一種用于超帶寬無線通信系統(tǒng)的天線設(shè)計實現(xiàn)＊

宋志強(qiáng) 孫 瑜

（92941部隊96分隊 葫蘆島125001）

1 引言

UWB（Ultra Wide Band超寬帶）是一種在雷達(dá)和遙感中被廣泛應(yīng)用的傳輸技術(shù)，近年來作為通信應(yīng)用在業(yè)界受到了巨大的關(guān)注。其高性能和低功耗的優(yōu)點使超帶寬無線通信系統(tǒng)成為未來理想的無線通信系統(tǒng)。根據(jù)FCC（Federal Communications Commission美國聯(lián)邦通信委員會）對UWB天線的定義，應(yīng)用在UWB短距離通信設(shè)備的天線要求很大的頻帶寬度，因此UWB天線的設(shè)計也成為UWB技術(shù)中的難點。

近幾年，微帶天線以其結(jié)構(gòu)簡單、平面結(jié)構(gòu)、便于和集成電路集成和成本低等特點，在短距離通信設(shè)備中得到越來越多的應(yīng)用。同時，在天線擴(kuò)展頻帶應(yīng)用方面提出了很多方法。綜合來說，對于微帶天線展寬頻帶的方法主要有：1）用介電常數(shù)較小和厚度較大的介質(zhì)基片；2）附加寄生貼片或采用電磁耦合饋電；3）附加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)等。除此之外還可以改變天線結(jié)構(gòu)和采用行波或者對數(shù)周期結(jié)構(gòu)來提高帶寬。

目前對于實現(xiàn)微帶天線帶寬的方法使得天線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且有些改變了微帶天線的平面結(jié)構(gòu)，不利于在便攜設(shè)備上安裝和使用。本文針對如何實現(xiàn)UWB無線通信設(shè)備的高帶寬的要求，考慮了微帶天線的平面結(jié)構(gòu)，提出一種新型結(jié)構(gòu)的UWB微帶天線，并通過仿真和加工測試證明其可行性。

2 天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計

為了滿足FCC對UWB天線的要求，本設(shè)計綜合了提高微帶天線帶寬的方法，采用了微帶耦合饋電方法，天線的輻射形式采用微帶寬縫隙輻射，并綜合圓環(huán)開槽天線和矩形開槽天線相比可以減小天線結(jié)構(gòu)的尺寸并且保證寬頻帶的特性，因此這種新型天線采用微帶耦合饋電圓環(huán)開槽結(jié)構(gòu)。圓環(huán)開槽天線是在介質(zhì)基片上開一個圓環(huán)縫隙，并用微帶線作饋電，該帶天線的幾何圖形及其坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 圓環(huán)開槽天線及其坐標(biāo)系

其可以看作在一個無限導(dǎo)體平板上的圓環(huán)縫隙，面磁流的環(huán)形分布為

式（1）中，Ea是口面電場是垂直于口面的單位矢量。圓環(huán)開槽天線的的遠(yuǎn)場方向圖可以用電矢量位法來計算。遠(yuǎn)區(qū)電場的θ和φ分量為

式中，a是圓環(huán)縫隙的內(nèi)半徑，Eρ和Eφ′分別是在ρ和φ′方向上縫隙的電場分量。

圓環(huán)開槽的半徑主要依賴于天線在自由空間的場模式，當(dāng)aλ0＝1或2時的方向性圖可以通過式（4）得出，其中k0＝2π／λ0，λ0是自由空間的波長，WS是圓環(huán)縫隙的寬度。

對圓環(huán)開槽天線采用在介質(zhì)基片底部用微帶線耦合饋電的方式，饋線穿過開槽并且終端開路，為了更好的實現(xiàn)匹配，穿過開槽部分的饋線長度應(yīng)該在λS／4，λS為電磁波的槽線波長：

圖2 圓形開槽微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)以上的分析和計算，圓環(huán)開槽天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，加工后的實物圖如圖3所示。圓形貼片半徑為R2，開槽的內(nèi)徑和外徑分別為R2和R1；介質(zhì)基片相對介電常數(shù)4.3，厚度1mm；微帶饋線特性阻抗是50Ω，寬度w′＝1.98mm，饋線終端接較寬的微帶開路線，長和寬分別為L和W。泡沫層相對介電常數(shù)近似為1，厚度為20mm。通過軟件優(yōu)化得到最佳的天線尺寸為：R1＝26mm，R2＝10mm，d＝12mm，h1＝1mm，h2＝20mm，l′＝32mm，w′＝2mm，L＝12mm，W＝10.5mm。

圖3 UWB天線實物正視圖

3 仿真與加工測試結(jié)果

借助于Ansoft HFSS對天線模型進(jìn)行仿真。得到天線的回波損耗如圖4所示，天線的回波損耗S11＜－10dB的帶寬達(dá)到6.15GHz，其相對帶寬為89%。

圖4 圓弧開槽微帶天線的回波損耗

天線加工后用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線反射系數(shù)進(jìn)行了測試，測試頻率從2GHz～6GHz，測得結(jié)果如圖5所示。在3.1GHz天線的反射系數(shù)為－12.748dB，從3.1GHz－5.669GHz的整個頻段內(nèi)，天線的反射系數(shù)均小于－10dB?？梢赃_(dá)到FCC對UWB天線的要求。

圖5 UWB天線的反射系數(shù)實測圖

圖6所示為該微帶天線在諧振頻率（3.8GHz，5.8GHz，7.8GHz，9GHz）的遠(yuǎn)場輻射的方向圖。從圖中可以看到隨著頻率的變化，天線輻射的方向性圖也發(fā)生變化，并且隨著頻率的升高，副瓣電平開始增大，這是由于存在較高的諧振模式的原因。從仿真結(jié)果處理數(shù)據(jù)觀察天線的增益，可以發(fā)現(xiàn)在整個頻帶內(nèi)天線的增益比較高，其最高增益一般要高于10dBi，并且隨著頻率升高天線的最大增益也相應(yīng)的增大。

圖6 天線遠(yuǎn)場輻射方向性圖

4 結(jié)語

本文提出了一種用于UWB無線通信系統(tǒng)的新型微帶天線。這種新型天線采用微帶耦合饋電圓環(huán)開槽結(jié)構(gòu)。通過實驗仿真和加工測試，證實該天線具有較好的寬頻特性，具有廣泛的應(yīng)用價值。

［1］Sung-Bae Cho，Young-Jin Park，Kwan-Ho Kim.Ultra Wideband Planar Stepped-Fat Dipole Antenna For High Resolution Impulse Radar［J］.2003Asia-Pacific Microwave conference.

［2］A.S.Abdallah，Y.E.Mohammed，Y.A.Liu.Multi-Band Investigations of Rectangular Microstrip Patch Antenna With Different Number of Wide Slots［J］.2003Asia-Pacific Microwave conference.

［3］Tzyh-Ghuang Ma，Shyh-Kang Jeng.A Parameter Study of A Novel Ultra-Wideband Printed Dipole Antenna With Tapered Slot Feed［J］.2003Asia-Pacific Microwave conference.

［4］白同云，呂曉德.電磁兼容設(shè)計［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001：72-90.

［5］王文祥.微波工程技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005：126-132.

［6］姚予疆.通信設(shè)備接口協(xié)議手冊［M］.北京：人們郵電出版社，2005：75.

［7］顧繼慧，李鳴.射頻與微波電子學(xué)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：86.

［8］鄧紅雷，孔麗.一種新穎的5.8GHz微帶貼片整流天線［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自熱科學(xué)版），2007，35（5）：37-38.

［9］徐剛.用于寬帶高功率微波輻射的雙層貼片天線特性［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2009，21（12）.

［10］王爭艷，武林俊.超寬帶OFDM系統(tǒng)中比特與功率分配算法研究［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（7）.

［11］陳允鋒，劉靜，陳勇.一種小型化雙頻段收信天線的分析與設(shè)計［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（7）.

［12］馬小玲，丁丁.寬頻帶微帶天線及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2006：122-130.