共面波导馈电的宽带天线设计

张佳亮,雷振亚,谢拥军,2,杨 可,文 睿

(1.西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,西安 710071;2.北京航空航天大学电磁兼容实验室,北京 100083)

1 引 言

随着2002年2月14日美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带(UWB)技术用于短距离无线通信申请的批准,以及对3.1～10.6GHz频段频谱资源的开放[1],超宽带天线在无线通信系统中的应用越来越受到重视。

微带天线由于具有剖面低、重量轻、体积小、容易和微波电路集成等优点,在无线通信系统中得到了很多的应用,特别是共面波导馈电的印刷天线,相比有着带宽更宽、辐射效率更高、全向覆盖特性更好等优点,因此在科研和实践中备受青睐。

文献[2-5]研究了几种比较典型的UWB天线,其中文献[3]对比了分别采用微带线和共面波导馈电时天线的带宽,证明共面波导馈电更容易获得较宽的带宽。文献[6]提出的天线尺寸比较大,实际应用中受到限制。文献[7,8]提出的天线带宽都超过5.2∶1,其中文献[8]采用了和文献[4]类似的措施来展宽带宽,不同之处在于文献[4]是在微带地板上刻蚀矩形阶梯,而文献[8]是在微带辐射贴片上刻蚀。

本文首先讨论了共面波导天线的设计,设计了一种结构简单的共面波导馈电的UWB天线,在此基础上,采用在辐射贴片底端刻蚀矩形凹口的方法,对其带宽进行了展宽,并对结果进行了测试。

2 超宽带天线结构的设计

设计的共面波导天线主要由两块接地板、一个辐射贴片、一段共面波导馈线和介质基板组成。天线馈电段共面波导的设计依据式(1)～(4)[9]。

式中,w和g分别为共面波导馈线的导线宽度和间隙宽度,w1为天线的总宽度,h为基板厚度,εr为介质相对介电常数,εre为介质有效介电常数,Z0为共面波导馈线的特性阻抗;K(k)、K′(k)分别为第一类完全椭圆积分及其补函数,具体表达式如式(5)所示:

通过编程可以计算得到天线的尺寸和εre等。介质基板采用介电常数εr=4.4的聚四氟乙烯基板,大小为31mm×28mm×0.5mm,优化后天线的结构如图1所示。其中,辐射贴片为一个半椭圆,长短轴半径分别为 R2、R1,R1=12.0mm,R2=19.2mm。其余参数的值为:w=2.8mm,g=0.7mm,w1=28.0mm,d=11.0mm,h=0.5mm,l=31.0mm。

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

3 天线参数的研究

为了更好地了解天线的性能,需要对天线结构的参数进行研究,以明确设计此类天线的依据,利用HFSS软件对天线参数进行仿真。由于此天线的辐射主要是由辐射贴片的形状和尺寸决定的,在HFSS中建模,对半椭圆贴片的长短轴尺寸分别进行仿真。

图2为半椭圆辐射贴片长短轴半径对回波损耗的影响曲线。

图2 椭圆辐射贴片的影响Fig.2 Effects of the elliptical radiation patch

从图2(a)中可以看出,在一定的范围内,随着R2的增加,天线的阻抗带宽不断增大,主要原因是R2增大,即辐射贴片的高度增加,相当于增大了共面波导馈线与辐射贴片之间的阻抗匹配段,同时与地板的谐振也得到增强,因此天线的阻抗带宽得到了展宽。图2(b)中 R1对应贴片的宽度,可以看出其对带宽影响不大,主要影响频带内驻波的平坦特性,因此,可以通过调节 R1实现良好的匹配,从而获得频带内比较理想的阻抗特性。结合图2(a)、(b),当选择 R2=19.2mm,R1=12mm时,天线在2.9～10.8GHz频段内满足S11<-10dB。

天线的辐射方向图是天线的另一主要指标。图3给出了频率在4GHz、7GHz和11GHz 3种情况下天线的辐射方向图。

图3 天线辐射方向图Fig.3 Radiation pattern of the antenna

从图3中可以看出,此天线的E面方向图类似于单极子的E面方向图,且在3种情况下方向图变化不大,一致性保持较好;其H面方向图在几种不同的频率下基本保持不变,均为全向辐射。整体来说,在频段高端,虽然E面和H面方向图均发生了一些畸变,但是变化较小,不足以对其应用构成威胁,因此,此天线能够满足UWB频段通信的要求。

4 天线带宽的展宽

在超宽带天线研究的基础上,采用一定的方法,对其带宽的展宽进行进一步的研究。依据天线的参数研究,天线辐射贴片对其带宽的影响很大,因此考虑在辐射贴片的下端,靠近馈线的部分引入矩形切口,从而改善天线的阻抗特性。先后依次引入了三对矩形凹口,即矩形凹口1、2、3,分别研究了只引入一对、两对、三对矩形凹口时天线的阻抗特性。

图4为引入三对矩形凹口时的天线结构图,新增矩形尺寸为:d1=6.1mm,d2=8.1mm,d3=10.1mm,l1=6.9mm,l2=5.5mm,l3=4.0mm。

图4 引入三对矩形凹口的天线结构图Fig.4 Structure of the proposed antenna after introducing three pairs of rectangular notches

图5所示为分别引入一对、两对和三对矩形凹口时3种天线的回波损耗比较曲线。从图5中可以看出,随着矩形凹口的不断引入,回波损耗曲线变化逐渐平稳,带宽逐渐展宽,主要原因是这些矩形凹口的引入增强了该处辐射贴片的不连续性,因此能够存在多种谐振模式;同时,对于这些凹口尺寸和位置的优化,使得它起到作为馈线和辐射贴片之间阻抗匹配段的作用,改善了贴片的对地阻抗,最终仿真带宽可以覆盖3～31GHz,超过10∶1。

图5 3种天线回波损耗Fig.5 Input return losses of the three antennas

5 测试结果

图6所示为加入三对矩形凹口的天线的实物图,图7为天线回波损耗的测量结果和仿真结果的比较。从图7可以看出,在3～31GHz频段内,天线实测的回波损耗曲线基本处于-10dB以下,不过与仿真曲线有些偏移,一部分主要是由加工误差引起的,另外SMA接头以及焊锡的散射效应也会对回波损耗有所影响。但在设计的频段内整体来看,回波损耗满足实际应用的要求。

图6 天线实物图Fig.6 Photo of the realized antenna

图7 天线回波损耗实测与仿真结果Fig.7 Simulated and measured return loss characteristics

图8所示为天线的辐射方向图,由于是在贴片底端的边缘上开矩形小口,因此方向图畸变比较小,与没有引入矩形凹口时天线的方向图相近。

图8 天线辐射方向图Fig.8 Radiation pattern of the antenna

图9所示为天线在该频段内的增益特性曲线。

图9 天线增益特性Fig.9 Gain performance of the antenna

6 结 论

本文对小型印刷天线的宽带特性进行了研究,提出了一种结构简单、实用的超宽带印刷天线,可覆盖2.9～10.8GHz频段。在此基础上,通过采用在半椭圆辐射贴片底端边缘处刻蚀3组矩形小凹口的方法,使得天线能够产生多模式谐振,且改善了贴片的对地阻抗,从而展宽带宽,获得了覆盖3～31GHz、阻抗带宽超过10∶1的极宽带天线。该天线尺寸为31mm×28mm×0.5mm,辐射特性良好,测试结果与仿真结果吻合较好,表明文中展宽带宽方法的有效性。且与已有文献相比,结构简单,易加工,尺寸较小,阻抗带宽更宽,可用于多种移动通信系统。此外,对于矩形凹口进行进一步的优化,可以进一步改善方向图,将在后续工作中对其展开相关研究。

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