新型超寬帶共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)天線的設(shè)計

尹應(yīng)全，廖昆明，王瑞峰，尹國武

（91911部隊，海南三亞572000）

近年來，隨著無線通信行業(yè)的迅速發(fā)展，小型化超寬帶天線吸引了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。微帶共面波導(dǎo)饋電天線是從微帶天線演變而來，由于具有尺寸小、頻帶寬、質(zhì)量輕且易于加工與集成等特點，在科研與實踐中備受青睞。為了實現(xiàn)天線寬頻帶性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種多樣的天線結(jié)構(gòu)：U 槽貼片天線、陣列結(jié)構(gòu)、單極子天線等被廣泛應(yīng)用于UWB 通信，但是目前這些天線都有不足之處。文獻[1]設(shè)計的天線采用的是共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將圓弧形與等腰梯形相結(jié)合的方式，對接地板進行開槽實現(xiàn)帶寬（VSWR＜2）為3.1～10.6 GHz；文獻[2]設(shè)計的天線采用的是對稱雙梯形開縫微帶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，其尺寸較小，但是工作頻率為5.6～11.3 GHz；文獻[3]設(shè)計的天線通過在微帶貼片上開圓環(huán)改變電流分布實現(xiàn)超寬帶，但其相對帶寬只有72.4%；文獻[4]設(shè)計的天線采用的是單極子加載介質(zhì)諧振器結(jié)構(gòu)，不僅體積較小，而且實現(xiàn)超寬頻2.5～19 GHz,但是這種天線對加工精度及工藝要求較高，且不易集成化。

出于實際制作和應(yīng)用的考慮，本文采用多枝節(jié)共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，通過諧振頻率之間的耦合來實現(xiàn)超寬頻設(shè)計，便于和微波電路集成；并利用仿真軟件HFSS 對天線進行建模和優(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

本文采用的天線的基本結(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、微帶貼片、饋電結(jié)構(gòu)組成，并且在同一個平面上，易于集成化加工。

圖1 共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)

輻射貼片一般采用規(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。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[5-8]：采用多貼片、縫隙加載、集總元件加載以及雙饋點等。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。本文微帶貼片采用多枝節(jié)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整尺寸與位置，可以產(chǎn)生多個諧振點，通過不同諧振點之間的耦合來展寬頻帶，實現(xiàn)超寬頻工作；介質(zhì)基板尺寸為20 mm×30 mm×1.2 mm，材料為介電常數(shù)為4.4的FR4 介質(zhì)，采用縫隙貼片單元與接地面進行饋電。在設(shè)計天線時首先考慮匹配問題，采用共面波導(dǎo)微帶饋電時首先要計算微帶的寬度，可以直接通過理論公式推導(dǎo)[9-11]，也可以利用現(xiàn)有的計算軟件，利用基板的尺寸、介電常數(shù)及需要仿真的頻率范圍，就可以得出微帶饋電的寬度。影響天線輻射性能的因素[12-14]有好多，主要是由輻射貼片的尺寸和幾何形狀、縫隙的尺寸決定，通過HFSS中建立模型，對天線幾何尺寸進行優(yōu)化來得到最佳尺寸。表1為經(jīng)過優(yōu)化后的最佳設(shè)計尺寸。

表1 天線尺寸

2 天線的優(yōu)化與仿真

天線的輻射特性主要由輻射貼片各枝節(jié)的尺寸與位置、貼片與接地板之間的縫隙寬度等因素決定，根據(jù)優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)和尺寸，如表1所示尺寸，可以實現(xiàn)超寬帶為3～11.7 GHz，相對帶寬為119%。以輻射貼片中間枝節(jié)尺寸優(yōu)化為例，簡要說明尺寸的改變對諧振頻率的影響。

圖2 為微帶貼片中間枝節(jié)的寬度j優(yōu)化回波損耗圖?？梢钥闯?，寬度j取2.3 mm 時在3.8 GHz、5.8 GHz、9.8 GHz、11.2 GHz 有諧振峰，j取2.5 mm 時在3.8 GHz、8.2 GHz、10.2 GHz 有諧振峰，而j取2.6 mm時在4 GHz、8 GHz、10 GHz有諧振。不同寬度j，回波損耗的諧振頻率會發(fā)生改變，通過調(diào)節(jié)諧振頻率點之間的耦合，盡量使得寬頻范圍內(nèi)回波損耗降在-10 dB以下，從而改善頻帶的寬度。

圖2 改變枝節(jié)寬度對S11的影響

圖3為微帶貼片中間枝節(jié)的長度m優(yōu)化回波損耗圖。可以看出，當(dāng)m=12.1時，由于諧振峰比較多，頻寬擴展到了3.1～11.6 GHz，相對帶寬達到了119%。

圖3 改變枝節(jié)長度對S11的影響

圖4 為該天線在7 GHz 時的輻射方向圖。可看出，在20°及160°方向增益可達5 dB。該天線在實現(xiàn)超寬帶性能的同時，具有對稱的方向圖和較好的增益。

圖4 天線的輻射方向圖

從圖5（天線增益全向輻射圖）可以看出該天線具有全向輻射，方向為垂直于該天線向周圍輻射，并在7 GHz時該天線的最大增益為5.06 dB，具有很好的方向性及對稱性。

圖5 天線增益輻射全向圖

圖6為該設(shè)計天線在整個頻率范圍內(nèi)的仿真增益曲線。可以看出，在3.1～11.6 GHz（S11＜-10 dB）內(nèi)都具有較高的增益，平均增益可以達到5 dB，且隨著頻率的增加遞增，在10.2 GHz 時最大增益可達到7 dB，可以滿足實際UWB通信的需求。

圖6 天線的增益

3 實測結(jié)果

圖7 所示為該設(shè)計天線的加工實物圖，圖8 為天線回波損耗S11的實際測量值。從圖8 可以看出，在3.1～11.2 GHz 頻段內(nèi)，天線實測的回波損耗曲線基本處于-10 dB 以下，在4.5 GHz 及7 GHz 附近效果有點不理想，實測值與圖3的仿真曲線有些偏差，主要是由加工誤差所引起。此外，SMA接頭以及焊錫的散射效應(yīng)也會對回波損耗產(chǎn)生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。

圖7 天線實物圖

圖8 S11的實測值

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單的共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線，調(diào)節(jié)輻射貼片枝節(jié)的長寬來展寬頻帶寬度。通過軟件優(yōu)化得到最佳天線設(shè)計尺寸，并進行實物加工，實測回波損耗值與仿真值能基本吻合。該天線結(jié)構(gòu)不僅可實現(xiàn)超寬帶，而且尺寸較小，接地板、輻射貼片及饋源在同一個平面上，易于集成加工。此天線還具有較好的方向性能和增益性能，可滿足不同移動通信要求。

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