新型超寬帶單極子天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

徐海洋,張 厚,梁建剛,王洪光

(空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原 713800)

1 引 言

超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)[1-5]技術(shù)作為一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),具有小范圍的超強(qiáng)無(wú)線(xiàn)設(shè)備連接能力,而且擁有低功耗、高性能和低成本無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信能力,在精確定位系統(tǒng)、探地雷達(dá)以及短距通信等方面已有廣泛的應(yīng)用。隨著微波集成電路(MIC)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路(VLSIC)技術(shù)的快速發(fā)展,以及各種新材料和新工藝的應(yīng)用,通信電子設(shè)備的體積日益小型化,其處理信息的能力也日益朝著智能化和寬帶化發(fā)展。天線(xiàn)作為發(fā)射和接收電磁波的設(shè)備,是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。相應(yīng)地,系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)提出的要求也越來(lái)越高,不僅要求天線(xiàn)適應(yīng)小型化發(fā)展,而且還要滿(mǎn)足電性能指標(biāo),尤其是帶寬和效率。因此,天線(xiàn)的寬帶和小型化設(shè)計(jì)與應(yīng)用是大勢(shì)所趨。UWB天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與研究作為超寬帶通信的關(guān)鍵技術(shù)之一,是近年來(lái)天線(xiàn)與傳播領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。為適應(yīng)小型集成化的需求,超寬帶平面天線(xiàn)的研究與應(yīng)用引人矚目。一般來(lái)說(shuō),天線(xiàn)的尺寸越小,天線(xiàn)的效率和帶寬性能就會(huì)呈反向變化的關(guān)系,因此需要在尺寸與效率和帶寬之間找到平衡。超寬帶印刷單極子天線(xiàn)具有重量輕、體積小、低剖面、方向圖全向、易于共形和集成等優(yōu)點(diǎn),在短距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]給出了一種超寬帶單極子天線(xiàn),天線(xiàn)的帶寬范圍為接地板分別印制在介質(zhì)板的兩側(cè),實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的寬帶化,天線(xiàn)帶寬范圍為2.48～14.86GHz。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款作為參考天線(xiàn)的單極子天線(xiàn),將天線(xiàn)的接地板邊緣作了圓滑處理,帶寬范圍覆蓋了FCC所規(guī)定的3.1～10.6GHz的帶寬。

本文設(shè)計(jì)的單極子天線(xiàn),在天線(xiàn)的接地板上開(kāi)矩形槽,并在單極子貼片的頂端開(kāi)扇形槽,大大展寬了天線(xiàn)的帶寬,天線(xiàn)的-10dB仿真帶寬范圍為2.0～26GHz,實(shí)測(cè)結(jié)果為2.1～25.5GHz。天線(xiàn)在整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)輻射特性穩(wěn)定,方向圖對(duì)稱(chēng)。

2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能分析

天線(xiàn)印制在介電常數(shù)為4.6、厚度為0.8mm的介質(zhì)板上,貼片和接地板分別印制在介質(zhì)板的兩邊。為改善天線(xiàn)的匹配并展開(kāi)帶寬,分別在接地板上開(kāi)方形槽和在圓形貼片頂端開(kāi)扇形槽。方形槽和扇形槽的尺寸均是通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得出:

首先在不開(kāi)方形槽的情況下,優(yōu)化方形槽的尺寸,然后在固定優(yōu)化好的方形槽尺寸的情況下優(yōu)化扇形槽尺寸,分別對(duì)扇形槽半徑和槽寬兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

為防止波束傾斜,接地板兩邊進(jìn)行了切角圓滑處理。天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of the antenna

超寬帶印刷單極子天線(xiàn)是由圓柱陣子天線(xiàn)演變而來(lái),因此可以將之與圓柱陣子做某種方式的等效,從而分析其性能。從理論上可將半徑為r的單極子印刷貼片結(jié)構(gòu)近似等效成高為L(zhǎng)、半徑為R的圓柱陣子。超寬帶印刷單極子天線(xiàn)的下限頻率的確定方法可借用平面單極子天線(xiàn)的相關(guān)公式。文獻(xiàn)[8,9]分別對(duì)平面單極子天線(xiàn)作了不同的表述。文獻(xiàn)[8]確定下限頻率(單位為GHz)的表達(dá)式為式中,L為圓形貼片的長(zhǎng)度即2R;W1、W2分別為等效上邊緣和下邊緣寬度,這里分別等效為上、下半圓的水平投影長(zhǎng)度,即直徑2R。

該公式得到的估算誤差在±9%以?xún)?nèi),L、W1、W2單位均為m,該公式得到的圖1下限頻率估算值為1.94GHz。

文獻(xiàn)[9]確定下限頻率(單位為GHz)的表達(dá)式為

式中,R的單位為mm,利用該公式得到的天線(xiàn)下限頻率的估算值為2GHz,這與式(1)估算的1.94GHz結(jié)果非常接近。

為展寬天線(xiàn)帶寬,改善阻抗匹配,在天線(xiàn)的接地板上開(kāi)方形槽,在貼片上開(kāi)扇形槽,方形槽和扇形槽的尺寸通過(guò)Ansoft HFSS仿真軟件優(yōu)化選取。為顯示開(kāi)槽的必要性和優(yōu)越性,圖2給出了不加槽、加方形槽和同時(shí)加方形、扇形槽的反射損耗曲線(xiàn)。其中不加槽的原天線(xiàn)僅給出了1～15GHz頻段,另外兩種情況給出了1～31GHz頻段。圖中顯示,在2～11.4GHz范圍內(nèi),不加槽時(shí)S11在個(gè)別頻點(diǎn)附近還在-10dB以上,同時(shí)加矩形和扇形槽時(shí)比僅加方形槽的反射損耗總體上有所減小,但減小不明顯。在1～30GHz范圍內(nèi),由圖可以看出,同時(shí)加矩形和扇形槽時(shí)的-10dB阻抗帶寬范圍為2～26GHz,而僅加方形槽的帶寬范圍為2.1～19.8GHz,帶寬在高頻段展寬了6GHz以上。

圖2 不同加槽情況的 S11對(duì)比Fig.2 Comparison of S11in different cases

3 天線(xiàn)的仿真與測(cè)試結(jié)果

圖3是天線(xiàn)S11仿真與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比,由圖可知,天線(xiàn)的-10dB仿真阻抗帶寬為2～26GHz,而測(cè)試的帶寬范圍為2.1～25.5GHz,天線(xiàn)的下限頻率與文獻(xiàn)[8,9]的預(yù)估值均吻合較好。圖中顯示,仿真與測(cè)試結(jié)果總體吻合較好,但存在一些差異,其中高頻段差異比低頻段差異明顯。分析原因主要是加工誤差和焊接工藝造成的,而且測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境也對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。

圖4是天線(xiàn)在不同頻點(diǎn)的方向圖,其中圖4(a)、(b)、(c)、(d)為天線(xiàn)的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖,圖4(e)、(f)分別為天線(xiàn)在25GHz的E面和H面仿真結(jié)果。由圖可知 ,天線(xiàn)在2.5GHz、8GHz、25GHz頻點(diǎn)上,E面和H面的方向圖對(duì)稱(chēng)性良好。仿真結(jié)果顯示方向圖在25GHz惡化,其中E面的鋸齒化現(xiàn)象明顯;H 面在 θ=15°、165°、195°、345°附近凹陷 ,而且25GHz時(shí)的E面和H面交叉極化現(xiàn)象均較為明顯。

圖3 天線(xiàn)S11仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated and measured results in S11

圖4 天線(xiàn)的方向圖Fig.4 Radiation patterns of the antenna

4 結(jié) 論

超寬帶印刷單極子天線(xiàn)作為超寬帶家族中非常重要的一員而應(yīng)用廣泛。本文設(shè)計(jì)的超寬帶天線(xiàn),通過(guò)在接地板上開(kāi)方形槽和在貼片上開(kāi)扇形槽,天線(xiàn)的-10dB阻抗帶寬由不開(kāi)槽時(shí)的2～11.4GHz(且該頻段內(nèi)有個(gè)別點(diǎn)附近的反射損耗略大于-10dB)展寬為2.1～25.5GHz,大大展寬了天線(xiàn)的帶寬。仿真和測(cè)試結(jié)果顯示,天線(xiàn)的方向圖在整個(gè)頻段內(nèi)對(duì)稱(chēng)性良好。此外,方向圖在高頻段25GHz惡化,且交叉極化明顯。該天線(xiàn)具有頻帶寬、低剖面、輻射全向且對(duì)稱(chēng)的優(yōu)良特性,適用于衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信等通信系統(tǒng)。

[1] 陳克難,王欣,劉文紅.超寬帶UWB天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2009,29(2):376-378.CHEN Ke-nan,WANG Xin,LIU Wen-hong.Design of UWB antennas[J].Nuclear Electronics and Detection Technology,2009,29(2):376-378.(in Chinese)

[2] ZHONG Shun-shi,LIANG Xian-ling.Progress in ultrawideband planar antennas[J].Journal of Shanghai University(English Edition),2007,11(2):95-101.

[3] 呂文俊,朱洪波.陷波特性平面超寬帶天線(xiàn)的研究進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(4):780-785.LV Wen-jun,ZHU Hong-bo.On the frequency notched planar ultra-wideband antennas[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(4):780-785.(in Chinese)

[4] 劉乘源,李迎松,楊曉東,等.基于等效面積法的UWB天線(xiàn)設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真技術(shù),2009,5(4):263-267.LIU Cheng-yuan,LI Ying-song,YANG Xiao-dong,et al.Design of UWB antenna basec on equivalent area[J].System Simulation Technology,2009,5(4):263-267.(in Chinese)

[5] Huang C Y,Hsia W C.Planar elliptical antenna for ultrawideband communications[J].Electronics Letters,2005,41(6):296-297.

[6] Hu S,Chen H,Law C L.Backscattering cross section of ultra-wideband antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter,2007(6):70-73.

[7] 姜文,龔書(shū)喜,洪濤,等.低雷達(dá)截面的超寬帶扇形天線(xiàn)[J].電子學(xué)報(bào),2010,38(9):2162-2165.JIANG Wen,GONG Shu-xi,HONG Tao,et al.Fanshaped antenna with low RCS for ultra-wideband application[J].Acta Electronica Sinica,2010,38(9):2162-2165.(in Chinese)

[8] Zhantao Yang,Li Li,HuazhiWang.Investigation on ultrawideband printed circular monopole antenna with frequencynotched[C]//Proceedings of IEEE 2008 International Conference on Microwave Milimeter Wave Technology.Nanjing:IEEE,2008:1858-1861.

[9] 鐘玲玲,邱景輝,孫博.超寬帶圓片單極子天線(xiàn)的分析與設(shè)計(jì)[J].宇航學(xué)報(bào),2008,29(4):1387-1413.ZHONG Ling-ling,QIU Jing-hui,SUN Bo.Analysis and design of ultrawide-band circular antenna[J].Journal of Astronautics,2008,29(4):1387-1413.(in Chinese)