一种新颖小型共面波导馈电的超宽带天线设计

陈 良，唐 鹏

(1.国家无线电监测中心 成都监测站，四川 成都 610036；2.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)



一种新颖小型共面波导馈电的超宽带天线设计

陈 良1，唐 鹏2

(1.国家无线电监测中心 成都监测站，四川 成都 610036；2.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

设计了一种新颖小型共面波导馈电的喇叭形超宽带天线，接地面不同于传统矩形而采用接地面围绕辐射体两侧向顶部延伸的方式，并且靠近馈线的接地面使用两阶阶梯凹槽，利用仿真软件仿真优化辐射体和接地面的结构参数，天线加工后的尺寸为27 mm×30 mm×1.6 mm,实测阻抗带宽为2.5～12.0 GHz，在3.1～10.6 GHz范围内基本呈全向性，并且具有较稳定的增益，约为2.5～6.0 dBi。

小型；共面波导；超宽带；天线

自从美国联邦委员会(FCC)在2002年允许3.1～10.6 GHz 频段超宽带技术民用化，超宽带技术[1]就引起了技术和商业方面的广泛关注，贴片天线[2-3]具有体积小、成本低、质量轻、易于加工等特点，共面波导(CPW)[4]馈电天线还具有更宽带宽、更低损耗、更高辐射效率、更容易进入射频电路系统等优点，尤其受到人们关注。通常通过改变天线结构尺寸、使用特定辐射形状(矩形、圆形和山角形等)、贴片开缝隙[5]和接地板上加短路针等方式拓宽贴片天线的带宽和减小天线尺寸。笔者利用电磁仿真软件HFSS对提出的天线结构参数进行大量优化，发现辐射体喇叭形尺寸、喇叭形开口形状及大小、喇叭形中间缝隙大小、接地面延伸的形状及尺寸这4个主要因素影响天线阻抗带宽，绘出了天线的方向图和增益曲线，最终得到理想的天线结构，该天线体积较小，便于射频电路集成，实测阻抗带宽较宽(2.5～12.0 GHz)，仿真和实测结果表明天线在整个工作带宽上基本呈全向性，能够提供稳定的辐射方向性和辐射效率，该天线能满足多种超宽带无线通信应用的要求。

1 天线结构设计

基于超宽带小型贴片天线设计的基本方法，笔者提出了一款新颖的全向小型化共面波导馈电的喇叭形超宽带天线。该天线的结构如图1所示，为节省成本，选取相对介电常数εr=4.5，厚度h=1.6 mm的全玻纤FR4板材为介质基板，基板的宽度为W，长度为L；馈电微带长度为Ls，宽度为Ws，与接地面间隔gc=0.4 mm；喇叭形辐射体中间是矩形，宽W1，长L1，顶部为梯形宽W2，高L2；喇叭形开口大小Wg，喇叭体中间缝隙大小W4和d4。图1a阴影部分为天线的接地面，本设计接地面区别于传统共面波导的馈线两侧矩形接地面，而采用两侧接地面沿两侧向上延伸的方式，通过调整接地面的形状及大小，如微带馈线旁接地面开两阶阶梯凹槽和左(右)上接地面设计为三角形等方式，有效地拓宽了天线的阻抗带宽；底部两侧接地面长Lg，两阶阶梯凹槽宽Wt，高dt，两侧接地面在顶部通过宽度为W3，间隔缝隙L3的微带连接，在接地面顶部左右两侧通过参数L5和W5确定三角形接地面尺寸和位置。本设计通过调整优化喇叭形辐射体和接地面形状和大小，最终设计出符合要求的超宽带天线。

图1 天线的结构与实物照片

2 天线的仿真与实测结果分析

该天线设计在软件HFSS的仿真优化下，最终得到了天线最优的结构尺寸，见表1。

表1 天线的最优结构尺寸 mm

仿真结果显示天线的反射系数主要取决于介质板大小W和L、喇叭形辐射体中间矩形大小W1和L1、喇叭形辐射体上梯形尺寸W2和L2、喇叭形辐射体顶部开口大小Wg及开口形状、喇叭形辐射体中间缝隙大小W4和d4、接地面高度Hg和Lg、顶部接地面宽度W3和顶部左(右)两侧三角形接地面尺寸W5和L5。

从图2可看出，基板尺寸(天线尺寸)对反射系数S11的影响，考虑到加工误差，W=27 mm，L=30 mm可以保证天线在2.5～12.0 GHz频段阻抗带宽性能较为理想，尺寸只有文献[1]的50%。

从图3可看出，喇叭形辐射体中间矩形的宽W1和长L1对反射系数S11的影响，经过仿真优化W1=9 mm,L1=4 mm时天线阻抗带宽性能较为理想。

从图4可看出，喇叭形辐射体顶部梯形的宽W2和长L2对反射系数S11的影响，经过仿真优化W2=15 mm,L2=18 mm时天线阻抗带宽性能较为理想。

图2 基板尺寸对S11的影响(截图)

图3 辐射体中间矩形尺寸对S11的影响(截图)

图4 辐射体顶部梯形尺寸对S11的影响(截图)

从图5可看出，喇叭形辐射体顶部开口大小Wg及开口形状对反射系数S11的影响，经过仿真优化Wg=6 mm时阻抗带宽最优，开口形状折线形优于椭圆形，二折线优于单折线。

图5 辐射体顶部开口大小及形状对S11的影响(截图)

从图6可看出，喇叭形辐射体中间缝隙大小W4和d4对反射系数S11的影响，经过仿真优化W4=2 mm,d4=8 mm时天线阻抗带宽尤其是高频段性能较为理想。

图6 辐射体中间缝隙大小对S11的影响(截图)

从图7可看出，接地面高度Hg和Lg对反射系数S11的影响，经过仿真优化Hg=6.5 mm,Lg=11.5 mm时阻抗带宽最优。

图7 接地面高度对S11的影响(截图)

从图8可看出，接地面两侧延伸的接地线的宽度W3和在顶部留有不同缝隙宽度L3对反射系数S11的影响，经过仿真优化W3=1.0 mm,L3=1.0 mm阻抗带宽最优。

图8 接地面延伸微带线对S11的影响(截图)

从图9可看出，左(右)上两侧三角形接地面不同尺寸及位置W5和L5对反射系数S11的影响，经过仿真优化W5=10 mm,L5=18 mm阻抗带宽最优。

从图10可看出，靠近馈线的接地面的两阶阶梯凹槽[5]的尺寸大小Wt和dt对反射系数S11的影响，当Wt=2.5 mm,dt=2.5 mm时最优，从图11可以看出，如果接地面无阶梯凹槽和接地面两端无沿基板两侧接地延伸时对反射系数S11的影响，阻抗带宽性能大大下降，可见本设计中接地面阶梯凹槽和两侧接地延伸是一种非常有效的优于传统共面波导馈电的一种方式。

图9 顶部两侧三角形接地面对S11的影响(截图)

图11 无阶梯凹槽和接地延伸

从图12可看出，天线的反射系数实际测量结果和仿真基本一致，误差主要原因为天线加工和焊接造成，在3.1～10.6 GHz超宽带工作频段范围内满足S11<-10 dB的阻抗带宽要求。从图13可看出天线在整个S11<-10 dB带宽增益大约在2.5～6.0 dBi。

图14给出了天线在4 GHz和8 GHz时的E面和H面的归一化辐射方向图，E面为“∞”型，H面为全方向，该天线方向性好，具有很好的对称性。

图12 天线仿真和测试的S11对比

图13 天线的增益

图14 天线测试(虚线)和仿真(实线)方向图(截图)

3 小结

本文从天线工程实际需要的角度,设计了一种新颖的共面波导(CPW)馈电喇叭形带超宽带天线, 仿真并实测结果基本一致，介质基板为介电常数εr=4.5，厚度h=1.6 mm的普通FR4板材,较文献[1]的εr=2.6，成本更加低廉，并且仿真优化后的结构参数选择有一定的变化裕量，可以保证有一定加工误差情况下天线的性能不会发生太大变化，这在天线批量工程生产中非常重要。另外天线尺寸只有27 mm×30 mm，较文献[1]尺寸40 mm×40 mm、文献[2]尺寸38 mm×43 mm、文献[4]尺寸31 mm×35 mm都有很大的减小，在减小尺寸的同时，还通过接地板阶梯凹槽和接地面两侧向上延伸改善天线阻抗带宽，实测天线的阻抗带宽为2.5～12.0 GHz，较文献[1]的3.8～9.2 GHz和文献[4]的3.04～10.95 GHz有一定拓宽，在整个UWB匹配频段内，有良好的全向辐射方向性，在最大辐射方向可达到6.0 dBi的增益。该天线尺寸小、成本低、性能稳定、易于电路集成和批量加工，可广泛应用于多种无线通信领域。

[1]兰敏,张弘,陈良，等.一种新颖的微带馈电椭圆缝隙超宽带天线研究[J].电子元件与材料, 2013, 32(10): 49-51.

[2]THORAT S S，JAISWAL R C.Efficient technique for bandwidth improve ment of mictrostrip patch antenna[J].International Journal of Computer Networks and Wireless Communications，2012，2(6)：1402-1408.

[3]赵红梅，傅瑜，谢泽会.小型化不规则阶梯型微带缝隙天线的设计[J].电视技术，2013，37(17):228-231.

[4]ALI M，USAHA R，HU Y.Study and design of broadband CPW-Fed modified folded slot antenna[J].Radio Science, 2004，39(4)：256-260.

[5]吴家国, 周晓明.一种新型的具有带阻特性的超宽带天线[J].电子元件与材料, 2012, 31(10): 34-36.

Design of Novel CPW-fed Compact UWB Microstrip Antenna

CHEN Liang1，TANG Peng2

(1.ChengduMonitoringStation,StateRadioMonitoringCenter,Chengdu610036,China；2.CollegeofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

A novel CPW-fed compact UWB horn shape monopole antenna is proposed.The ground is extended toward two sides of the radiator different from the traditional solid rectangle, and the ground is two stair shaped close the feed line.Simulation software is used to analyze and optimize the structure parameters of the radiator and ground, the antenna size is 27 mm×30 mm×1.6 mm.Measured results show impedance bandwidth is 2.8～12.0 GHz, and the proposed antenna is nearly omni-direction over the operating bandwidth, and also has stable gain about 2.5～6.0 dBi.

compact; CPW; UWB ; antenna

TN822+.8

A

10.16280/j.videoe.2015.07.019

2014-10-29

【本文献信息】陈良，唐鹏.一种新颖小型共面波导馈电的超宽带天线设计[J].电视技术,2015，39(7).

陈 良(1979— )，硕士，工程师，主研无线电监测、通信、天线等；

唐 鹏(1979— )，博士，讲师，主研机器视觉、模式识别、信号处理等。

责任编辑：薛 京