小型共面波導饋電超寬帶天線設計

1 引言

自從2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）將3.1-10.6GHz頻段劃歸超寬帶（UWB）的民用頻段，UWB無線通信系統(tǒng)的設計和應用便成為了無線通信領(lǐng)域激烈競爭的焦點。作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線的設計也成為了科學界和工程界的熱門研究課題。與以往的天線設計要求相比，UWB通信系統(tǒng)不僅要求天線具有很小的體積、較寬的帶寬、一定的輻射效率和全向輻射特性，還要具備較好的脈沖信號保真度。

近年來已經(jīng)有許多各種各樣的UWB天線相繼被提出。雖然這些天線具有較大的阻抗帶寬和良好的輻射方向圖，但是尺寸大部分都比較大，難于制造并與射頻前端集成。因此，小型UWB 天線設計成為近年來實驗研究的一大熱點。現(xiàn)有的大部分平面超寬帶天線尺寸一般介于25x25 mm²至40x50 mm²之間，也有尺寸大小為18x30 mm²的超寬帶天線被提出，但是很少能有尺寸更小的超寬帶天線，特別是共面波導饋電類超寬帶天線。前段時間有一個尺寸僅為11x30 mm²的超寬帶天線被提出，但其-10 dB阻抗帶寬僅為3.1-4.8 GHz。

本文提出的小型超寬帶天線尺寸僅為13x30x1.6 mm³，而且天線與地板在介質(zhì)板的同一層，易于加工并與射頻電路集成。盡管尺寸很小，但是在3.1-10.6 GHz內(nèi)該天線仍然滿足VSWR 2，具有良好的寬帶阻抗匹配特性。該天線的H面方向圖在低頻時是全向的，隨著頻率的增加，全向性有一定的惡化，但仍然是接近全向的。由于尺寸太小，所以天線的增益較小，這對于應用于短距通信（小于10米）影響不大。所以該天線非常適用于小型超寬帶系統(tǒng)，特別是手持超寬帶系統(tǒng)的使用。

2 天線設計

本文提出的小型共面波導饋電超寬帶天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線的平面尺寸為LxW =13x30 mm²。其主要輻射單元是一個不對稱且不規(guī)則的金屬片，通過在一個兩端不規(guī)則切角矩形片的一端開槽，再在該槽右端附加一條L形的金屬帶，從而實現(xiàn)延長電流路徑的目的。共面波導傳輸線具有50om的特性阻抗，寬度為L₁= 4 mm,與地板之間的間隔為g=0.5 mm。該傳輸線的長度僅有W₉=6 mm。地板是由傳輸線兩端的兩條相同的經(jīng)過折疊彎曲后的窄金屬帶組成的。靠近饋線與天線的連接處的地板各切去了一個1x1mm的三角形，以此來實現(xiàn)更好的阻抗匹配。該天線被印制在相對介電常數(shù)為er=4.4，厚度為h=1.6 mm的FR4介質(zhì)板的同一側(cè)。這種共面結(jié)構(gòu)容易加工與集成，成本低廉，且與射頻電路之間的影響很小。天線的各個參數(shù)是通過使用Ansoft公司的HFSS軟件仿真優(yōu)化的結(jié)果，最優(yōu)的結(jié)果為：L=30 mm, W=13 mm, L₁=4 mm, L₂=2.5 mm, L₃=3 mm, L₄=5 mm, L₅=1 mm, L₆=7 mm, L₇=1.5 mm, L₈=4.8 mm, L₉=10 mm, L₁₀=22.7 mm, W₁=3 mm, W₂=6.1 mm, W₃=3 mm, W₄=2 mm, W₅=1 mm, W₆=5.8 mm, W₇=1 mm, W₈=1 mm, W₉=6 mm, g=0.5 mm, h=1.6mm, L_slot=4 mm, W_slot=0.5 mm。天線的實物照片如圖2所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 天線實物圖

3 結(jié)果與討論

天線的測量使用了安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡分析儀，型號為N5230A。圖3為電壓駐波比（VSWR）的測量與仿真結(jié)果對比圖，這兩個結(jié)果吻合的很好，高頻部分的不吻合是由于SMA頭的影響造成的。很明顯，仿真結(jié)果和測量結(jié)果的第一個諧振頻率均在3.3 GHz左右，表明我們期望的通過延長電流路徑來減小第一諧振頻率的目的得到實現(xiàn)。圖4是天線在不同頻率的仿真電流路徑圖。在3GHz時，天線上的大部分電流都是流向了右端的附加臂上，左邊只有少量的電流分布，天線開槽的附近也分布了大量電流，而地板上的電流大部分都分布在右邊的地板上，左邊地板除了底部位置幾乎沒有多少電流分布。這與我們期望的通過在天線一端開槽并附加一個L形導體帶來延長低頻時的電流路徑吻合。實現(xiàn)了在不增加天線整體尺寸的條件下，將天線的第一個諧振頻率降低至接近3.1 GHz的目的。隨著頻率的增加，天線左部和左邊地板的電流逐漸增加，同時天線右端臂上和右邊地板的電流逐漸減少。如圖3（c）示，當頻率為10 GHz時，天線上的大部分電流均分布在天線左部，右部只有開槽處有較多的電流分布。地板上也是如此，大部分電流均分布在左邊地板上，右邊地板僅有少量電流分布。值得注意的是，沿天線開槽處的電流分布并不隨著頻率的增加發(fā)生很大的變化，一直都較多?？梢娫摬蹖π⌒突瑢拵炀€的實現(xiàn)有很重要的作用。

圖3 天線電壓駐波比圖

（a）3GHz

（b）5GHz

（c）7GHz

（d）10GHz

圖4 天線電流分布圖

（a）3.1 GHz

（b）6.0 GHz

（c）9.0GHz

圖5 歸一化H面（XOZ面）輻射方向圖

圖6 天線增益圖

圖5為天線在3.1，6.0和9.0GHz三個頻點的實測與仿真的歸一化H面（XOZ面）輻射方向圖。由圖可知，天線具有較好的全向性。隨著頻率的增加，天線全向性有一定的惡化，但仍然是接近全向的，表明天線可以收發(fā)各個方向的信號。圖6是天線隨頻率變化的增益圖。由圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，天線的增益并不隨著頻率的增加穩(wěn)定波動。特別是在低頻的時候，天線的增益很小,在3G時增益僅為-1dB。隨著頻率的增加，天線的增益有較大的提高。由于尺寸很小，且具有很寬的阻抗匹配帶寬，所以該天線很適合使用在一些小型手持UWB設備上，尤其是短距離的通信（小于10米）。

4 結(jié)論

本文提出了一種尺寸為13x30mm²的小尺寸共面波導饋電超寬帶天線。仿真與測量結(jié)果表明，該天線實現(xiàn)了在3.1-10.6GHz頻段內(nèi)VSWR2的寬帶阻抗匹配，而且在不同頻率均表現(xiàn)出良好的全向輻射特性。由于該天線尺寸非常小，結(jié)構(gòu)緊湊，而且只占用了介質(zhì)板的一層，所以該天線非常適用于集成到小型手持超寬帶系統(tǒng)中，具有非常廣泛的應用前景。