新型超寬帶微帶天線設(shè)計(jì)

周艷秋 賈方

摘要：超寬帶天線作為UWB通信系統(tǒng)的重要部件，其性能直接影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量，本文利用仿真軟件設(shè)計(jì)了一種新型UWB微帶天線，采用獨(dú)特的接地板W型漸變結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在較寬的頻帶內(nèi)保證天線獲得良好的阻抗匹配。通過對所設(shè)計(jì)天線的仿真優(yōu)化，使得微帶天線在2GHz—12GHz的寬頻帶范圍內(nèi)回波損耗S11≤-10dB，輻射方向圖良好，該天線體積小易于共性，可以滿足UWB通信系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞：超寬帶；微帶天線；回波損耗

1 概述

超寬帶通信是指利用信號帶寬超過中心頻點(diǎn)的20%UWB信號進(jìn)行通信，對于要求高傳輸速率、低功率和低損耗的小范圍無線通信系統(tǒng)而言，UWB通信系統(tǒng)是較好的通信選擇[1]。超寬帶通信系統(tǒng)對于天線的要求較高，不但有傳統(tǒng)天線的體積小，帶寬寬的性能要求，同時(shí)要求在UWB的通信頻帶范圍內(nèi)具有穩(wěn)定良好的阻抗匹配特性，穩(wěn)定的回波損耗和全向輻射特性。微帶天線結(jié)構(gòu)簡單而且制作成本較低，同時(shí)制作誤差要求也較低，并且在制作與使用中可以與物體實(shí)現(xiàn)共形，比如可以安裝在穿戴物體或是飛行物體的表面，在達(dá)到隱蔽性的同時(shí)又不影響物體的運(yùn)動感，獨(dú)特的優(yōu)勢使得它成為作為國內(nèi)外天線研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，目前，微帶天線在軍事裝備和民用設(shè)備上已獲得廣泛應(yīng)用，特別是衛(wèi)星通信、無人機(jī)通信和雷達(dá)遙感等領(lǐng)域。近年來研究人員對微帶天線進(jìn)行了非常多的研究，通過實(shí)驗(yàn)方法或是仿真軟件等，改變天線的結(jié)構(gòu)或是改變縫隙的形狀[2]，以及改變天線的饋電方式，以其得到良好的輻射特性和阻抗特性。

2 微帶天線設(shè)計(jì)

UWB天線的介質(zhì)基板材料為FR4，相對介電常數(shù)4.4，損耗角正切為0.02，長方體基板的整體尺寸為W×L×h=34×25×1.5mm3，UWB平面天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線輻射單元采用長方形與Y型相結(jié)合，輻射貼片的Y型結(jié)構(gòu)可以為天線在工作頻帶范圍內(nèi)提供良好的阻抗匹配。阻抗為50Ω的微帶饋電線尺寸為12.5×2.5 mm2，矩形輻射單元的前端由于表面電流分布較少而被切掉，并不會對天線的整體特性產(chǎn)生很大的影響[3]。

從圖中可以看出，介質(zhì)基板背面的接地板進(jìn)行了部分尺寸的切除，切除部分采用正方形與三角形相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)調(diào)整可以適當(dāng)提高設(shè)計(jì)天線的阻抗帶寬，特別是接地板背面的刻痕產(chǎn)生的容性阻抗可以抵消輻射貼片本身的感性阻抗，使得天線產(chǎn)生純電阻的輸入阻抗，接地板作為阻抗匹配單元在很寬的頻帶范圍內(nèi)與輻射貼片匹配[4]。

3 仿真優(yōu)化

仿真實(shí)驗(yàn)主要是對天線的重要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定UWB微帶天線最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其中P=10.6mm，D=12.5mm，輻射貼片的前端缺失尺寸為5mm×1mm，對優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的微帶印刷天線進(jìn)行仿真，得到回波損耗曲線如圖 2所示，所設(shè)計(jì)的天線在整個(gè)頻帶內(nèi)阻抗匹配特性良好，S11≤-10dB，尤其是在天線的諧振頻點(diǎn)5.6GHz可實(shí)現(xiàn)S11≤-22dB，另一諧振點(diǎn)10.2GHz為最小值S11≤-40dB。

圖3為所設(shè)計(jì)的UWB微帶天線在第一諧振頻點(diǎn)5.6GHz出的H面和E面方向圖，通過該圖可以分析設(shè)計(jì)天線在相應(yīng)頻帶范圍內(nèi)的輻射特性，從圖中可以看出在5.6GHz處，天線E面方向圖為類似啞鈴結(jié)構(gòu)，H面的方向圖接近全向輻射特性，微帶天線的仿真增益可達(dá)到3dB，滿足超寬帶通信對天線輻射特性的要求。

4 小結(jié)

超寬帶通信作為無線通信領(lǐng)域的新興技術(shù)，其天線性能是整個(gè)通信系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，小型化、高性能的微帶天線是UWB通信的良好選擇。本文研究設(shè)計(jì)了一種性能良好的新型UWB微帶天線，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線的回波損耗在2GHz—12GHz的頻帶范圍中低于-10dB，其中在10.2GHz處達(dá)到最小值-45dB，H面與E面方向圖良好。該天線體積較小，制作簡單，同時(shí)阻抗特性和輻射特定可以滿足超寬帶通信對于天線設(shè)計(jì)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] Andrea Sani，Akram Alomainy. Experimental Characterization of UWB On-Body Radio Channel in Indoor Environment Considering Different Antennas [J].IEEE Transactions on antennas and propagation，2010，58：238-241.

[2] Mohammad Mehdi，Samadi Taheri.UWB Printed Slot Antenna With Bluetooth and Dual Notch Bands [J]. IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2011，10：255-257.

[3] Yang Y Y，Zheng Z A，Chu Q X. A Compact Ultra-wideband Antenna Design Based on The Current Distribution [J]. Microwave and Optical Technology Letters，2009，51（11）：2601-2603.

[4] F. Amini，M N Azarmanesh. Small Semi-circle-like Slot Antenna for Ultra-wideband Applications [J]. Progress in Electromagnetics Research C，2010，13，149-158.

基金項(xiàng)目：

武警部隊(duì)基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（WJJC2017-304）

作者簡介：

周艷秋（1984-），女，黑龍江通河人，工學(xué)碩士。