一种超宽带贴片天线的设计与研究

郭坚 苏寒松 段绿茵 王希

摘要：随着无线通信和雷达系统的不断完善发展，对天线性能提出了体积小、重量轻、制作简单和宽频带等特性要求，超宽带天线技术应运而生。通过介绍超宽带贴片天线的技术特性、研究现状及趋势，提出了一种特有的超宽带贴片天线设计方案。简要介绍了Ansoft HFSS仿真软件，且用其对回波损耗和远场辐射图进行仿真及优化设计，使得设计的天线的带宽大致在1.50～11.50GHz范围内，且在WLAN频段达到了良好的陷波特性，有效地抑制了超宽带通信与窄带通信之间的潜在干扰，实验结果表明该设计满足了超宽带的频带要求。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/164389.htm

关键词：超宽带；贴片天线；回波损耗；仿真；频带

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.010

引言

随着当前通信技术的不断演进，频谱效率、速率越来越高，带宽也不断增宽。无线通信网络综合一体化是一个趋势，各种无线技术都将在这一体化的网络中发挥自己的作用。从移动通信来看，3G乃至4G技术将成为主导，从而形成对全球的广泛无缝覆盖；而WLAN、WiMAX、UWB等宽带接入技术，将因其各自不同的技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，移动通信网络形成有效互补。本文对超带宽（UVB）贴片天线技术做了一个系统的阐述，并对贴片天线做了新的设计方案，通过HFSS 12.0进行了系统仿真的优化，并最终达到设计要求。

超宽带天线技术简介

超宽带天线（UWB）技术是一种新型无线通信技术。它有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低等优点。重量轻，体积小，制作简单且宽频带。从2002年美国FCC允许将超宽带技术应用于民用通信领域以来[1]，迅速发展为未来短距高速商用无线通信系统实现的有力竞争方案。

UWB天线覆盖非常宽的频率范围，多用于移动设备，所处位置不固定，摆放角度随机，因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脉冲编码，需要有较好的时域特性，也要求其具有非色散特性，即平坦的幅频响应和在带宽内的线性相位。因FCC建议的3.1～10.6GHz频段与WLAN有冲突，研究热点集中在具有带阻功能的UWB天线，很多人提出了采用了寄生耦合，对接地面处理、分形等技术的具有滤波器功能的新型设计。

优化方案

对各个物理参数进行优化改进设置。经过仿真分析，接地板宽度L4从10mm开始，随着宽度的增加，带宽越来越宽，当L4达到13mm时，则它不再满足超宽带的特性，因而我们认定当L4=12mm时能够获得最佳的阻抗带宽。改变横缝隙的位置，让它向着y轴正向移动，距x轴的距离设为H，在L1变动时，此时我们发现，当H=23mm时，阻抗带宽范围为2.25～11.5GHz，也由此得出H为23mm时是最适合的位置。研究表明竖条缝隙的位置对天线的回波阻抗的影响并不是很大，随着其长度的增大，阻抗带宽也会有相应的增加，所以选择其长度L9=15mm能够满足最佳的天线性能。我们又改变了L7长度的大小来观察天线的回波损耗得出了当L7=6mm时，天线能够表现出最佳的回波损耗性能。实验中又试着再改变L10的大小，当L10=2mm时，天线能够表现出最佳的回波损耗性能。并且还得出了随着L10的增加，天线的阻抗带宽也随着增加的结论。接下来改变宽度W的大小，观察总结出当W=1mm时，天线能够表现出最佳的回波损耗性能。且随着W的增加，天线的回波损耗越来越差，阻抗带宽也越来越小。最后讨论小半圆半径R对天线回波损耗的影响，得出当R=11mm时，天线能够表现出最佳的性能。且随着R的增加，天线的回波损耗变得越来越差。经过对天线设计参数的仿真与细致研究，我们得出最终的优化的结果，各项物理参数如表2所示。

依照上表中天线的尺寸，对最后设计的天线进行仿真，得到理想的天线的回波损耗图和在频率点分别为2.5GHz和7.5GHz的远场辐射图如图4。可以看出，通过Ansoft HFSS 12.0仿真软件的优化，我们得到了性能比较优越的天线回波损耗S11值和远场辐射图。得出设计的天线带宽范围大致在1.50～11.50GHz范围内，而且远场辐射图表现出的辐射范围也比较大，给出的匹配较好的频率点f=2.5GHz， f=7.5GHz的远场辐射图，可以清楚地看出超宽带贴片天线所表现出的辐射性能。所以，经过对设计天线一系列参数的仿真优化得到了符合要求的设计。

结束语

本设计中阻抗带宽大致在1.50～11.50GHz范围，对于稍低的频段，如2.5GHz或5.8GHz频段，可用于无线局域网（WLAN）通信。而2.4GHz，5GHz（5.15～5.25GHz，5.250～5.350GHz和5.470～5.725GHz）则可允许WiFi通信；2.3GHz，2.5～2.7GHz，3.5GHz（3.3～3.8GHz）可以进行W i m a x （全球微波互联接入）通信。1710～1885MHz，2500～2690MHz，则可用于3G通信。设计的超宽带贴片天线很好的解决了FCC与WLAN频段的重叠问题，也使天线在WLAN频段达到了良好的陷波特性。因受实验条件等因素制约，没能够做到实物产品和实际测量，只是经过了计算机仿真实验并得出了较好的结果，接下来就是要落实到硬件实现，真正做到设计的超宽带贴片天线具有较高性能和实用价值。

参考文献：

[1] Federal Communications Commission （FCC）.Revision of Part 14 of the Commission‘s Rules regarding Ultra Wideband Transmission Systems [R]. FCC 02-48， 2002

[2] 李明洋，刘敏，杨放. HFSS天线设计[M].北京：电子工业出版社，2011

[3] 贾登权.超宽带微带天线研究[D].成都：西南交通大学，2009

[4] 杨虹，陈川江.一种h型缝隙多频微带天线设计[J].压电与声光，2012，34，（6）：928-931

[5] Lee Chia Ping，Chandan Kumar Chakrabarty&Rozanah Amir Khan.Design of Ultra WideBand Slotted Microstrip Patch Antenna[J].IEEE International Conference on Communication，2009，（4）：41-45

[6] M.Ojaroudi， Ch.Ghobadi，J.Nourina， and N. Ojaroudi. Ultra-WideBand Small Square Monopole Antenna with Dual Band- Notched Functon.[J].IEEE Microwave and Optical Technology Letters，2011，54，（2）：372-374

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