緊湊型共面波導(dǎo)饋電的超寬帶印刷天線設(shè)計(jì)

唐志軍 何怡剛 詹 杰 席在芳

（1.湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082）

引 言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，用戶需要提供不受空間限制的通信服務(wù)。寬帶通信系統(tǒng)可以滿足高數(shù)據(jù)率的要求。所以，超寬帶技術(shù)（UWB）已成為無(wú)線通信領(lǐng)域中極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的熱門技術(shù)之一。UWB技術(shù)已廣泛應(yīng)用于無(wú)線監(jiān)控、多媒體業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)商務(wù)和應(yīng)用、高分辨率超寬帶雷達(dá)、探地雷達(dá)、精確定位系統(tǒng)等方面［1－3］。按照聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的規(guī)定，將3.1～10.6GHz之間7.5GHz的頻段分配給超寬帶無(wú)線通信業(yè)務(wù)使用。而UWB天線的設(shè)計(jì)與研究則是超寬帶無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來(lái)UWB天線的研究一直是天線與電波傳播領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。受使用場(chǎng)合限制，UWB天線應(yīng)當(dāng)具有尺寸小、成本低、易于加工集成等特性。

微帶天線由于具有體積小、重量輕、低剖面、共形、性能多樣化、易于制造等優(yōu)點(diǎn)而在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，微帶天線的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是相對(duì)帶寬較窄。目前，雖然有了一些提高帶寬的方法，如使用較厚的高介電常數(shù)基片、短路針、調(diào)諧臂、絲焊技術(shù)、寄生單元、以及修改和優(yōu)化貼片天線的幾何結(jié)構(gòu)［4－7］，但是，這些改進(jìn)方法仍不足以滿足 UWB天線的帶寬和便于集成的要求。具有共面波導(dǎo)（CPW）反饋結(jié)構(gòu)的印刷天線多年來(lái)已經(jīng)引起廣大科研工作者的注意。相對(duì)其它印刷天線，具有共面波導(dǎo)反饋結(jié)構(gòu)的印刷天線具有許多優(yōu)點(diǎn)。這種天線不但具有寬帶寬，而且相鄰輻射體之間的互耦較小。與微帶線天線比較，共面波導(dǎo)反饋結(jié)構(gòu)的天線還具有較低的輻射泄漏和較少的散射。過(guò)去十年來(lái)，考慮到各種無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)天線帶寬及緊湊性尺寸要求，已有較多文獻(xiàn)對(duì)CPW印刷天線進(jìn)行了分析與研究［8－19］。具有代表性的如文獻(xiàn) ［8］主要強(qiáng)調(diào)在輻射體上進(jìn)行切口，并采用非對(duì)稱輻射結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB的覆蓋和縮減天線尺寸（25mm×25mm）；文獻(xiàn)［9］則采用圓角矩形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB的覆蓋，但其天線尺寸達(dá)到50mm×50mm；文獻(xiàn)［10］采用逆L型微帶和方形槽實(shí)現(xiàn)了UWB圓極化天線，但其天線尺寸為60mm×60mm.因此，在設(shè)計(jì)UWB天線時(shí)，如何讓天線帶寬、增益、方向性、尺寸和制作成本等性能指標(biāo)達(dá)到一個(gè)較好的平衡是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

針對(duì)UWB天線的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，主要研究與設(shè)計(jì)一種新的緊湊型共面波導(dǎo)反饋結(jié)構(gòu)的超寬帶印刷天線.天線采用單層基片，通過(guò)CPW微帶線進(jìn)行饋電。天線在較寬的頻率范圍內(nèi)取得好的阻抗匹配、高增益、全向性、緊湊尺寸、易于制作和低成本等性能。

1.理論分析

共面波導(dǎo)印刷天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線的基片長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，厚度為h，材料的介電常數(shù)為εr＝4.4.天線金屬輻射體刻蝕在印制電路板（PCB）絕緣介質(zhì)基片的同一個(gè)面上。基片的另一個(gè)面上沒(méi)有任何金屬。CPW反饋傳輸線與地平面共面，其寬度為c，縫隙距離為d.天線的輻射單元①為具有不對(duì)稱臂的垂直啞鈴結(jié)構(gòu)。上臂的長(zhǎng)度為g，寬度為a，下臂的長(zhǎng)度為f與j之和，寬度為c，過(guò)渡部分的長(zhǎng)度為i，寬度為b，并且下錘臂與CPW反饋傳輸線相連。天線的輻射單元②為逆L結(jié)構(gòu)，由水平部分和垂直部分搭接而成。其水平部分和垂直部分的尺寸分別為W2×e和L×s.天線的輻射單元③為不對(duì)稱U形結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，上臂和下臂的尺寸分別為k×s和f×（W1－s）.由于該天線采用折疊貼片、貼片開(kāi)槽等曲流技術(shù)和獨(dú)立非對(duì)稱貼片輻射的帶寬展寬技術(shù)，從而能夠在減小天線設(shè)計(jì)尺寸的同時(shí)提高天線的阻抗帶寬。

從上面闡述的天線幾何結(jié)構(gòu)可知，該天線的主要幾何參數(shù)有W1、W2、e、f、L等。不失一般性，根據(jù)文獻(xiàn)［20］［21］［22］和相關(guān)的天線設(shè)計(jì)理論和方法，天線的初始設(shè)計(jì)尺寸如下：

圖1 天線的幾何結(jié)構(gòu)

為了優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，下面分析各幾何參數(shù)對(duì)天線性能的影響.簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在此僅對(duì)天線回波損耗S11受主要幾何參數(shù)W1、W2、e、f、L的變化進(jìn)行仿真和分析。

在保證其它參數(shù)不變的情況下，分別改變幾何參數(shù)W1、W2、e、f、L，利用電磁仿真軟件 CST 對(duì)不同W1、W2、e、f、L值下的天線回波損耗S11進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2～圖6所示。從這些圖中可以看出：1）隨著參數(shù)W1值增大，天線的阻抗帶寬先增大、后減??；2）隨著參數(shù)W2值增大，天線的阻抗帶寬先逐漸增大，然后又逐漸減??；3）隨著參數(shù)e值增大，天線的阻抗帶寬也逐漸增大，并且整個(gè)帶寬沿頻率軸向右移動(dòng)；4）隨著參數(shù)f值變大，天線的阻抗帶寬先增大、后減小；5）隨著參數(shù)L值增大，天線的阻抗帶寬也逐漸增大，并且整個(gè)帶寬頻率軸向左移動(dòng)。

通過(guò)分析天線各主要參數(shù)對(duì)天線性能的影響可以得出：改變W1、W2、e、f、L等參數(shù)值，可以顯著增大天線的阻抗帶寬。然而，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，不能片面地考慮一兩個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，而要綜合考慮天線參數(shù)的配置，從而使天線各性能指標(biāo)達(dá)到一個(gè)較好平衡。

經(jīng)過(guò)調(diào)整天線結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，并采用粒子群（PSO）算法對(duì)天線參數(shù)優(yōu)化之后，所設(shè)計(jì)天線最終的幾何參數(shù)尺寸如下：

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

文中采用基于時(shí)域有限差分法的微波仿真軟件CST對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真。圖7為天線輸入阻抗的仿真結(jié)果圖。

圖7 天線的輸入阻抗

從圖7中可以看出：在3.1～12.0GHz的頻率范圍內(nèi)，天線的輸入電阻RA基本上在30～65Ω范圍內(nèi)變化；在3.0～11.2GHz的頻率范圍內(nèi)，天線的輸入電抗｜XA｜基本上在0～10Ω范圍內(nèi)變化。從而，天線的輸入阻抗ZA在3.1～11.2GHz的頻率范圍內(nèi)顯示近線性相位特性，并且天線的品質(zhì)因數(shù)Q較小?？紤]到微帶天線的帶寬計(jì)算公式

從公式（1）中可以看出：當(dāng)電壓駐波比VSWR一定時(shí)，微帶天線的品質(zhì)因素Q與帶寬BW是成反比的。所以增大微帶天線的帶寬可通過(guò)降低其品質(zhì)因素得到。也就是說(shuō)，較小的品質(zhì)因數(shù)可以獲得較寬的帶寬。這表明所設(shè)計(jì)的天線具有較好的阻抗帶寬特征。

通常，在設(shè)計(jì)超寬帶天線時(shí)，其輸出阻抗參考值通常為50或75.文中采用50作為其參考值?；夭〒p耗S11是表征天線特點(diǎn)的一個(gè)重要參數(shù)。圖8為天線的回波損耗仿真和測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看出：1）該天線的仿真回波損耗小于－10dB（等價(jià)于電壓駐波比 VSWR＜2）的帶寬為3.05～11.10 GHz，即取得8.05GHz帶寬（等價(jià)于中心頻率為7.0GHz時(shí)阻抗帶寬的115.0%）；2）該天線的測(cè)量回波損耗小于－10dB（等價(jià)于電壓駐波比VSWR＜2）的帶寬為3.20～10.80GHz，即取得7.60GHz帶寬（等價(jià)于中心頻率為7.0GHz時(shí)阻抗帶寬的108.6%）；3）天線的回波損耗仿真和測(cè)量結(jié)果保持較好的一致。從而，該天線可以較好地滿足寬帶無(wú)線通信對(duì)帶寬的要求。

圖8 天線的回波損耗仿真和測(cè)量

圖9中的（a）、（b）、（c）分別為寬頻段內(nèi)三個(gè)頻點(diǎn)f＝3.9GHz、f＝7.0GHz和f＝10.0GHz的E面和H面的共面極化和交叉極化方向圖。從圖9中可以看出：天線的H面共面極化具有準(zhǔn)全向性特征，天線的E面共面極化特性要比H面的稍差；此外，無(wú)論論是E面，還是H面，天線的交叉極化都在－20dBi左右，說(shuō)明其交叉極化特性較好；因此，天線在整個(gè)頻帶內(nèi)的方向圖有較好的一致性。

圖9 天線頻帶內(nèi)三個(gè)頻點(diǎn)的E面和H面的共面極化（co－plo）和交叉極化（cross－pol）方向圖

圖10為天線的增益頻率特性曲線，從中可以看出：在3.1～10.6GHz頻段內(nèi)，天線增益從3.5dBi.逐漸增大到5.4dBi.再緩慢減小到4.5dBi.在整個(gè)阻抗帶寬內(nèi)，天線具有好的增益頻率特性，天線的平均增益達(dá)到4.6dBi.因此，該天線能很好地滿足超寬帶天線對(duì)輻射特性及增益的應(yīng)用要求。

圖10 天線的增益頻率特性曲線

3.結(jié) 論

提出了一種具有非對(duì)稱CPW反饋結(jié)構(gòu)的超寬帶印刷天線。天線的尺寸為20mm×26.5mm左右。該天線由三個(gè)非對(duì)稱、獨(dú)立的輻射體構(gòu)成，它們的幾何尺寸是影響天線設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。論文采用基于時(shí)域有限差分法的電磁仿真軟件CST對(duì)W1、W2、e、f、L等參數(shù)變化時(shí)的天線性能進(jìn)行了比較仿真和分析，得出了S11性能隨天線幾何參數(shù)變化的規(guī)律，并在帶寬最優(yōu)的條件下給出了一組參數(shù)值。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：天線的阻抗帶寬為8.05GHz（115.0%），天線的平均增益達(dá)到4.6dBi.輻射特性近似于全向性。從而，該天線具有超寬帶、高增益、準(zhǔn)全向性等特點(diǎn)。因此，該天線可應(yīng)用于各種不同的寬帶無(wú)線通信環(huán)境。需要強(qiáng)調(diào)的是：在設(shè)計(jì)天線時(shí)，不能只片面地考慮一兩個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，而要綜合考慮天線參數(shù)的配置，只有這樣才能使天線各性能指標(biāo)達(dá)到一個(gè)較好的平衡。

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