一種新型鉆石形超寬帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹 曦,田小建

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012)

一種新型鉆石形超寬帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹 曦,田小建

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130012)

設(shè)計(jì)一種新型鉆石形超寬帶天線,該天線印刷在介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板上,尺寸為26 mm×24 mm×0.8 mm. 設(shè)計(jì)過程中對(duì)天線輻射貼片進(jìn)行兩次優(yōu)化,并利用階梯化接地板的方法對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該天線可在2.0～14.5 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)電壓駐波比VSWR≤2的帶阻特性,相對(duì)帶寬為151%,且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和小形化等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于各種超寬帶(UWB)系統(tǒng)中.

超寬帶； 平面天線； 天線優(yōu)化

近年來,超寬帶(UWB)天線技術(shù)在通信技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展較快. 由于超寬帶天線具有高速率、 低誤碼率和寬頻帶等特性,因此在軍事和民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛. 由于超寬帶天線制作成本低、 抗干擾、 傳輸速率高,且配置簡(jiǎn)單,因此已引起人們廣泛關(guān)注. 根據(jù)超寬帶天線的特點(diǎn),目前主要有矩形、 圓形和蝶形等不同形狀的超寬帶天線[1-5]. 本文設(shè)計(jì)一種新型的鉆石形超寬帶天線.

1 鉆石形超寬帶天線的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

衡量天線性能常用的幾個(gè)重要參數(shù)為天線饋電端口的回波損耗、 電壓駐波比VSWR和散射(S)參數(shù)(無源天線為S11參數(shù)),各參數(shù)間的關(guān)系為：

其中:

Returnloss為回波損耗,表示入射功率和反射功率的比值,以分貝表示,在0～∞取值,回波損耗為0時(shí),表示全反射； 回波損耗為∞時(shí),表示完全匹配; VSWR為電壓駐波比,表示行駐波的電壓波腹值與電壓波節(jié)值之比,在1～∞取值,駐波比為1時(shí),表示完全匹配； 駐波比為∞時(shí),表示全反射[6].

在實(shí)際應(yīng)用中,通常取S11≤-10 dB,VSWR≤2. 本文取S11≤-10 dB或VSWR≤2為參考標(biāo)準(zhǔn). 天線的相對(duì)帶寬表達(dá)式為[7-8]

采用美國(guó)Ansoft公司開發(fā)的高頻結(jié)構(gòu)仿真(HFSS)軟件設(shè)計(jì)天線,HFSS軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows圖形用戶界面. 使用HFSS軟件時(shí),只需創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型,指定模型材料屬性,分配模型的邊界條件和激勵(lì),定義求解設(shè)置,便可計(jì)算并輸出設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果[9-11]. 鉆石形超帶寬天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中基板材料選擇為FR-4微波介質(zhì)板,厚度H=0.8 mm,介電常數(shù)為4.4,損耗角正切為0.001 8. 天線由兩階優(yōu)化后的天線輻射貼片與階梯化后的接地板連接. 該天線尺寸為：W1=10 mm,W=20 mm,W3=24 mm,W4=10.75 mm,H=26 mm,H2=8 mm.

2 天線設(shè)計(jì)優(yōu)化過程

未優(yōu)化鉆石形天線的仿真曲線如圖2所示. 由圖2可見,在4.5～5 GHz,S11非常接近-10 dB,因此需對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化,如圖3所示. 優(yōu)化后鉆石形天線的仿真曲線如圖4所示. 先在天線輻射貼片的2個(gè)側(cè)面去掉2個(gè)小矩形(圖3(A)),其仿真曲線如圖4中的實(shí)線所示. 可見優(yōu)化后的S11值在4.5～5 GHz 處有所下降. 即對(duì)該天線的一階優(yōu)化有效,但未達(dá)到理想要求,還需進(jìn)一步優(yōu)化,在第一階優(yōu)化的基礎(chǔ)上再次削減天線的輻射貼片(圖2(B)). 其仿真曲線如圖4中點(diǎn)線所示,可見優(yōu)化效果并不明顯. 在天線上邊去掉一個(gè)三角形(圖2(C)),其仿真曲線如圖4中的虛線所示,可見天線的S11值進(jìn)一步下降. 在對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,采用階梯化接地板的方法對(duì)天線進(jìn)一步優(yōu)化(圖2(D)),其仿真結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見,經(jīng)階梯化接地板后天線的S11值在低頻端和高頻端均有下降,有效拓寬了天線的帶寬.

圖1 超寬帶天線的結(jié)構(gòu)Fig.1 Ultra-wideband antenna structure

圖2 原始仿真S11曲線Fig.2 Simulation curves of primitive S11

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)用熱轉(zhuǎn)引法制作實(shí)物天線,熱轉(zhuǎn)印法制作天線的過程如下:

1) 將設(shè)計(jì)好的天線圖形打印在熱轉(zhuǎn)印紙上;

2) 將轉(zhuǎn)印粘貼在覆銅微波介質(zhì)板上并加熱,使轉(zhuǎn)印紙上的模型印在覆銅微波介質(zhì)板上;

3) 利用腐蝕液(V(水)∶V(鹽酸)∶V(雙氧水)=3∶1∶1)腐蝕介質(zhì)板,最后進(jìn)行切割與打磨[12-15].

利用熱轉(zhuǎn)印法制作天線的縫隙為0.3 mm,線寬為0.2 mm. 經(jīng)實(shí)驗(yàn)校證可滿足制作的誤差要求. 圖6為利用熱轉(zhuǎn)印法制作的實(shí)物天線,其中接口為標(biāo)準(zhǔn)SMA鍍銅接口. 采用37269C型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試實(shí)物天線. 實(shí)物天線的仿真和實(shí)測(cè)VSWR曲線如圖7所示. 由圖7可見,仿真和實(shí)測(cè)VSWR曲線吻合較好. 其誤差主要是由于天線模型在加工過程中介質(zhì)板腐蝕產(chǎn)生誤差和SMA接頭焊接與材料特性誤差所致.

(A) 對(duì)天線輻射貼片進(jìn)行第一次優(yōu)化; (B) 對(duì)天線輻射貼片進(jìn)行第二次優(yōu)化; (C) 對(duì)幅射貼片開口; (D) 對(duì)地板進(jìn)行優(yōu)化.

圖4 天線優(yōu)化前后的S11曲線Fig.4 S11 curves of antenna before and after its optimization

圖5 接地板優(yōu)化前后的S11仿真曲線Fig.5 S11 curves of ground plate before and after its optimization

圖6 實(shí)物天線Fig.6 Photograph of proposed antenna

圖7 實(shí)測(cè)與仿真VSWR曲線Fig.7 Measured and simulated VSWR curves

綜上,本文采用改變微帶天線輻射板和使接地板呈階梯化的方法,對(duì)天線進(jìn)行了多次優(yōu)化. 結(jié)果表明: 經(jīng)優(yōu)化后的天線在2.0～14.5 GHz內(nèi)的VSWR≤2,相對(duì)帶寬為151%,覆蓋了整個(gè)超帶寬的頻寬范圍； 天線尺寸為24 mm×26 mm,即具有超寬帶、 小型化、 結(jié)構(gòu)緊湊和便于加工等特點(diǎn),可將其集成于射頻電路和應(yīng)用于各種超寬帶系統(tǒng)中.

[1]YANG Tang,TIAN Xiaojian. A Novel Heart-Shaped Monopole Antenna for UWB and RFID Applications [J]. Microwave Opt Technol Lett,2011,53(10): 2288-2291.

[2]Chiu C W,Li C S. A CPW-Fed Band-Notched Slot Antenna for UWB Applications [J]. Microwave Opt Technol Lett,2009,51(6): 1587-1592.

[3]YANG Tang,TIAN Xiaojian,CHEN Changfu. C-Shaped Slot Serves UWB Antenna [J]. Microwaves & RF,2012,51(2): 89-91.

[4]Naser-Moghadasi M,Koohestani M,Sadeghzadeh R A. Compact Microstrip-Fed Ultra-wideband Antenna with Novel Radiation Element [J]. Microwave Opt Technol Lett,2010,52(10): 2267-2269.

[5]CHEN Changfu,TAIN Xiaojian,YANG Tang. Two-Horn Antenna Aims at UWB Use [J]. Microwaves & RF,2012,51(4): 72-73.

[6]吳崎. 新型超寬帶天線研究 [D]. 上海： 上海交通大學(xué),2009. (WU Qi. Study of Novel Ultra-wideband Antennas [D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University,2009.)

[7]Abdollahvand M,Dadashzadeh G,Mostafa D,et al. Compact Dual Band-Notched Printed Monopole Antenna for UWB Application [J]. IEEE Antennas Wireless Propag Lett,2010,9: 1148-1151.

[8]Thomas K G,Sreenivasan M. A Simple Ultrawideband Planar Rectangular Printed Antenna with Band Dispensation [J]. IEEE Trans Antennas Propag,2010,58(1): 27-34.

[9]車仁信， 廣旗一蘭， 常宏銘． E型貼片微帶天線性能分析 [J]． 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 30(6): 95-97． (CHE Renxin,GUANG Qiyilan,CHANG Hongming. Analysis of Performance of E-Shaped Patch Microstrip Antenna [J]． Journal of Dalian Jiaotong University,2009， 30(6): 95-97．)

[10]曾會(huì)勇， 王光明， 麻來宣， 等． 新型寬頻帶微帶貼片天線的設(shè)計(jì) [J]． 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2009， 16(4): 308-312． (ZENG Huiyong,WANG Guangming,MA Laixuan,et al. Design of Novel Wideband Microstrip Patch Antenna [J]． Journal of Engineering Design,2009， 16(4): 308-312．)

[11]來雪梅， 王代華， 張哲． 基于HFSS的微帶天線設(shè)計(jì)與仿真 [J]． 機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(6): 40-42． (LAI Xuemei,WANG Daihua,ZHANG Zhe. Design and Simulation of Microstrip Antenna Based on HFSS [J]． Mechanical Engineering & Automation,2009(6): 40-42．)

[12]車仁信， 程鑫， 張坤武． 寬帶微帶天線設(shè)計(jì)方法研究 [J]． 大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2005， 26(1): 76-79． (CHE Renxin,CHENG Xin,ZHANG Kunwu. Design Method of Broadband Microstrip Antenna [J]． Journal of Dalian Railway Institute,2005， 26(1): 76-79．)

[13]Naser-Moghadasi M， Mohsen Koohestani， Sadeghzadeh R A． Compact Microstrip-Fed Ultra-wideband Antenna with Novel Radiating Element [J]． Microwave and Optical Technology Letters， 2010， 52(10): 2267-2269．

[14]Gay-Balmaz P,Martin O J F． Electromagnetic Resonances in Individual and Coupled Split-Ring Resonators [J]． Journal of Applied Physics， 2002， 92(5)： 2929-2936．

[15]楊秀麗， 葛建民， 李銘祥， 等． 12．5 GHz微帶陣列天線的設(shè)計(jì) [J]． 中國(guó)新通信,2008， 23： 58-60． (YANG Xiuli,GE Jianmin,LI Mingxiang,et al. Design for a 12.5 GHz Microstrip Antenna Array [J]． China New Telecommunications,2008， 23： 58-60．)

(責(zé)任編輯： 王 健)

DesignandRealizationofNovelDiamond-ShapedUltra-widebandAntenna

CAO Xi,TIAN Xiaojian
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

A novel ultra-wideband antenna with diamond-shaped patch was designed and fed by a coplanar waveguide. The size of the substrate is 26 mm×24 mm×0.8 mm and the substrate material uses FR4 with a relative permitivity of 4.4. The patch was optimized twice by ground plant’s first order optimization. The simulated and experimental results demonstrate that the bandwidth (VSWR≤2) starts from 2.0 GHz up to 14.5 GHz and relative bandwidth comes to 151%. This diamond-shaped UWB antenna has the advantages of simple structure and miniaturization that can be applied to various UWB systems.

ultra-wideband; planar antenna; antenna optimization

2013-09-26.

曹 曦(1985—),男,漢族,博士研究生,從事天線技術(shù)的研究,E-mail: caoxi0@163.com. 通信作者： 田小建(1957—),男,漢族,博士,教授,博士生導(dǎo)師,從事高速電子學(xué)與微波系統(tǒng)的研究,E-mail: tianxj@jlu.edu.cn.

吉林省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào): 20120320).

TN82

A

1671-5489(2014)05-1035-04