平面單極子天線饋電方法的設(shè)計(jì)與研究

1 引言

在2002年，F(xiàn)CC將3.1~10.6GHz頻段分配為超寬帶（UWB）應(yīng)用頻段。20世紀(jì)60年代，Rumsey首次提出阻抗帶寬比大于10:1的SWB（super-wideband）天線[2]。隨著系統(tǒng)對(duì)高數(shù)據(jù)速率和低功率的要求激增，SWB天線再次受到了廣泛青睞。其超寬的頻帶可以覆蓋絕大多數(shù)通信頻段，如：GPS(1.57~1.58GHz)、WCDMA(1.92~2.17GHz)、UWB(3.1~10.6GHz)、ISM(5.725~5.875GHz24~24.25GHz)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Ku、K、Ka波段12~40GHz）、VehicularRadarSystems(22~29GHz)以及LMDS(24、28、35GHz) 。

提出了一種采用平面盤錐天線與三叉戟饋電相結(jié)合的方法，使天線阻抗帶寬比大于10:1。但是由于這兩種天線工作頻率均小于25GHz，且尺寸較大，因而在很多場(chǎng)合下（如要求具備高通信容量的Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)）使用都會(huì)受到限制。本文在其基礎(chǔ)上，提出了多種多端口饋電結(jié)構(gòu)以及半圓實(shí)心饋電結(jié)構(gòu)(見圖2)，并對(duì)其進(jìn)行了分析比較。

2 天線設(shè)計(jì)與仿真

為了獲得超寬帶的頻率特性，天線的微帶饋電單元采用漸變結(jié)構(gòu)，天線基質(zhì)材料選擇為RogersRO4350B，相對(duì)介電常數(shù)為3.48，基質(zhì)厚度h為1.524mm。通過在貼片上切角可以有效改善阻抗帶寬，大大減小天線的尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化。天線頂視圖和側(cè)視圖如圖1所示，圖中各尺寸參數(shù)如表1所示。本文提出的其他幾種饋電結(jié)構(gòu)都是根據(jù)該結(jié)構(gòu)演變而來的。

圖1切角平面單極子天線

表1切角平面單極子天線尺寸參數(shù)（mm）

利用CSTMicrowaveStudio軟件對(duì)圖1中的單極子天線進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)保持阻抗帶寬不變的同時(shí)，通過在貼片上切角并調(diào)整cut_x和cut_y的大小可以使天線的尺寸減小近2/3（0.2λl×0.27λl，其中λl為最低工作頻率時(shí)的波長(zhǎng)）。為了增大貼片垂直方向上的電流并減小水平方向上的電流，從而減小交叉極化，增大帶寬，本文提出了多種平面單極子天線結(jié)構(gòu)，饋電端口數(shù)分別為2，3，5（如圖2所示。注：本文中給出的各結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果均為優(yōu)化后的最終結(jié)果）。各個(gè)饋電端口均采用下粗上細(xì)的漸變結(jié)構(gòu)（該結(jié)構(gòu)分支在分叉處饋線較粗，越往兩端饋線越細(xì)），得到的駐波比特性如圖3所示。下面分別對(duì)這幾種天線進(jìn)行分析比較。

(a)二端口饋電(b)三端口饋電

(c)五端口饋電(d)半圓實(shí)心饋電

圖2多種切角平面單極子天線結(jié)構(gòu)

圖3不同端口數(shù)饋電天線駐波比特性的比較

天線采用兩端口結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電時(shí)，天線的駐波比特性見圖3。與單端饋電相比，兩端口饋電天線的帶寬大為展寬，但是在18GHz附近VSWR大于2。這是因?yàn)橘N片中心處沒有饋電端口，因此電流只能以輻射方式耦合與從其它饋電端口傳導(dǎo)至貼片中部（如圖4(a)所示），這一弱耦合在一定程度上對(duì)天線的帶寬產(chǎn)生了影響。為了改善這一影響，在中心處增加了一個(gè)饋電端口，電流分布更為均勻（如圖4(b)所示），性能也明顯得到改善，在1.37GHz~50GHz的極寬范圍內(nèi)得到了駐波比小于2的帶寬。但當(dāng)繼續(xù)增多饋電端口時(shí)，性能改善不明顯，因?yàn)樵陴伨€分支處電流分布變得不規(guī)律且出現(xiàn)了反相（如圖4(c)圓圈處所示）。從上述分析可知，增加天線饋電端口可以改善電流的分布從而改善駐波比帶寬，但并非端口數(shù)越多越好，當(dāng)端口數(shù)增加至3個(gè)時(shí)，再增加端口數(shù)對(duì)性能的改善不明顯。

(a)兩端口饋電結(jié)構(gòu)

(b)三端口饋電結(jié)構(gòu)

(c)五端口饋電結(jié)構(gòu)

圖4切角平面單極子天線電流分布情況

但是，以上幾種饋電方式都比較繁瑣，制作也存在困難，因此為了簡(jiǎn)便起見，采用了如圖2(e)所示的半圓實(shí)心饋電結(jié)構(gòu)。利用CST進(jìn)行仿真得到，與前面幾種饋電方式一樣，半圓實(shí)心饋電結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)極寬的阻抗帶寬，其阻抗帶寬比（VSWR≤2）超過30:1（見圖5）。

3結(jié)論

本文以實(shí)現(xiàn)小型化超寬帶印刷天線為主要目的，在綜合了的兩種天線的基礎(chǔ)上，提出了切角平面單極子天線的多種多端口和半圓實(shí)心饋電結(jié)構(gòu)，其阻抗帶寬均高于30:1，能夠覆蓋多個(gè)通信系統(tǒng)頻段，而且天線尺寸僅為0.2λl×0.27λl，有利于系統(tǒng)的集成化。

圖5實(shí)心端口饋電結(jié)構(gòu)的駐波比特性