新型超宽带单极子天线的设计

徐海洋,张 厚,梁建刚,王洪光

(空军工程大学 导弹学院,陕西 三原 713800)

1 引 言

超宽带(Ultra-Wideband,UWB)[1-5]技术作为一种无线通信技术,具有小范围的超强无线设备连接能力,而且拥有低功耗、高性能和低成本无线数据通信能力,在精确定位系统、探地雷达以及短距通信等方面已有广泛的应用。随着微波集成电路(MIC)技术和超大规模集成电路(VLSIC)技术的快速发展,以及各种新材料和新工艺的应用,通信电子设备的体积日益小型化,其处理信息的能力也日益朝着智能化和宽带化发展。天线作为发射和接收电磁波的设备,是无线通信系统中不可或缺的组成部分。相应地,系统对天线提出的要求也越来越高,不仅要求天线适应小型化发展,而且还要满足电性能指标,尤其是带宽和效率。因此,天线的宽带和小型化设计与应用是大势所趋。UWB天线的设计与研究作为超宽带通信的关键技术之一,是近年来天线与传播领域的一大热点。为适应小型集成化的需求,超宽带平面天线的研究与应用引人瞩目。一般来说,天线的尺寸越小,天线的效率和带宽性能就会呈反向变化的关系,因此需要在尺寸与效率和带宽之间找到平衡。超宽带印刷单极子天线具有重量轻、体积小、低剖面、方向图全向、易于共形和集成等优点,在短距离无线通信系统中获得了广泛的应用。文献[6]给出了一种超宽带单极子天线,天线的带宽范围为接地板分别印制在介质板的两侧,实现了天线的宽带化,天线带宽范围为2.48～14.86GHz。文献[7]设计了一款作为参考天线的单极子天线,将天线的接地板边缘作了圆滑处理,带宽范围覆盖了FCC所规定的3.1～10.6GHz的带宽。

本文设计的单极子天线,在天线的接地板上开矩形槽,并在单极子贴片的顶端开扇形槽,大大展宽了天线的带宽,天线的-10dB仿真带宽范围为2.0～26GHz,实测结果为2.1～25.5GHz。天线在整个工作频段范围内辐射特性稳定,方向图对称。

2 天线结构与性能分析

天线印制在介电常数为4.6、厚度为0.8mm的介质板上,贴片和接地板分别印制在介质板的两边。为改善天线的匹配并展开带宽,分别在接地板上开方形槽和在圆形贴片顶端开扇形槽。方形槽和扇形槽的尺寸均是通过优化计算得出:

首先在不开方形槽的情况下,优化方形槽的尺寸,然后在固定优化好的方形槽尺寸的情况下优化扇形槽尺寸,分别对扇形槽半径和槽宽两个参数进行优化。

为防止波束倾斜,接地板两边进行了切角圆滑处理。天线的结构如图1所示。

图1 天线结构图Fig.1 Geometry of the antenna

超宽带印刷单极子天线是由圆柱阵子天线演变而来,因此可以将之与圆柱阵子做某种方式的等效,从而分析其性能。从理论上可将半径为r的单极子印刷贴片结构近似等效成高为L、半径为R的圆柱阵子。超宽带印刷单极子天线的下限频率的确定方法可借用平面单极子天线的相关公式。文献[8,9]分别对平面单极子天线作了不同的表述。文献[8]确定下限频率(单位为GHz)的表达式为式中,L为圆形贴片的长度即2R;W1、W2分别为等效上边缘和下边缘宽度,这里分别等效为上、下半圆的水平投影长度,即直径2R。

该公式得到的估算误差在±9%以内,L、W1、W2单位均为m,该公式得到的图1下限频率估算值为1.94GHz。

文献[9]确定下限频率(单位为GHz)的表达式为

式中,R的单位为mm,利用该公式得到的天线下限频率的估算值为2GHz,这与式(1)估算的1.94GHz结果非常接近。

为展宽天线带宽,改善阻抗匹配,在天线的接地板上开方形槽,在贴片上开扇形槽,方形槽和扇形槽的尺寸通过Ansoft HFSS仿真软件优化选取。为显示开槽的必要性和优越性,图2给出了不加槽、加方形槽和同时加方形、扇形槽的反射损耗曲线。其中不加槽的原天线仅给出了1～15GHz频段,另外两种情况给出了1～31GHz频段。图中显示,在2～11.4GHz范围内,不加槽时S11在个别频点附近还在-10dB以上,同时加矩形和扇形槽时比仅加方形槽的反射损耗总体上有所减小,但减小不明显。在1～30GHz范围内,由图可以看出,同时加矩形和扇形槽时的-10dB阻抗带宽范围为2～26GHz,而仅加方形槽的带宽范围为2.1～19.8GHz,带宽在高频段展宽了6GHz以上。

图2 不同加槽情况的 S11对比Fig.2 Comparison of S11in different cases

3 天线的仿真与测试结果

图3是天线S11仿真与测试结果的对比,由图可知,天线的-10dB仿真阻抗带宽为2～26GHz,而测试的带宽范围为2.1～25.5GHz,天线的下限频率与文献[8,9]的预估值均吻合较好。图中显示,仿真与测试结果总体吻合较好,但存在一些差异,其中高频段差异比低频段差异明显。分析原因主要是加工误差和焊接工艺造成的,而且测试的实验室环境也对测试结果产生了一定的影响。

图4是天线在不同频点的方向图,其中图4(a)、(b)、(c)、(d)为天线的仿真与实测结果对比图,图4(e)、(f)分别为天线在25GHz的E面和H面仿真结果。由图可知 ,天线在2.5GHz、8GHz、25GHz频点上,E面和H面的方向图对称性良好。仿真结果显示方向图在25GHz恶化,其中E面的锯齿化现象明显;H 面在 θ=15°、165°、195°、345°附近凹陷 ,而且25GHz时的E面和H面交叉极化现象均较为明显。

图3 天线S11仿真与测试结果对比Fig.3 Comparison of simulated and measured results in S11

图4 天线的方向图Fig.4 Radiation patterns of the antenna

4 结 论

超宽带印刷单极子天线作为超宽带家族中非常重要的一员而应用广泛。本文设计的超宽带天线,通过在接地板上开方形槽和在贴片上开扇形槽,天线的-10dB阻抗带宽由不开槽时的2～11.4GHz(且该频段内有个别点附近的反射损耗略大于-10dB)展宽为2.1～25.5GHz,大大展宽了天线的带宽。仿真和测试结果显示,天线的方向图在整个频段内对称性良好。此外,方向图在高频段25GHz恶化,且交叉极化明显。该天线具有频带宽、低剖面、辐射全向且对称的优良特性,适用于卫星通信和移动通信等通信系统。

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