一種超寬帶貼片天線的設(shè)計(jì)與研究

　　摘要：隨著無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)的不斷完善發(fā)展，對(duì)天線性能提出了體積小、重量輕、制作簡(jiǎn)單和寬頻帶等特性要求，超寬帶天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過介紹超寬帶貼片天線的技術(shù)特性、研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)，提出了一種特有的超寬帶貼片天線設(shè)計(jì)方案。簡(jiǎn)要介紹了Ansoft HFSS仿真軟件，且用其對(duì)回波損耗和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖進(jìn)行仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)的天線的帶寬大致在1.50~11.50GHz范圍內(nèi)，且在WLAN頻段達(dá)到了良好的陷波特性，有效地抑制了超寬帶通信與窄帶通信之間的潛在干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿足了超寬帶的頻帶要求。

　　引言

　　隨著當(dāng)前通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，頻譜效率、速率越來越高，帶寬也不斷增寬。無線通信網(wǎng)絡(luò)綜合一體化是一個(gè)趨勢(shì)，各種無線技術(shù)都將在這一體化的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮自己的作用。從移動(dòng)通信來看，3G乃至4G技術(shù)將成為主導(dǎo)，從而形成對(duì)全球的廣泛無縫覆蓋;而WLAN、WiMAX、UWB等寬帶接入技術(shù)，將因其各自不同的技術(shù)特點(diǎn)，在不同覆蓋范圍或應(yīng)用區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)形成有效互補(bǔ)。本文對(duì)超帶寬(UVB)貼片天線技術(shù)做了一個(gè)系統(tǒng)的闡述，并對(duì)貼片天線做了新的設(shè)計(jì)方案，通過HFSS 12.0進(jìn)行了系統(tǒng)仿真的優(yōu)化，并最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　超寬帶天線技術(shù)簡(jiǎn)介

　　超寬帶天線(UWB)技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)。它有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。重量輕，體積小，制作簡(jiǎn)單且寬頻帶。從2002年美國(guó)FCC允許將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域以來^[1]，迅速發(fā)展為未來短距高速商用無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有力競(jìng)爭(zhēng)方案。

　　UWB天線覆蓋非常寬的頻率范圍，多用于移動(dòng)設(shè)備，所處位置不固定，擺放角度隨機(jī)，因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脈沖編碼，需要有較好的時(shí)域特性，也要求其具有非色散特性，即平坦的幅頻響應(yīng)和在帶寬內(nèi)的線性相位。因FCC建議的3.1~10.6GHz頻段與WLAN有沖突，研究熱點(diǎn)集中在具有帶阻功能的UWB天線，很多人提出了采用了寄生耦合，對(duì)接地面處理、分形等技術(shù)的具有濾波器功能的新型設(shè)計(jì)。

　　HFSS簡(jiǎn)介和設(shè)計(jì)流程^[2]

　　HFSS簡(jiǎn)介

　　HFSS是美國(guó)Ansoft公司開發(fā)的基于電磁場(chǎng)有限元法分析微波工程問題的全波三維電磁仿真軟件。廣泛應(yīng)用于航空、電子、通信等多個(gè)領(lǐng)域，有精確的場(chǎng)仿真器，強(qiáng)大的電性能分析能力和后處理功能，可用于分析、計(jì)算并顯示S、Y、Z等參數(shù)矩陣，電壓駐波比(VSWR)，端口阻抗和電流分布，天線輻射方向圖和各種天線參數(shù)如增益、方向性、波數(shù)寬度等。借助HFSS，能有效降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，為設(shè)計(jì)實(shí)物天線做出理論和現(xiàn)實(shí)保障。

　　HFSS設(shè)計(jì)流程

　　HFSS進(jìn)行電磁分析和高頻器件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要流程如圖1所示，設(shè)計(jì)時(shí)選擇模式驅(qū)動(dòng)求解。根據(jù)天線初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在HFSS模型窗口中創(chuàng)建天線的HFSS參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)中，與背景相接觸的表面默認(rèn)設(shè)置為理想邊界，為模擬無限大的自由空間，該表面也設(shè)置為輻射邊界條件或理想匹配層邊界條件，這樣HFSS才會(huì)計(jì)算天線的遠(yuǎn)區(qū)域輻射場(chǎng)。由于天線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號(hào)，其與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面。天線設(shè)計(jì)中饋電面的激勵(lì)方式主要有兩種，分別是波端口激勵(lì)和集總端口激勵(lì)，與背景相接觸饋電面的激勵(lì)方式使用波端口激勵(lì)。設(shè)置求解參數(shù)時(shí)要設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)，而求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。

　　上述操作完成，即可執(zhí)行求解分析操作命令來仿真計(jì)算。經(jīng)分析結(jié)果收斂，說明設(shè)置的參數(shù)達(dá)到精度要求。求解分析完成后，在數(shù)據(jù)后處理部分可查看HFSS分析出的天線的各項(xiàng)性能參數(shù)，如回波損耗(S11)，電壓駐波比(VSWR)、輸入阻抗、天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖、軸比和電流分布等。此時(shí)仿真計(jì)算的

　　天線性能滿足設(shè)計(jì)要求，接著著手天線的制作和調(diào)試工作。

　　超寬帶貼片天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

　　超寬帶貼片天線

　　UWB通信系統(tǒng)采用FCC開放的3.1~10.6GHz頻段，有目前商業(yè)通信系統(tǒng)中最大的7.5GHz的帶寬分配，也就決定了UWB信號(hào)的寬帶特殊性。貼片天線因?yàn)闈M足了重量輕、體積小、制作簡(jiǎn)單、易共形和寬頻帶等特性要求而深受關(guān)注，近年來的應(yīng)用也越來越廣泛。本文致力于研究超寬帶貼片天線的設(shè)計(jì)工作。貼片天線常用在高頻的工作狀態(tài)，有全方向輻射的優(yōu)點(diǎn)，它的類型有多種多樣，由圓形、橢圓、方形演化的居多，本文綜合以往成果，結(jié)合學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種別樣的貼片模型。