文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)01-0090-03
近年來，隨著對無線通信需求的不斷增加，超寬帶技術(shù)作為一種短距離高速率無線通信技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，因此設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的超寬帶天線具有重大的現(xiàn)實意義。2002年美國FFC（Federal Communications Commission)規(guī)定UWB頻段為3.1 GHz~10.6 GHz，小型化超寬帶天線引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。為了實現(xiàn)微帶印刷偶極子天線寬帶性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種多樣的天線結(jié)構(gòu)[6-8]，U槽貼片天線、蝴蝶結(jié)形、單極子天線等被廣泛應(yīng)用于UWB通信，但是目前這些天線體積較大。參考文獻(xiàn)[4]設(shè)計的天線采用的是將等腰梯形與圓弧形相結(jié)合的方式對接地板進(jìn)行開槽實現(xiàn)帶寬（VSWR<2）為3 GHz~11.8 GHz。出于實際制作和應(yīng)用的考慮，本文在微帶貼片輻射元上開縫，設(shè)計一種能滿足UWB通信的小型化超寬帶天線，便于與射頻電路集成，并利用仿真軟件HFSS 對天線進(jìn)行建模和優(yōu)化。實驗表明，所設(shè)計的天線能很好地滿足超寬帶應(yīng)用的需求。
1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計
微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線，它利用微帶線或者同軸線等饋線饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。通常介質(zhì)基片的厚度與波長相比是很小的，而饋電網(wǎng)絡(luò)又可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，剖面薄，體積小，從而實現(xiàn)了小型化。微帶導(dǎo)體貼片一般采用規(guī)則形狀的面積單元,如矩形、圓形或圓形環(huán)薄片的微帶貼片。在相同的頻率工作時，矩形貼片可獲得比圓形貼片稍高的效率、增益及更寬的頻帶。增大天線帶寬的方法有：多貼片、縫隙加載、集總元件加載(包括短路針)以及雙饋點等。這些方式各有利弊，如：多貼片和集總元件加載都會使天線的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，而雙饋點時諧振頻率調(diào)諧范圍受到一定的限制、開槽可能改變諧振頻點等。因此，在設(shè)計時，必須綜合考慮，使得相應(yīng)的參數(shù)滿足設(shè)計要求。本文設(shè)計的天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線印刷在覆銅介質(zhì)基板上,由接地面、縫隙貼片單元、饋電結(jié)構(gòu)組成。介質(zhì)基板尺寸為30 mm×35 mm×1.5 mm,接地面的尺寸為30 mm×11.5 mm,縫隙的寬度都是0.5 mm。材料是介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)，采用縫隙貼片單元與接地面進(jìn)行饋電。其實影響天線輻射性能的因素有很多，主要是由輻射貼片的尺寸、幾何形狀和縫隙的尺寸決定，在HFSS 中建立模型，對天線幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化。
2 天線的分析與仿真
天線的輻射主要是由輻射貼片尺寸、開縫的尺寸和位置決定的，通過在輻射貼片上開縫可以實現(xiàn)超寬帶帶寬（回波損耗S11≤-10 dB）為2.5 GHz~11.5 GHz，相對帶寬為128%，如圖2所示。
天線的阻抗帶寬不足以說明天線的性能，該天線在實現(xiàn)超寬帶性能的同時，具有對稱的方向圖和良好的增益。圖4(a)、(b)所示為天線在2.0、4.5和8.0 GHz下的仿真輻射方向圖。該天線在低頻率點H面方向圖在工作頻段內(nèi)呈全向輻射，在φ=0和φ=π時輻射最強，E面方向圖主要波瓣在θ=0和θ=π；在較高頻率點主波方向稍有改變，H面在φ=-π/2時輻射為零。
該天線在超寬帶頻段內(nèi)有良好的增益，仿真增益如圖5所示, 在2.5 GHz~11.5 GHz全頻帶內(nèi), 增益大于3.6 dBi。天線的仿真增益在3.6 dB~8.05 dB左右范圍內(nèi)波動。最大增益為8.05 dBi，比一般的微帶天線的增益要大。從圖5中可以看出，天線的增益隨著頻率的增高而逐漸增大，最大達(dá)到8.05 dBi，頻率高于4.5 GHz時，天線的增益處于一個比較平坦趨勢，天線在高頻段的增益較高是因為天線匹配較好。因此可知此天線能達(dá)到很好的性能，滿足UWB通信的需求。
表1給出了本研究與參考文獻(xiàn)[5-8]天線的參數(shù)，對比后可以看出本研究設(shè)計的天線在帶寬和尺寸上都有明顯的優(yōu)勢，證明了在輻射貼片上開縫能夠有效地展寬天線的阻抗頻帶。
3 天線制作
為了驗證所設(shè)計的天線的實用性和有效性，利用HFSS對其進(jìn)行了綜合優(yōu)化,優(yōu)化后的尺寸為:W=30 mm, W1=15 mm,W2=1.5 mm,W3=1.5 mm,W4=5.25 mm, H=12.5 mm,H1=1 mm,H2=1.5 mm,L=35 mm,L1=27 mm,L2=5.25 mm,S=5.85 mm,S1=0.5 mm。根據(jù)優(yōu)化后得到的尺寸，對該天線進(jìn)行實際加工和測試,并利用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線實物進(jìn)行測試,實物圖和測試的反射系數(shù)如圖6所示。
從圖6可以看出，仿真的天線回波損耗和實際測試的回波損耗基本上吻合，只是在2.8 GHz~10 GHz之間稍有偏差。出現(xiàn)這種誤差的原因主要是由介質(zhì)板的厚度、開縫的尺寸和位置等因素造成的。但實測的結(jié)果基本上能滿足超寬帶的要求。
本文提出了一種簡單的開縫實現(xiàn)超寬帶工作的微帶天線，分析了不同尺寸的輻射貼片對天線帶寬的影響。此天線的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生超寬帶，并且大大縮減了天線尺寸，其原理就是通過使用這種貼片與開縫的結(jié)構(gòu)，減少了電流的突變，起到改變天線面上電流分布的作用，改善了天線的阻抗特性，并且減少了電阻和電抗的波動幅度，使之形成良好的匹配。此天線具有良好的方向性能和增益性能。通過對天線參數(shù)的優(yōu)化，該微帶饋電的天線可以工作在2.6 GHz~11.5 GHz的頻帶范圍內(nèi)。該天線結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制作，滿足目前超寬帶通信需求。
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