基于微带馈电的平面单极子超宽带天线

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1  引言
          自从2002年美国联邦通信委员会（Federal Communication Committee, FCC）开放超宽带标准以来，超宽带技术引起了人们越来越多的关注。超宽带传输具有高传输率，低辐射、低散射损耗等特点。用于脉冲辐射和接收的超宽带天线是超宽带系统的一项关键技术。所以对超宽带小型化天线的研究一直是一个热点。
           
          过去几年的研究表明，TEM 喇叭 、贴片天线和开槽天线等可以作为超宽带天线使用，其中贴片天线有轮廓低、重量轻、容易集成和制造成本低等优点，在移动通信的应用中有潜在的优势。但是贴片天线的带宽比较窄，一些研究者已经尝试做了增进带宽的工作，电阻加 载和改变天线的形状是两类成功的尝试。电阻加载会降低天线的效。有的平面单极子天线有一个较大的地板与天线臂垂直放置，这给天线的小型化设计带来了不便。 共面波导馈电和开槽相结合的方法也可以增加天线的带宽。FCC批准商用的UWB 系统可以工作在3. 1~10. 6 GHz的频带内，本文尝试通过改变振子和馈线形状来增加带宽。通过仿真结果可以看出在2.8 GHz-18.6GHz的频带内回波损耗小于-10 dB。
           
          2  天线结构
          天线被设计在一块大小为25 mm × 30 mm，厚度为1.9 mm，介电常数为4.4的Rogers5880基片上。天线采用微带线馈电，辐射臂和地板分别位于基片的两侧，地板的大小为25 mm ×14 mm。为了增加天线的带宽，微带馈线被设计锥形渐变线，其长度为15 mm，输入阻抗为50Ω。在改变微带馈线形状的同时，也采用了非对称馈电的方法来增加天线的带宽，通过参数仿真，馈电点选在了天线偏左的位置。天线的具体 参数值为：单位（mm）
           
          （1）介质基片：W=25，L=30，H1=1.9；（2）地板：L1=14，H2=0.08，g=1；（3）锥形渐变线：W1=3，W2=8，S=3.6，S1=1.6，L3=2.5，L4=3.5，L5=9，H=0.08；（4）辐射臂：W3=25，W4=15，r1=5，r2=5。
           

       

        　　图1  天线的结构

         

          3  天线的仿真结果
          为了使所设计的天线在回波损耗小于-10 dB的频带内具有最大的增益。设计中使用了基于有限元法的仿真软件CST MWS对天线的参数进行仿真优化。仿真的最后结果如图2所示，从中可以看到在2.8 GHz -18.6 GHz的带宽内，天线的回波损耗小于-10 dB。
           

       

        　　图2  天线的回波损耗

       

        　　6GHz E 平面 （Y-Z 平面）

         

       

        　　6GHz H 平面（Y-X 平面）图3（A）

       

        　　9 GHz E 平面（Y-Z 平面）

       

        　　9 GHz H 平面 （Y-X 平面）图3 （B）

       

        　　16 GHz E 平面 （Y-Z 平面）

       

        　　16 GHz H 平面 （Y-X 平面）图3 （C）

       

        　　图3  天线的辐射方向图

         

       

        　　图4  天线的增益

         

          图4为天线的增益对频率的变化，从图中那个可以看出在频率为2.8 GHz -18.6 GHz的范围内天线的增益为1.7 dBi 到5.05 dBi 之间。
           
          4  不同参数与几何结构对天线的影响
          在天线的设计中，有些敏感的参数将会很大的影响天线的性能。为了使天线的性能达到最优，将会在仿真 中对这些参数进行参数扫描。从仿真结果中可以看出参数变化对天线性能的影响，从而选择最终合适的参数。图5和图6是不同参数的变化与天线性能的关系，从图 中可以看出当
        g=1mm，W1=4mm时天线的仿真结果最好。
           

       

        　　图5  取不同的g时天线的回波损耗

       

        　　图6  取不同的w1时天线的回波损耗

         

          为了减小天线的反射损耗，对天线的直角进行了导圆角。使天线的反射减小，从而也在一定程度上优化了天线的性能。图8为导圆角前后天线的仿真结果，从图中可以看出，导圆角后天线的回波损耗有所减小。

         

       

        　　图7  两种不同形状的天线

       

        　　图8  两种不同天线的回波损耗

         

          5  结论
          本文所设计的平面单极子超宽带天线基于微带馈电，具有较宽的带宽。通过锥形渐变馈线和不对称馈电增 加了天线的带宽，使天线的回波损耗在2.8 GHz -18.6 GHz的带宽内小于-10dB。同时天线的结构简单、紧凑，易于加工，所以该天线完全符合小型化超宽带天线的设计标准。