小型化超宽带平面单极天线的设计与分析

谢泽会，任景英，郝双洋，赵红梅

(1.郑州轻工业学院电气信息工程学院，河南 郑州 450002;2.中国联通河南省分公司，河南 郑州 450045)

责任编辑:薛 京

自2002年2月FCC在02-48号报告及规则中批准了UWB(3.1～10.6 GHz)频段用于民用，从此对UWB天线的研究飞速发展。UWB贴片天线如微带天线、槽线天线等具有结构平面化、易于小型化、便于集成等优点，非常适用于便携通信。但槽线天线属于行波天线，其设计较为困难，与槽线相比，微带天线适于PCB电路集成。从现有的文献资料看，目前对UWB天线的研究主要朝着高性能、小型化、平面化及具有线性相位方向发展［1-2］。

平面单极天线除具有微带天线的大多数优点外，同时还克服了其大部分缺点，如平面单极天线的带宽较宽、性能受介质基片材料的影响较小等，把平面单极天线应用于UWB通信中是最近几年的研究热点。目前市场上已有不少天线产品，但大多数产品还是传统的UWB天线，如喇叭天线、双锥天线、螺旋天线等。针对3.1～10.6 GHz的小型化UWB天线产品还比较少，国外生产的小尺寸天线主要通过采用具有高介电常数的陶瓷介质，尺寸能达到10 mm×10 mm×1 mm。国内目前针对UWB天线的研制都还是实验室产品，文献［3］采用单极天线模型，但把地板和辐射体共面设计成平面结构，该天线具有超过3.7∶1的工作带宽及良好的方向图特性，由于采用矩形辐射片，天线体积较大，尺寸为42 mm×39 mm。文献［4］采用圆盘单极天线的模型，在1～20 GHz的频率范围内反射损耗的测量与仿真结果都大致能保证在-10 dB以下。但天线采用的是立体结构，天线尺寸为16.4 mm×23 mm，不便于集成。文献［5］中辐射体采用半圆单极子和一个等腰三角形的组合，且在半圆上开孔，使天线的阻抗特性得以改善。但天线仅在1.2～3.5 GHz频率范围内VSWR＜2(S11＜-10 dB)，具有超宽带的工作特性。综上国内研究的天线仍然体积较大或带宽较窄，与国外还有一定的差距，因此超宽带天线的小型化具有重要的研究价值。

本文在平面圆盘单极天线的模型基础上，提出在圆盘辐射体上开圆形槽，同时采用L形接地板结构设计平面单极超宽带天线。通过Ansoft HFSS11仿真表明，天线在3～15 GHz内S11＜-10 dB，满足超宽带的要求;重要的天线尺寸仅为20 mm×20 mm×1.6 mm，实现了小型化，天线采用微带馈电，结构简单、便于集成。

1 天线设计

1.1 单极天线的理论基础

椭圆盘状单极天线是超宽带片状天线的基础，通过调节椭圆的长轴及短轴尺寸可调节天线的下限谐振频率。

圆盘状单极子天线与平面圆形天线有相似的结构，并且能提供多种谐振模式，其中波长满足2R=nλn/4=λ1/4(n为谐振模的阶数，λ1为基模波长)的高阶模，由于空间间隔近所造成的重叠实现了UWB特性。这些单极子天线所实现带宽的最低边界频率近似由式(1)决定，即

理论上可以采用近似等效的思想，认为平面圆形的面积πR2等于由高度为l、半径为a的经圆柱r决定的面积［6］。而产生实际输入阻抗的单极子长度为

式中，c为光速。如果再考虑介质材料的影响，对于最低谐振频率更合适

1.2 天线模型建立

由于平面单极子天线受介质的影响比较小，而表面开槽即曲流技术能引导贴片中的电流改变方向，从而增大电流路径的有效路径。为了实现天线的小型化［9］，本设计取3.2～10.7 GHz中间的点作为最低谐振频率，然后通过表面开槽及调整介质厚度的方法来展宽带宽。

理论上圆盘辐射体半径R=5 mm时，最低谐振频率fL=6.4 GHz，但由于介质材料等效的k因子的影响，最低谐振频率下降为4.3 GHz。

根据微带天线的设计理论，结合工程实际选取介质:相对介电常数为3.02、大小为20 mm×20 mm×1.6 mm的罗杰斯R3003基板，介质基板双面覆铜，介质敷铜板替代金属面板作为辐射单元的材料，相当于在辐射面与馈源之间引入了一个等效电抗，这在一定程度上改善了天线的阻抗匹配性能，天线的辐射体制成圆盘形状，同时为了减小尺寸，在圆盘上开圆形槽，两个圆心之间的距离为d。

天线的结构如图1所示。接地板采用缺陷结构，制作成反L形，目的是可以改变微带天线的辐射及阻抗特性［10］。

2 相关参数分析

2.1 接地板开L形槽对天线阻抗带宽的影响

改变接地板的形状可以更好地实现与辐射体的阻抗匹配，从而展宽天线的阻抗带宽。

图1 天线结构俯视图

取圆盘辐射体半径R=5 mm，完整正方形接地铜板的大小为20 mm×20 mm，在接地板上挖去合适大小的正方形变成反L形接地板，设挖去的小正方形的边长为L。

L形接地板面积的变化对天线性能的影响如图2所示。从图2中可以看出，L=0，即地板不开槽时严重失谐，随着L的增大天线趋于谐振，当L=10 mm时，天线已经谐振，但阻抗带宽极窄，不能满足超宽带要求。随着槽宽的增加，谐振频率点增多，带宽增加，当L=17 mm时天线达到了较好的阻抗匹配，谐振频率点分别为4.3 GHz，7.8 GHz及13 GHz，且在3 ～15 GHz内均有S11＜ -10 dB。继续增大L的宽度会发现天线低频端点及高频端点均会上移或下移，导致频带变窄，综合考虑取L=17 mm。

图2 L形接地板面积变化对天线性能影响

2.2 内圆半径r对天线阻抗带宽的影响

辐射贴片半径R的变化不仅会影响最低截止频率，而且会影响阻抗带宽内的回波损耗。当R=5 mm时，对应的阻抗带宽为3～15 GHz。进一步增大或减小R发现，高频端的谐振频率点开始上移，但阻抗带宽变化范围不明显，低频段谐振特性变差，从天线小型化趋势及谐振特性方面考虑，取R=5 mm。

为了研究辐射体开槽是否能展宽带宽，对圆盘辐射体开圆形槽并逐渐增大内槽的半径r，两个圆心间距保持1 mm不变。图3是r改变时天线的S11特性曲线。可以看出随着r的变化，天线谐振特性波动不大，但r过大或过小均会出现带阻现象，因此r不能过大，取r=2.2 mm。

图3 内圆槽r变化时的S11曲线

图4 天线方向图特性

综上，当L=17 mm，R=5 mm，r=2.2 mm 时，该天线能实现较好的带宽和小于-10 dB的回波损耗，且此时天线的体积只有20 mm×20 mm×1.6 mm，小于同类其他天线的体积，符合小型化及微型化的需求。

2.3 天线的辐射特性分析

天线的辐射特性是衡量超宽带天线性能好坏的重要参考方向。从图4可以看出，该天线在整个频段具有全向性，尤其在4.3 GHz时，H面增益不圆度小于 ±0.5%，且每个谐振频率点增益平坦性较好，只是高频时部分方向增益有所下降。

3 结论

在具有较低介电数基板上同时采用缺陷接地板及辐射单元结构，设计出一款小型化超宽带。该天线谐振匹配性能良好，阻抗匹配带宽为5∶1，结构简单，有良好的应用前景。

［1］钟顺时.天线理论与技术［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［2］阮成礼.超宽带天线理论与技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2006.

［3］程勇，吕文俊，程崇虎.一种小型平面超宽带天线的设计与研究［J］.电波科学学报，2006，21(4):582-586.

［4］钟玲玲，邱景辉，孙博.超宽带圆片天线的分析与设计［J］.宇航学报，2008，29(4):1387-1392.

［5］瞿荣，张弘，何培宇.一种新型超宽带平面单极子天线的设计［J］.四川大学学报:自然科学版，2008，45(3):553-557.

［6］AGRAWALL N P，KUMAR G，RAY K P.Wide-band planar monopole antennas［J］.IEEE Trans.Antennas and Propagation，1998，46(2):294-295.

［7］BALANIS C A.Antenna theroy:analysis and design［M］.New York:Harper and Row，1982.

［8］RAY K P.Design aspects of printed monopole antennas for ultra-wide band applications［J］.Intemational Journal of Antennas and ProPagation，2008:1-8.

［9］陈瑾，傅光.开槽结构椭圆超宽带平面天线设计与研究［J］.微波学报，2010，26(2):11-14.

［10］张洪波，龚书喜.双H形槽减缩微带天线RCS［J］.空间电子技术，2006，3(1):37-39.