渐变传输线及电磁缝隙结构的超宽带天线设计

张功国，田海燕

(重庆邮电大学重庆信科设计有限公司，重庆400065)

0 引言

随着无线通信系统的快速发展，天线作为系统接收与发射信号的重要器件，天线小型化和宽带化的设计已经成为研究的热点［1－3］。2002 年 FCC(federal communications commission)把3.1～10.6 GHz作为 UWB(ultra－wide band)通信频段提出以来［4］，研究人员提出并设计了各式各样的UWB天线［5－12］，这些天线大多数都采用渐变式的辐射片设计，由于该方法设计的天线具有价格低、体积小、易集成等优点，故有广阔的应用场景，尤其在无线通信中能够得到广泛的应用。

较早期的UWB天线采用开环谐振器［13］以及匹配枝节电路［14］等方式提升天线带宽。但此种设计不仅增加了终端尺寸，也提升了电路损耗。近年来，加载 U 形槽［15］、渐变槽线［16］、分型结构［17］等技术被应用于UWB天线设计。但这些类型的UWB天线加工容错性差、抗干扰能力低、电磁兼容能力弱以及尺寸缩小不明显，这些缺点限制了其在终端中的应用。表1给出了近年来一些UWB天线的设计尺寸。

表1 一些已经发表论文里超宽带天线及对应的尺寸Tab.1 Dimensions of some of the earlier published antennas in comparison to the proposed antenna

本文中，天线采用非均匀渐变传输线(nonuniform transmission line，NTL)的平面网状扇形电磁缝隙(meshed－planar fan electromagnetic bandgap，MPFEBG)结构。辐射片是半径为14 mm的90°扇形贴片，介质厚度为1 mm，故天线的整体尺寸为0.25π×142×1 mm3。参照表1，该天线尺寸缩小明显。仿真及测试结果显示，该天线电磁特性优良，能够满足超宽带系统需求。

1 NTL MP-FEBG结构

1.1 NTL 结构理论

阻抗匹配元件在微波系统中用得较多。匹配的实质就是设法在终端负载附近产生新的反射波，使它刚好和负载引起的反射波等幅反相，彼此抵消，从而达到匹配传输的目的［18］。为了使馈源与天线自身特征阻抗更好匹配，达到增加工作带宽、提高辐射特性的目的，本文天线采取指数渐变的非均匀传输线。图1给出了阻抗渐变线匹配及其等效电路示意图。

图1 阻抗渐变线匹配段和等效电路Fig.1 Equivalent circuit elements of the NTL

对于图1a所示的渐变线，特征阻抗从Z=0处的Z0渐变至Z=l处的Zl。根据小反射理论，将其看成由长度为Δz的许多增量节组成，相邻2个增量节的阻抗增量为ΔZ(z)，如图1b所示。由文献［18］可知，对全部分反射系数和他们的相位移求和。Z=0处总的反射系数为

非均匀传输线为渐变传输线的一种，其等效电路如图2所示。电流与电压频域方程可表示为

特征阻抗为［18］

图2 NTL等效传输电路图Fig.2 Equivalent circuit elements of the transmission line

1.2 EBG结构理论

EBG结构，在电磁传输场和天线领域的研究正方兴未艾。其底层为整个金属板;中间层由若干个具有电磁缝隙结构的矩形金属片排列组成;顶层网状金属贴片由若干条贴片垂直交叉组成。网状金属贴片与矩形金属片通过导电过孔连接。平面网状电磁缝隙结构在降低电磁场干扰、提升微波器件隔离度方面作用突出。文献［19］设计的电磁缝隙结构单元如图3所示。

图3中，高度为t1，t2的介质相对介电常数分别为εr1，εr2。其特征阻抗可表示为

(5)式中:η0为自由空间的波阻抗(377 Ω);h为介质厚度;d为两贴片之间的距离;c为光在真空中的传播速度;ω为谐振频率;εr，eff为等效相对介电常数，其中，

MP－EBG有效的相位常数kz可以表示为［20］

图3 MP－EBG单元与等效传输线模型Fig.3 .MP－EBG structure and transmission－line model

2 NTL MP-FEBG结构天线

综上所述，将指数渐变非均匀传输线与平面电磁缝隙结构相结合，设计出的基于渐变传输线的扇形电磁缝隙结构的超宽带天线(NTL MP－FEBG UWB antenna)如图4所示。

下面给出NTL MP－EBG的电路结构原理分析方程。

(8)－(10)式中:α，β，γ，R，w为图4 中所示;n 是扇形辐射片的次序;r＇，r″分别是相应弧形辐射片内外半径;r*为最小辐射片半径。由文献［19］，此结构中反射系数 Γin与 C1，d，Z0，L1，Y 可表示为

图4 NTL MP－FEBG 结构图Fig.4 Unit cell of the MP－FEBG structure

NTL传输线长度与Z0点反射系数关系为

(11)式和(12)式中:参数x和q(s)的意义及推导过程参见文献［19］第135－147页;NTL线长l与反射系数Γin之间成反比，增加线长l可以适当降低反射，增强天线辐射特性，如图5所示。图5中，随着线长l的增加，天线回波损耗S11有所降低;另一方面，线长l的增加容易引起电容和天线尺寸的增大，在实际工程中需要酌情考虑。

图5 NTL线长l与回波损耗S11的关系Fig.5 Returns loss for different length l of NTL

图4c与图3a对比可得，平行交叉网状分布的顶层两细贴片之间的距离d为

将图4中导电过孔等效为电路电感，由文献［21］可知

电路电容

综上可知，平面双层电磁结构的等效电路导纳可以表示为

(14)式中，η0为真空中的波阻抗，其值为377 Ω。所以，结合(7)式，NTL MP－FEBG结构有效的相位常数kz可以表示为

对比(7)式与(19)式，EBG结构有效相位常数的影响因素从矩形结构变为了FEBG的扇形结构。扇形天线依据自身阻抗特性渐变的特点，可以被应用于超宽带天线设计中。

将扇形天线与电磁缝隙结构相结合，在增加天线工作频段、减小天线尺寸以及提高天线抗干扰能力中作用明显，图6给出了FEBG与EBG结构天线的回波损耗。图6中，实线为FEBG结构天线回波损耗S11，其值在工作频段为3.20～17.52 GHz都小于－10 dB，与EBG结构相比，带宽与辐射特性性能有较为明显的改善。

图6 FEBG与EBG结构天线回波损耗Fig.6 Returns loss for FEBG and EBG

3 天线仿真与测量结果分析

将NTL与MP－FEBG相结合，一方面可以使馈源与超宽带天线更加匹配;另一方面，依据MP－FEBG自身的电磁以及小型化的特性，可提高天线抗干扰性能、减小天线尺寸。表2为不同NTL MP－FEBG天线的工作频段及相对带宽。所有天线均采用50 Ω微带馈线，扇形辐射片厚度为35 μm的金属片，内外半径分别采用5.6 mm，14.0 mm;介质损耗角正切值为0.02;相对介电常数为4.4的FR4_epoxy;α，γ 和R 参数值分别为3°，30°和0.5 mm。

表2 不同NTL MP－FEBG天线的工作频段Tab.2 Antenna bandwidth with different NTL MP－FEBG

根据FCC对超宽带系统工作频段的要求，结合图4，本文天线采用基于渐变传输线的扇形电磁缝隙结构，依据表2中天线7的结构模型对天线参数进行优化、分析和调整，得到天线具体参数数值如表3所示。

表3 天线具体参数值Tab.3 Parameters of the antenna

结合图4与表3，对天线模型进行加工，如图7所示。

图7 天线实物照片Fig.7 Photograph of the antenna array prototypeh

对天线模型进行仿真分析，并且对天线实物进行测量，结果如图8—图12所示。

图8为优化后表2中天线S11的仿真与测试结果对比，在3.10～10.06 GHz的频段，天线参数S11基本保持一致，高频段有一定的差异。这主要是由于天线加工过程中的误差，以及高频电磁波波长较短，容易受到外界干扰引起的。

图8 天线S11仿真与测量结果对比Fig.8 Simulation results of the return loss

图9中，虚线为天线驻波比(voltage standing wave ratio，VSWR)，实线为天线增益。在2～8 GHz频段，VSWR小于3.5，增益大于1.6 dB，能满足超宽带系统通信要求。

图9 天线增益与驻波比Fig.9 Simulation results of the gain and VSWR of the antenna

超宽带系统要求天线在宽频范围内的辐射特性基本保持一致，本设计中天线辐射图如图10所示。在4～10 GHz，天线辐射特性有一定的变化，但其主瓣与副瓣方向基本一致，能够满足通信系统要求。

图10 天线辐射图Fig.10 Simulation radiation patterns for the proposed antenna

超宽带系统由于工作频段较宽，容易受到其它系统的干扰，所以，对天线的抗干扰特性以及电磁波群时延有较高的要求。图11和图12分别为本文设计的2个相同天线在正对面相距10 cm的条件下，测得两天线间的隔离度S21与群时延的曲线。在2～20 GHz，天线S21小于 －20 dB，群时延基本在 ±1 ns，能满足系统要求。

图11 天线S21曲线Fig.11 Measured magnitude of transfer function

图12 天线群时延Fig.12 Measured group delay

4 总结

本文设计了基于NTL MP－FEBG结构的超宽带天线。结合NTL与EBG结构理论，分析了天线回波特性，设计、制作并测量了该天线，且与常规超宽带天线相比，该天线具有尺寸小、频带宽、抗干扰能力强以及辐射特性优良等特点，满足当今超宽带移动终端物理尺寸小、电子器件密集、跳频变频等通信需求，适用于超宽带移动通信系统。

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