一种小型的“Y”形超宽带天线

何之煜　刘运林

摘 要： 提出了一种以微带线馈电的小型“Y”形超宽带天线，尺寸为30 mm×30 mm。天线由“Y”形辐射贴片，双“8”字形谐振片以及带矩形槽的接地面三部分构成。利用三维电磁仿真软件对天线的回波损耗、增益、方向图等参数进行了仿真，达到电压驻波比（VSWR）< 2的频带范围为3.06～13.89 GHz，频带宽度达到了10.83 GHz，并且天线显示出较好的全向辐射特性，天线的结构简单，易于制作，可用于超宽带通信系统。

关键词： 超宽带天线； 回波损耗； 增益； 辐射方向图

中图分类号： TN820.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）05?0073?04

A small?size ultra?wideband Y?shaped antenna

HE Zhi?yu， LIU Yun?lin

（School of Physics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： A new design of compact microstrip?fed ultrawideband （UWB） antenna is presented， whose total size is 30 mm×30 mm. The antenna consists of a Y?shaped radiating patch， a pair of “8”?shaped resonance chips and a grounding plane with a rectangular slot. The 3?D electromagnetic simulation software is applied to simulating the parameters such as return loss， gain and radiation pattern of the antenna. Simulated results show that the antenna′s frequency band range is 3.06～13.98 GHz， whose voltage standing wave ratio （VSWR） is less than 2， which can provide a wide usable bandwidth of 10.83 GHz. The antenna reveals a good omni?directional radiation characteristic. The antenna configuration is simple， easy to fabricate， and can be integrated into UWB systems.

Keywords： UWB antenna； return loss； gain； radiation pattern

0 引 言

近年来，超宽带（UWB）通信系统，由于其高数据传输率（大于100 Mb/s），高信息容量，易于制作，低成本等优势，已引起了广泛的关注。2002年，美国联邦通信委员会（FCC）通过将3.1～10.6 GHz频段作为民用通信领域的决议[1]。此后，超宽带天线，作为超宽带系统的重要组成部分，以其宽频带、全向辐射性、低剖面、低成本等特点，成为了研究的热点。

近十年间，大量不同结构的平面超宽带天线涌现出来，文献[2?7]给出了如矩形、椭圆、圆形、蝶形等结构的平面超宽带天线。在文献[8]中，通过对贴片部分开“W”形缝隙和馈线两端加一对“6”形谐振圈，天线产生两处谐振，具有宽频带特性。在文献[9]中，通过对椭圆贴片开“C”形缝以及对接地平面开椭圆形槽，天线产生4处谐振，频带达到3.29 GHz。在文献[10]中，天线利用渐变式的微带馈线，并通过对接地面的优化，达到宽频带的效果。在文献[11]中，通过在贴片部分开“U”形缝隙，天线在工作频带内多产生一处谐振，从而拓宽了频带。

基于以上的研究背景，本文尝试了一种结构简单，以微带线馈电的“Y”形超宽带天线，利用三维电磁仿真软件对天线进行一系列的仿真、分析及优化，包括回波损耗[S11]参数、辐射方向图、某些频点的电流分布等，通过研究某些参数对于天线性能的影响，从而确定了最佳尺寸，天线的频带宽度为3.06～13.89 GHz。

1 天线结构设计

如图1所示，天线由“Y”形辐射贴片，带槽接地平面和两个“8”字形谐振贴片三部分组成。天线贴片和接地平面的尺寸标示如图2，图3所示。馈电两端双“8”字形谐振片的尺寸标示如图4所示。该天线印制在一块相对介电常数为4.4，介质损耗[tanδ=0.02，]厚度为1.6 mm的FR4?exopy介质基板上，天线的尺寸大小为W×L（W=30 mm，L=30 mm），该天线的馈线端与50 Ω?SMA的信号传输器连接。为了达到较好的阻抗匹配，馈线的宽度设置为[w1=]3.5 mm，长度设置为[l1=]11 mm。在天线的接地平面（[w=]30 mm，[l5=]10 mm）中央挖了一个矩形槽，大小为2.5 mm×5.5 mm。在辐射贴片一面，馈线两端分别放置了一个“8”字形谐振贴片，有助于阻抗的匹配和频段的拓宽，天线的具体尺寸如表1所示。

2 仿真结果分析

利用高频电磁仿真软件对天线性能的各项指标进行仿真，比如回波损耗，辐射方向图，电流分布等，并且对于某些参数的变化对于天线性能的影响也做了仿真与分析。

在馈线两端各放置一个“8”字形谐振片，用于天线馈端的阻抗匹配，并且能拓宽天线的工作频带范围。天线在是否有双“8”字形谐振片情况下，回波损耗[S11]参数的变化曲线图，如图6所示。可以看出，在加入双“8”字形谐振片之后，原天线在9.2～10.8 GHz频段的回波损耗能达到-10 dB以下，因此，该谐振片结构对于拓宽天线带宽有很大的作用。

如图3所示，在天线的接地平面上，挖有一个尺寸为[w8×l9]的矩形槽（[w8=]2.5 mm，[l9=]5.5 mm）。不同矩形槽的宽度[w8]对于天线性能的影响，如图7所示。可以看出，不同尺寸的矩形槽对于天线的回波损耗有很大的影响 ，因此，接地平面的结构对于天线的性能也有很大的影响。

天线分别在3.8 GHz，9 GHz和11.6 GHz处的电流分布情况，如图8所示。图8（a）表示的天线在3.8 GHz处的电流分布情况，可以看出，当频率为3.8 GHz时，电流在馈线端的边缘表示为红色。图8（b）表示的是当频率为9 GHz时，天线的电流分布情况，可以看出，此时天线的电流大多分布于双“8”字形谐振片上。图8（c）则表示的是当频率为11.6 GHz时，天线的电流分布情况，可以看出，此时电流分布主要集中于位于接地平面的矩形槽以及其对于馈电的边缘位置。

天线在扫频范围内增益变化的曲线，如图9所示。可以看出天线具有较稳定的增益，增益范围为1.5～4.7 dB。

天线在y?z面和x?z面上的辐射方向图，如图10所示。选取的频点分别是4 GHz，6 GHz和8 GHz，通过仿真天线在y?z面和x?z面上的方向图，可以分析天线在不同频点上的辐射情况，并且在图中同时显示出了天线在y?z面和x?z面上的共面极化（co?polarization）和交叉极化（cross?polarization）。可以看出，天线在y?z面显示出良好的全向辐射特性，而在x?z面上，天线则显示出了类似于偶极子天线的双向辐射性，可用于双向辐射特性的通信系统。

3 结 论

本文分析了一种以微带线馈电的小型“Y”形微带天线，尺寸为30 mm×30 mm。利用三维电磁仿真软件仿真出的工作频带范围为3.06～13.89 GHz，频带宽度达到了10.83 GHz，因此，回波损耗S11参数曲线图表示文中所设计的天线具有超宽带特性，属于超宽带天线。另外，通过改变某些参数，发现馈线两侧的双“8”字形辐射片和接地面上的矩形槽的尺寸对于天线的频带特性有很大的影响。文中还对天线的增益特性进行了仿真，从结果可以看出，天线具有较好的增益，并且在8.5 GHz时达到了4.7 dB。同时，从对天线的辐射方向图结果可以看出，天线在y?z面具有全向辐射特性，而在x?z面上，则具有类似于偶极子的双向辐射性。因此，文中所提出的天线具有良好的超宽带特性，可以用于超宽带通信系统。

参考文献

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