一种改进的小型化超宽带平面倒锥缝隙天线

张 倩,刘运林,李智勇,王汇龙

（西南交通大学电磁场与微波研究所,成都 610031）

一种改进的小型化超宽带平面倒锥缝隙天线

张 倩,刘运林,李智勇,王汇龙

（西南交通大学电磁场与微波研究所,成都 610031）

提出了一种改进的超宽带平面倒锥缝隙贴片天线,通过调整倒锥缝隙和倒锥贴片的形状,在更小尺寸条件下,实现了超宽带性能。天线总体尺寸为40 mm×40mm×1.5 mm。采用仿真软件分析了该天线的阻抗带宽、辐射方向图及增益特性。结果显示,该天线的回波损耗小于-10 dB的带宽为2.2GHz到大于16GHz,在低频段具有全向性,在3～14 GHz频段增益随频率的变化在4～7 dB之间。

超宽带天线;平面倒锥型天线;缝隙天线;小型化

1 引 言

随着宽带无线通信系统的发展,超宽带系统也得到了快速的发展。自2002年联邦通信委员会将3.1～10.6 GHz分配给超宽带商业服务后,超宽带天线也因此得到了更广泛的关注。平面倒锥型天线（PICA）是Suh等人提出的一种超宽带平面天线[1-2],它具有超宽带、全向辐射的特性。PICA天线安装在一个大底板上,是一种基本单极子天线,而辐射单元进行了仔细的裁剪,形成了更高的谐振模式,因此得到了很宽的带宽。然而PICA天线尺寸较大,需要进一步减小。文献[3]中的PICA天线变形形式说明去掉底板可以使天线能更好地与电子设备集成。文献[4,5]中提出的天线都是具有较小尺寸的改进的PICA天线,但没有达到超宽带的性能。文献[6]中,S.Cheng和A.Rydberg提出了一种基于PICA概念的印制缝隙天线,该天线实现了超宽带的特性,天线集成于一个两层PCB板,最大尺寸为60 mm,相当于0.44 λ（λ为带宽最低频率对应的工作波长）,但是这个尺寸相对现在的移动设备仍较大。

为了进一步减小天线尺寸,本文提出了一种改进的小型超宽带平面倒锥缝隙天线,采用仿真软件仿真分析了该天线的阻抗带宽、辐射方向图及增益特性,并分析了天线结构中的一些参数对天线阻抗带宽性能的影响。

2 天线结构

本文所提出的超宽带平面倒锥缝隙天线的结构如图1所示。建立笛卡尔坐标系统于天线的上表面,即上表面位于x-y平面。天线主要由两部分组成:具有扇形缝隙的金属底板和与微带线相接的扇形金属结构。带有扇形缝隙的底板和上层贴片结构分别印制在高度为1.5 mm的RO3003基板两面,基板相对介电常数为3,介质损耗角正切为0.001 3。扇形缝隙是由半个椭圆形和一个等腰三角形组成的。天线上层金属结构同样采用了半个椭圆与一个等腰三角形的组合,只是尺寸更小。底板椭圆底部与上层椭圆底部的水平距离为g。天线馈电采用了50 Ψ的微带馈线。通过调整扇形缝隙的尺寸、上层金属结构的尺寸,以及馈线的尺寸,我们得到了一种具有超宽带的阻抗带宽、低频段全向辐射的改进的小型超宽带平面倒锥缝隙天线。

图1 天线结构图Fig.1 Structure of the antenna

3 仿真结果与分析

天线印制在高度为1.5 mm的 RO3003基板上,其总体尺寸为40 mm×40 mm×1.5 mm,相较于采用半圆和等腰三角形组合的类似天线[6],尺寸缩小了1/3,天线最大尺寸为40 mm,相当于0.3λ。优化后的各参数值为:L=40 mm,W=40 mm,h=1.5 mm,L1=6 mm,L2=8 mm,W1=16 mm,Ls=3 mm,L3=9.7 mm,L4=25.1 mm,W2=35.9 mm,g=1 mm,Wf=3.7 mm。

3.1 阻抗匹配

图2是该天线随频率变化的回波损耗曲线。由图可知,天线满足回波损耗小于-10 dB的带宽为2.2 GHz到大于16 GHz,达到了超宽带的要求。天线在带宽范围内具有若干个谐振点,这些谐振点是由天线上层贴片、底板缝隙以及它们之间的耦合产生的。

图2 平面倒锥缝隙天线的回波损耗曲线图Fig.2 VSWR curve of the antenna

3.2 辐射方向图与增益

在天线带宽范围内,选取了4个频率点对天线的辐射方向图性能进行分析。图3～6是天线分别在3 GHz、5 GHz、7 GHz和10 GHz的辐射方向图 ,图中“o”标记为共面极化曲线,“x”标记为交叉极化曲线。从图中可知,低频时天线在H面具有全向性,但随着频率的提高,出现双向性,在更高的频率时出现了旁瓣,交叉极化也逐渐增大。天线的E面方向图呈现双向性,有较高的交叉极化,主要是由于天线沿y轴的电流分布具有不对称性。

图7是在3～14 GHz带宽范围内取点得到的增益曲线图,由图可知该天线增益变化比较平坦,在3～14 GHz内,增益变化在 4～7 dB之间,适用于超宽带系统应用。

图3 3GHz时的辐射方向图Fig.3 Radiation patterns at 3 GHz

图4 5 GHz时的辐射方向图Fig.4 Radiation patterns at 5 GHz

图5 7GHz时的辐射方向图Fig.5 Radiation patterns at 7GHz

图6 10GHz时的辐射方向图Fig.6 Radiation patterns at 10GHz

3.3 参数分析

此外,本文还从阻抗带宽的角度分析了天线结构各个参数对天线性能的影响。图8～11分别给出了天线参数W1、W2、L2和L4对天线阻抗带宽性能的影响。

图8 参数W1对天线阻抗带宽性能的影响Fig.8 Effect of W1 of the proposed antenna on the impedance matching

图9 参数W2对天线阻抗带宽性能的影响Fig.9 Effect of W2 of the proposed antenna on the impedance matching

图10 参数L2对天线阻抗带宽性能的影响Fig.10 Effect of L2 of the proposed antenna on the impedance matching

图11 参数L4对天线阻抗带宽性能的影响Fig.11 Effect of L4 of the proposed antenna on the impedance matching

从图中可知,参数W1主要影响阻抗带宽的中高频段,随着W1的减小,中频段回波损耗逐渐减小,而高频段回波损耗逐渐增大。参数W2主要影响阻抗带宽的中低频段,和各谐振频率点的位置。参数L2主要影响阻抗带宽的低频段,随着L2的增大,低频段回波损耗也逐渐增大。参数L4主要影响带宽的中高频段。其它参数也对天线的阻抗带宽性能有较小的影响,通过优化它们可以使天线的阻抗带宽匹配得更好。

4 结 论

本文提出了一种适用于超宽带应用、微带馈电的改进的小型化超宽带平面倒锥缝隙天线。该天线以PICA天线为基础概念,结合缝隙天线,主要包括分别印制在介质基板两面的两部分:具有扇形缝隙的金属底板和与微带馈线相接的扇形金属结构。本文通过调整天线结构中两个扇形的形状,实现了天线的小型化。天线总体尺寸为40 mm×40 mm×1.5 mm,最大尺寸40 mm相当于0.3λ。回波损耗低于-10 dB的工作频率为2.2 GHz到大于16GHz,在低频段内具有全向辐射性能,并在3～14 GHz内保持了4～7 dB的增益性能。该天线结构简单,便于制作和集成于移动通信设备中。天线的尺寸仍可通过改变基板材质进一步小型化,将在后续工作中进行相关方面的研究。

[1] Suh S Y.A comprehensive investigation of new p lanar wideband antennas[D].Blacksburg,VA,USA:Virginia Polytech nical Institute State University,2002.

[2] Suh S Y,Stutzman W L,Davis W A.A new ultrawideband printed monopole antenna:The planar inverted cone antenna（PICA）[J].IEEE Transactions on Antennas Propagation,2004,52（5）:1361-1365.

[3] Tan W,Shen Z.A planar multi-band antenna for portable devices[C]//Proceedingsof IEEE International Symposium on Antennas Propagation.Albuquerque,N M:IEEE,2006:2641-2644.

[4] Heydari1 B,Afzali A,Goodarzi H R.A New Ultra-Wideband Omnidirectional Antenna[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2009,51（4）:124-130.

[5] Cheng S,Wu Z,Hallbjörner P.Foldable and Stretchable Liquid Metal Planar Inverted Cone Antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2009,57（12）:3765-3771.

[6] Cheng S,Rydberg A.Printed Slot Planar Inverted Cone Antenna for Ultrawideband Applications[J].IEEEAntennas and W ireless Propagation Letters,2008（7）:18-21.

A Modified M iniature Ultrawideband（UWB）Printed PICA-like Slot Antenna

ZHANG Qian,LIU Yun-lin,LI Zhi-yong,WANG Hui-long
（Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

A modified ultrawideband（UWB）printed PICA（Planar Inverted Cone Antenna）-like slot antenna is presented.Through adjusting the shape of the solt and the patch,the proposed antenna performances an ultrawideband characteristic with the overall size of 40 mm×40 mm×1.5 mm.The impedance bandwidth,radiation patterns and gain are simulated.The results show that the proposed antenna achieves good impedance matching over an operating bandw idth of 2.2 GHz to more than16 GHz.Good omnidirectional pattern isobtained at lower frequencies,and consistent gain（4～7 dB）is over 3～14 GHz.

u ltrawideband（UWB）antenna;planar inverted cone antenna（PICA）;slot antenna;m iniature

The Science and Technology Innovation Fund of Ministry of Education

TN823

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.018

1001-893X（2010）11-0085-05

2010-07-02;

2010-09-21

教育部科技创新基金项目

张 倩（1987-）,女,山西高平人,2009年于西南交通大学电子信息科学与技术专业获学士学位,现为西南交通大学电磁场与微波研究所硕士研究生,主要研究方向为天线理论与设计;

ZHANG Qianwasborn inGaoping,Shanxi Province,in 1987.She

the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.She is now a graduate student in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.Her research direction is antenna theory and design.

Email:xqsnow@126.com

刘运林（1965-）,男,四川人,1997年于西南交通大学电磁所获博士学位,现为西南交通大学教授、博导,主要研究方向为天线理论与设计;

LIU Yun-lin was born in Sichuan Province,in 1965.He received the Ph.D.degree from Southwest Jiaotong University in 1997.He is now a professor and Ph.D.supervisor in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.His research direction is antenna theory and design.

李智勇（1986-）,男,内蒙古商都人,2009年于西南交通大学电子信息科学与技术专业获学士学位,现为西南交通大学电磁场与微波研究所硕士研究生,主要研究方向为天线理论与设计;

LI Zhi-yong was born in Shangdu,Neimenggu Autonomous Region,in1986.He received the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.He is now a graduate student in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.His research direction is antenna theory and design.

王汇龙（1986-）,男,云南人,2009年于西南交通大学电子信息科学与技术专业获学士学位,现为西南交通大学电磁场与微波研究所硕士研究生,主要研究方向为天线理论与设计。

WANG Hui-long wasborn in Yunnan Province,in 1986.He received the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.He is now a graduate student in Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University.H is research direction is antenna theory and design.