基于共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線研究與設(shè)計(jì)

周瑞城

摘要：為了更好的符合超寬帶天線的性能要求，本文根據(jù)天線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用的材料為2.65的聚四氟乙烯，設(shè)計(jì)天線的尺寸為長(zhǎng)35毫米，寬35毫米，高1.6毫米，并利用仿真軟件HFSS對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行仿真，然后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后通過(guò)分析其參數(shù)得到優(yōu)化尺寸。

關(guān)鍵詞：共面波導(dǎo)饋電;超寬帶天線;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);HFSS仿真;參數(shù)優(yōu)化

前言

在早期，人們使用微帶天線，它的最大優(yōu)勢(shì)是體積小和重量輕，但受很窄頻帶的限制，不能起到很大的發(fā)揮作用。隨著通信系統(tǒng)快速發(fā)展，其小型化和寬帶化取得長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步。由微帶天線過(guò)渡到小型化超寬帶，簡(jiǎn)稱為UWB。小型化超寬帶之所以引起人們的廣泛關(guān)注，是因?yàn)槊绹?guó)是第一個(gè)使用以3.1千兆赫茲到10.6千兆赫茲作為超寬帶通信頻段。小型化超寬帶通信系統(tǒng)雖然具有體積小、寬帶較寬、輻射效率良好等這些優(yōu)勢(shì)，但是不能更好的和射頻設(shè)備集成加上制造困難。因此，研究小型化超寬帶成為全球研究的重點(diǎn)和方向。

1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人們?yōu)榱税盐炀€的性能發(fā)揮到最大化，越來(lái)越多的研究者紛紛加入研究天線結(jié)構(gòu)的隊(duì)伍，還提出各種各樣的天線結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，有U糟貼片天線、蝴蝶結(jié)形等。周旺、李迎松和劉乘源這些研究者采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)出天線，該天線可達(dá)到3.5千兆赫到11.0千兆赫，但該設(shè)計(jì)存在體積較大的缺陷。輻射貼片一般采用如矩形、圓形環(huán)薄片等規(guī)則形狀的面積單元。相同的頻率工作的條件，相對(duì)于圓形貼片，矩形貼片在效率、增益以及頻帶的方面上更有優(yōu)勢(shì)。增大天線寬帶的方法比較多，如采用多貼片、集總元件加載、縫隙加載等。這些方法有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，比如采用多貼片和集總元件加載會(huì)導(dǎo)致天線的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。所以設(shè)計(jì)天線的過(guò)程中，需要從多方面思考，根據(jù)不同情況采取對(duì)應(yīng)的方法。本文基于共面波導(dǎo)技術(shù)對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，把天線放在單層覆銅介質(zhì)基板上，有共面波導(dǎo)地面以及其非對(duì)稱多邊形槽、十字形貼片單元和共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，其中，共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)包括饋電信號(hào)帶和其兩邊的細(xì)縫。該電線饋電是通過(guò)十字形貼片單元和有限地共面波導(dǎo)進(jìn)行的。本文設(shè)計(jì)的天線如圖1所示：

2天線的仿真研究

為保障設(shè)計(jì)的效果與實(shí)用，本文考慮到兩方面，一個(gè)是介質(zhì)基板的厚度，另一個(gè)是有限地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)得出以下公式：

以上公式（1）～（4）主要是用在有限地的共面波導(dǎo)饋電阻抗的計(jì)算，由此可算出共面波導(dǎo)的信號(hào)帶線的寬度和縫隙寬度。本文利用軟件HFSS對(duì)該天線的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行方針與優(yōu)化。

到現(xiàn)在為止，研究大多數(shù)針對(duì)對(duì)稱共面波導(dǎo)，雖然共面波導(dǎo)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但制作而成的大部分屬于非對(duì)稱。非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)在實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件的應(yīng)用方面上具有靈活性，有時(shí)候特殊情況會(huì)需要非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)。所以，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)的研究較為普遍。從非對(duì)稱多邊形槽尺寸的優(yōu)化可看出，多邊形槽尺寸每次增大，該天線的抗組特性就越好，因?yàn)椴鄣某叽绲玫皆龃?，可以降低輻射貼片與共面波導(dǎo)接地面之間的諧振作用，進(jìn)而使天線的阻抗帶寬變好。本文還對(duì)該天線參數(shù)進(jìn)行掃描且優(yōu)化，由此可發(fā)現(xiàn)，輻射貼片越小，那么輻射能量隨之越小，其寬帶也同樣越小。同理，輻射貼片越大，那么該天線的阻抗寬帶隨之越大。再者，饋電間隙越小，寬帶也會(huì)跟著越小，因?yàn)榭p隙每次減少，會(huì)引起耦合電容產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而使該天線阻抗寬帶變窄。此外，本文設(shè)計(jì)的天線還具有良好的增益指標(biāo)，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該天線處于2.2千兆赫到8.0千兆赫的頻段內(nèi)，其增益超過(guò)3分貝時(shí)，其增益會(huì)隨之增大，頻率超過(guò)4千兆赫時(shí)，其增益會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，可高達(dá)8.17分貝，也就是說(shuō)與常見(jiàn)的微帶天線相比，該天線的增益效果更好。

綜上所述，相對(duì)于各天線，本文設(shè)計(jì)的超寬帶天線在增益、重量還有體積方面上更具有優(yōu)勢(shì)，也方便了共面波導(dǎo)技術(shù)還有缺陷地結(jié)構(gòu)的展開(kāi)。

3結(jié)論

本文通過(guò)利用共面波導(dǎo)技術(shù)與缺陷地結(jié)構(gòu)以來(lái)改善傳統(tǒng)微帶天線的缺陷，如體積大、窄頻帶等。經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的超寬帶天線可以順利的與射頻設(shè)備集成，且所涉及的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)饋電天線實(shí)現(xiàn)在2.2千兆赫到8.0千兆赫的頻帶范圍內(nèi)工作。在保障超寬帶天線性能的前提下，該天線結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，也就是說(shuō)加工制作容易，還具有增益及穩(wěn)定性，較符合當(dāng)前使用通信的需求。

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