一種基于微帶饋電的平面單極子超寬帶天線
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1 引言
自從2002年美國聯(lián)邦通信委員會 (Federal Communication Committee, FCC)開放超寬帶標準以來,超寬帶技術(shù)引起了人們越來越多的關(guān)注。超寬帶傳輸具有高傳輸率，低輻射、低散射損耗等特點。用于脈沖輻射和接收的超寬帶天線是超寬帶系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)。所以對超寬帶小型化天線的研究一直是一個熱點。
過去幾年的研究表明, TEM 喇叭 、貼片天線和開槽天線等可以作為超寬帶天線使用,其中貼片天線有輪廓低、 重量輕、 容易集成和制造成本低等優(yōu)點 ,在移動通信的應用中有潛在的優(yōu)勢。但是貼片天線的帶寬比較窄,一些研究者已經(jīng)嘗試做了增進帶寬的工作,電阻加載和改變天線的形狀是兩類成功的嘗試。電阻加載會降低天線的效。有的平面單極子天線有一個較大的地板與天線臂垂直放置，這給天線的小型化設(shè)計帶來了不便。共面波導饋電和開槽相結(jié)合的方法也可以增加天線的帶寬。FCC批準商用的UWB 系統(tǒng)可以工作在 3. 1～10. 6 GHz的頻帶內(nèi)，本文嘗試通過改變振子和饋線形狀來增加帶寬。通過仿真結(jié)果可以看出在2.8 GHz-18.6GHz的頻帶內(nèi)回波損耗小于-10 dB。
2 天線結(jié)構(gòu)
天線被設(shè)計在一塊大小為25 mm × 30 mm，厚度為1.9 mm，介電常數(shù)為4.4的Rogers5880基片上。天線采用微帶線饋電，輻射臂和地板分別位于基片的兩側(cè)，地板的大小為25 mm ×14 mm。為了增加天線的帶寬，微帶饋線被設(shè)計錐形漸變線，其長度為15 mm，輸入阻抗為50Ω。在改變微帶饋線形狀的同時，也采用了非對稱饋電的方法來增加天線的帶寬，通過參數(shù)仿真，饋電點選在了天線偏左的位置。天線的具體參數(shù)值為：單位(mm)
(1) 介質(zhì)基片：W=25，L=30,，H1=1.9； (2) 地板 ：L1=14， H2=0.08，g=1；(3) 錐形漸變線：W1=3，W2=8，S=3.6，S1=1.6，L3=2.5，L4=3.5，L5=9，H=0.08；(4) 輻射臂：W3=25，W4=15，r1=5，r2=5
圖1 天線的結(jié)構(gòu)
3 天線的仿真結(jié)果
為了使所設(shè)計的天線在回波損耗小于-10 dB的頻帶內(nèi)具有最大的增益。設(shè)計中使用了基于有限元法的仿真軟件CST MWS對天線的參數(shù)進行仿真優(yōu)化。仿真的最后結(jié)果如圖2所示，從中可以看到在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內(nèi)，天線的回波損耗小于-10 dB。
圖2 天線的回波損耗
6GHz E 平面 (Y-Z 平面)
6GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （A）
9 GHz E 平面 (Y-Z 平面)
9 GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （B）
16 GHz E 平面 (Y-Z 平面)
16 GHz H 平面 (Y-X 平面)圖3 （C）
圖3 天線的輻射方向圖
圖4 天線的增益
圖4為天線的增益對頻率的變化，從圖中那個可以看出在頻率為2.8 GHz -18.6 GHz的范圍內(nèi)天線的增益為1.7 dBi 到5.05 dBi 之間。
4 不同參數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)對天線的影響
在天線的設(shè)計中，有些敏感的參數(shù)將會很大的影響天線的性能。為了使天線的性能達到最優(yōu)，將會在仿真中對這些參數(shù)進行參數(shù)掃描。從仿真結(jié)果中可以看出參數(shù)變化對天線性能的影響，從而選擇最終合適的參數(shù)。圖5和圖6是不同參數(shù)的變化與天線性能的關(guān)系，從圖中可以看出當g=1mm，W1=4mm時天線的仿真結(jié)果最好。
圖5 取不同的g時天線的回波損耗
圖6 取不同的w1時天線的回波損耗
為了減小天線的反射損耗，對天線的直角進行了導圓角。使天線的反射減小，從而也在一定程度上優(yōu)化了天線的性能。圖8為導圓角前后天線的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，導圓角后天線的回波損耗有所減小。
圖7 兩種不同形狀的天線
圖8 兩種不同天線的回波損耗
5 結(jié)論
本文所設(shè)計的平面單極子超寬帶天線基于微帶饋電，具有較寬的帶寬。通過錐形漸變饋線和不對稱饋電增加了天線的帶寬，使天線的回波損耗在2.8 GHz -18.6 GHz的帶寬內(nèi)小于-10dB。同時天線的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于加工，所以該天線完全符合小型化超寬帶天線的設(shè)計標準。
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