平面单极子天线馈电方法的设计与研究

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        1 引言

        在2002年，FCC将3.1~10.6GHz频段分配为超宽带（UWB）应用频段。20世纪60年代，Rumsey首次提出阻抗带宽比大于10:1的SWB（super-wideband）天线[2]。随着系统对高数据速率和低功率的要求激增，SWB天线再次受到了广泛青睐。其超宽的频带可以覆盖绝大多数通信频段，如：GPS (1.57~1.58GHz)、WCDMA (1.92~2.17GHz)、UWB (3.1~10.6GHz)、ISM (5.725~5.875GHz&24~24.25GHz)、卫星通信系统 （Ku、K、Ka波段12~40GHz）、Vehicular Radar Systems (22~29GHz)以及LMDS (24、28、35 GHz) 。
         
        提出了一种采用平面盘锥天线与三叉戟馈电相结合的方法，使天线阻抗带宽比大于10:1。但是由于这两种天线工作频率均小于25GHz，且尺寸较大，因而在很多场合下（如要求具备高通信容量的Ka波段卫星通信系统）使用都会受到限制。本文在其基础上，提出了多种多端口馈电结构以及半圆实心馈电结构(见图2)，并对其进行了分析比较。
         
        2 天线设计与仿真

        为了获得超宽带的频率特性，天线的微带馈电单元采用渐变结构，天线基质材料选择为Rogers RO4350B，相对介电常数为3.48，基质厚度h为1.524mm。通过在贴片上切角可以有效改善阻抗带宽，大大减小天线的尺寸，实现小型化。天线顶视图和侧视图如图1所示，图中各尺寸参数如表1所示。本文提出的其他几种馈电结构都是根据该结构演变而来的。
         

       

        图1  切角平面单极子天线

         

        表1  切角平面单极子天线尺寸参数（mm）
         

Dmax	L	r	a	b	k	cut_x
45	60	8	40	20	0.5	5
Dmin	Wtop	H	Wbot	h1	t	cut_y
11	1	30	3.6	5	3	10

         
        利用CST Microwave Studio软件对图1中的单极子天线进行仿真，发现保持阻抗带宽不变的同时，通过在贴片上切角并调整cut_x和cut_y的大小可以使天线的尺寸减小近2/3（0.2λl×0.27λl，其中λl为最低工作频率时的波长）。为了增大贴片垂直方向上的电流并减小水平方向上的电流，从而减小交叉极化，增大带宽，本文提出了多种平面单极子天线结构，馈电端口数分别为2，3，5（如图2所示。注：本文中给出的各结构仿真结果均为优化后的最终结果）。各个馈电端口均采用下粗上细的渐变结构（该结构分支在分叉处馈线较粗，越往两端馈线越细），得到的驻波比特性如图3所示。下面分别对这几种天线进行分析比较。
         

       

        (a) 二端口馈电       (b) 三端口馈电

       

         (c) 五端口馈电       (d) 半圆实心馈电

        图2  多种切角平面单极子天线结构

         

       

        图3  不同端口数馈电天线驻波比特性的比较

         
        天线采用两端口结构进行馈电时，天线的驻波比特性见图3。与单端馈电相比，两端口馈电天线的带宽大为展宽，但是在18GHz附近VSWR大于2。这是因为贴片中心处没有馈电端口，因此电流只能以辐射方式耦合与从其它馈电端口传导至贴片中部（如图4(a)所示），这一弱耦合在一定程度上对天线的带宽产生了影响。为了改善这一影响，在中心处增加了一个馈电端口，电流分布更为均匀（如图4(b)所示），性能也明显得到改善，在1.37GHz~50GHz的极宽范围内得到了驻波比小于2的带宽。但当继续增多馈电端口时，性能改善不明显，因为在馈线分支处电流分布变得不规律且出现了反相（如图4(c)圆圈处所示）。从上述分析可知，增加天线馈电端口可以改善电流的分布从而改善驻波比带宽，但并非端口数越多越好，当端口数增加至3个时，再增加端口数对性能的改善不明显。
         

       

        (a) 两端口馈电结构

       

         (b) 三端口馈电结构

       

        (c) 五端口馈电结构

        图4  切角平面单极子天线电流分布情况

         
        但是，以上几种馈电方式都比较繁琐，制作也存在困难，因此为了简便起见，采用了如图2(e)所示的半圆实心馈电结构。利用CST进行仿真得到，与前面几种馈电方式一样，半圆实心馈电结构也能实现极宽的阻抗带宽，其阻抗带宽比（VSWR≤2）超过30:1（见图5）。
         
        3  结论

        本文以实现小型化超宽带印刷天线为主要目的，在综合了的两种天线的基础上，提出了切角平面单极子天线的多种多端口和半圆实心馈电结构，其阻抗带宽均高于30:1，能够覆盖多个通信系统频段，而且天线尺寸仅为0.2λl×0.27λl，有利于系统的集成化。
         

       

        图5  实心端口馈电结构的驻波比特性