子天線得到了廣泛關(guān)注，而小型化超寬帶天線更以其低剖面、低功耗、寬頻帶和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點成為研究的重要對象。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)研究出了不少超寬帶天線，文獻提出了一種新型的平面印制單極子天線，此天線結(jié)構(gòu)簡單，全向性較好，但并沒有達到超寬帶低頻的要求。文獻的超寬帶天線均采用共面波導(dǎo)饋電方式和寬縫隙結(jié)構(gòu)，通過輻射貼片與寬縫隙之間的耦合形成了超寬帶的性能。不足的是其尺寸較大或增益較小。文獻中提出采用微帶線結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，在保證良好阻抗匹配的同時也存在著尺寸較大等問題，在某些無線移動通信設(shè)備應(yīng)用中存在著一定程度上的局限性。
本文提出一種采用共面波導(dǎo)饋電的蘑菇形輻射貼片與梯形槽口組合而成的超寬帶單極子天線。使用仿真軟件分析了該天線結(jié)構(gòu)中的一些參數(shù)對天線阻抗特性的影響，并分析了天線的輻射特性及增益特性。

1 天線結(jié)構(gòu)
天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為俯視圖，圖1(b)為側(cè)視圖。半徑為R的半圓形輻射貼片下方加載兩個適當尺寸的矩形帶狀貼片，形成類蘑菇形結(jié)構(gòu)。梯形槽口的接地板和蘑菇形貼片印制在FR4基板的同一側(cè)，基板相對介電常數(shù)為4．4，尺寸W=23 mm，L=25 mm，h=1 mm。為了獲得更好的阻抗匹配，采用漸變共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，中間饋線寬度Wg=2．4 mm。部分天線尺寸如下：g=0．5 mm，L1=5 mm，L2=14．5 mm，L4=1 mm，L5=1 mm，W1=9．8 mm，W3=17 mm，W5=1．7 mm，R=4．2 mm。

2 仿真分析與結(jié)果
為了獲得更好的阻抗特性和輻射特性，這里討論了槽口結(jié)構(gòu)和矩形漸變結(jié)構(gòu)尺寸對天線性能的影響。分析某一參數(shù)的影響時，其他參數(shù)保持不變。

2．1 參數(shù)分析
該天線通過對接地板開梯形槽，并通過加載矩形帶狀貼片作為漸變結(jié)構(gòu)來調(diào)整和改善天線的輸入阻抗，因此接地板的槽口結(jié)構(gòu)及輻射貼片的漸變結(jié)構(gòu)對該天線的性能影響較大。下面將主要通過仿真分析s，W2，L3，W4等參數(shù)對天線阻抗帶寬的影響，仿真結(jié)果如圖2～圖5所示。
從圖2可以看出參數(shù)s主要影響阻抗帶寬的低頻段和高頻段。s值的大小代表共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的漸變程度，當參數(shù)s逐漸增加時，低頻段回波損耗減小，低頻段帶寬得到擴展，但高頻段回波損耗增大，當s=0．7 mm，13 GHz頻點處S11參數(shù)已經(jīng)不能滿足小于-10 dB的要求。