諶詩丹，楊晉生*，胡少文

(1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300032;2.南昌大學(xué)電子信息工程系，南昌330031)

一種改進的U型超寬帶單極子天線研究*

諶詩丹1，楊晉生1*，胡少文2

(1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300032;2.南昌大學(xué)電子信息工程系，南昌330031)

設(shè)計了一種小型的單極子寬帶微帶天線。該天線通過對U型狀金屬輻射體加入中心臂，在部分地面結(jié)構(gòu)中開階梯型凹槽，達到擴展天線帶寬的目的。仿真及實測結(jié)果對比分析表明:該天線的頻帶寬度和相對帶寬分別可達3 GHz～13 GHz (S11≤-10 dB)和125%，在XZ面輻射圖具有良好的全向性，在YZ平面具有很好的穩(wěn)定性。基本滿足了超寬帶通信對天線的要求，而且結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易于集成。

超寬帶;微帶天線;小型化;U型;漸變結(jié)構(gòu)

超寬帶(UWB)技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了短距離內(nèi)超帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸。微帶天線，作為一種以微帶貼片為輻射單元的貼片天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、易于集成等優(yōu)點［1］，廣泛用于UWB設(shè)備中，其設(shè)計與應(yīng)用的成為了國內(nèi)外科研工作者的重點研究方向。

大量的不同形狀超寬帶平面微帶單集子天線出現(xiàn)在相關(guān)文獻中，如矩形、倒F型、圓形、多邊形［2-4］等。為達到增加微帶天線阻抗帶寬，縮小天線體積的目的，目前通用的幾種解決方法包括:附加寄生貼片［5］，對貼片和地面開槽處理［6-9］，采用分形結(jié)構(gòu)［10-11］。但寄生貼片的中心不對稱影響整個頻帶內(nèi)天線方向圖的穩(wěn)定性，開槽有可能會改變天線的諧振頻率，分形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此在設(shè)計時必須綜合考慮，優(yōu)先考慮帶寬因素，在滿足系統(tǒng)需求的前提下，將其余影響降到最低。

本文研究的天線是基于文獻［12］改進和構(gòu)造的。該文獻設(shè)計了一種U型的微帶貼片，如圖1所示。采用部分地面結(jié)構(gòu)，并且通過在地面挖半圓形凹槽達到更好的阻抗匹配效果。本文保留其原始U型貼片和部分地面結(jié)構(gòu)，通過對輻射貼片附加中心臂，以及對地面的半圓型凹槽做階梯型漸變處理，達到展寬阻抗帶寬的效果。

圖1 初始天線結(jié)構(gòu)

文中第2部分詳細介紹了天線的構(gòu)造。第3部分討論了參數(shù)對回波損耗的影響。第4部分是基于HFSS和實際測量，天線阻抗帶寬，增益，輻射模式結(jié)果。最后第5部分是基于整個研究的結(jié)論。

圖2 改進后天線結(jié)構(gòu)

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

該天線應(yīng)用相對介電常數(shù)為4.4，tanσ=0.02的FR-4介質(zhì)，其厚度h=1.5 mm，尺寸為Wsub=16 mm，Lsub=18 mm。地面長度為Lg=7 mm。該天線由叉型輻射貼片、包含階梯型凹槽的地金屬片組成，其中輻射貼片和地的結(jié)構(gòu)對實現(xiàn)天線的超寬頻帶性能非常重要。采用阻抗為50 Ω的微帶線進行饋電，金屬帶寬度為Wf=2 mm，輻射貼片與接地板之間的間隔1.5 mm。其實影響天線輻射性能的因素有很多，主要是由輻射貼片的尺寸和幾何形狀、地的結(jié)構(gòu)尺寸決定。然后在HFSS中建立模型，對天線幾何尺寸進行優(yōu)化。

表1 天線尺寸 單位:mm

2 天線的分析與仿真

首先對通過在U型輻射單元的中間加載中心臂天線進行優(yōu)化仿真，發(fā)現(xiàn)輻射單元結(jié)構(gòu)和尺寸的改變可以起到加寬帶寬的作用。如圖3所示是在U型輻射單元中間加載中心臂對天線帶寬的影響。在無中心臂的情況下，阻抗帶寬(回波損耗S11≤-10 dB)3.2 GHz～12.1 GHz，相對帶寬116%。而附加中心臂后，阻抗帶寬(回波損耗S11≤-10 dB)為3.0 GHz～13.0 GHz，相對帶寬為125%。

圖3 中心臂對S11的影響

對地面半圓形凹槽做階梯型漸進處理的天線進行優(yōu)化仿真。如圖4所示不同形狀凹槽對天線帶寬的影響。發(fā)現(xiàn)通過改變地的結(jié)構(gòu)，可以達到增加阻抗帶寬的目的。并且在8 GHz～11 GHz頻率范圍內(nèi)，天線回波損耗在-15 dB以下，優(yōu)化了天線的性能。

圖4 對半圓形凹槽做階梯型漸進處理對S11的影響

圖5所示為在接地面開不同長寬比例的階梯型凹槽對天線阻抗帶寬的影響。

圖5 凹槽對S11的影響

從圖5可看出，不同長寬比的凹槽，會在不同的頻率上諧振，這樣相鄰諧振頻率點相互連接，能夠較好地實現(xiàn)拓寬天線的阻抗帶寬。由于凹槽可以改變其接地面上的電流流向，從而實現(xiàn)了增加阻抗帶寬的功能。

該天線在實現(xiàn)超寬頻帶阻特性的同時，具有對稱的方向圖和良好的增益。圖6(a)、6(b)所示為天線在3.0 GHz、6.0 GHz和9.0 GHz下的仿真輻射方向圖。仿真增益如圖9(c)所示，在3.0 GHz～13.0 GHz全頻帶內(nèi)，最高增益達到11.4 dB，天線的增益處于一個比較平坦趨勢，天線在高頻段的增益較高是因為天線匹配較好。因此可知此天線能達到很好的性能，滿足UWB通信的需求。

圖6 仿真的天線輻射方向圖

3 天線實制與實測結(jié)果

為了證實所設(shè)計的天線的實用性和有效性，首先通過天線仿真軟件HFSS對所設(shè)計的天線進行了綜合優(yōu)化，優(yōu)化后得到的尺寸如表1所示。最后根據(jù)優(yōu)化后得到的尺寸，對該天線進行實際加工制作和測試，并利用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及功率計對天線實物進行測試。天線的實物圖如圖7所示，仿真的回波損耗與實測結(jié)果對比如圖8所示，實測天線的增益、輻射方向圖如圖9所示。

圖7 天線的實物圖

圖8 仿真和實測回波損耗圖圖

從圖9可以看出，在3.0 Hz～13.0 Hz頻段內(nèi)，天線實測的回波損耗曲線基本處于-10 dB以下。實測值與仿真曲線稍有些偏差，主要是由加工誤差所引起，此外SMA接頭以及焊錫的散射效應(yīng)也會對天線的回波損耗產(chǎn)生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。

從圖9(a)、9(b)可以看出，天線的實測輻射方向圖在高頻率點稍微有些偏差，從圖9(c)可以看出實測的增益與仿真的增益基本上吻合，實測值與仿真曲線有些偏差，主要是因為加工誤差和測量誤差所引起的。

圖9 實測天線的輻射方向圖和增益圖

4 結(jié)論

提出了一種改進U型單極子超寬帶微帶天線的方法，通過在U型貼片加中心臂，在地面開階梯型凹槽漸變結(jié)構(gòu)，可以達到展寬頻帶的目的。由于加載了中心臂增大了輻射貼片的尺寸，減少了電流的突變，起到改變天線面上電流分布的作用，改善了天線的阻抗特性，并且減少了電阻和電抗的波動幅度，使之形成好的匹配。此天線具有良好的方向性能和增益性能。通過對天線參數(shù)的優(yōu)化，該微帶饋電的天線可以工作在3.0 GHz～13.0 GHz。該天線結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制作和集成。

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諶詩丹(1989- )，女，漢族，湖北黃岡人，天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為射頻微波技術(shù)與天線設(shè)計，ssd0917@tju.edu.cn;

楊晉生(1965- )，男，漢族，河北人，天津大學(xué)，副教授，研究方向為無線通信理論與技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用，jsyang @tju.edu.cn。

Research of a Modified U-shaped UWB Monopole Antenna*

CHEN Shidan1，YANG Jinsheng1*，HU Shaowen2

(1.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300032，China; (2.Department of Electronic Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

A compact monopole microstrip ultra-wideband antenna is proposed.The bandwidth of the antenna is increased by adding a central block to the basic U-shaped structure and etching step-form slot on the partial ground plane.Both the simulation and experimental results show that the bandwidth and relative bandwidth of the antenna can reach 3 GHz～13 GHz(S11≤-10 dB)and 125%respectively.It has good omni-directional radiation pattern in the XZ plane and exhibits stability radiation pattern in the YZ plane.The proposed antenna satisfies the requirements of the UWB system，simple and compact in size，and ease of integration.

UWB;microstrip antenna;compact size;U-shaped;tapered structure

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.012

TN92

A

1005－9490(2014)02－0225－04

項目來源:天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金項目(1307)

2013-06-10修改日期:2013-07-31

EEACC:5270