超宽带单极子天线的设计

阴亚芳，白玉鹤

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710061)



超宽带单极子天线的设计

阴亚芳，白玉鹤

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710061)

文中提出并研究了一种以微带馈电的超宽带单极子天线，尺寸为42 mm×36 mm。天线印刷在相对介电常数为2.65，厚度为1 mm的介质板上，由辐射贴片及带矩形槽的接地平面组成。利用三维电磁仿真软件对天线的回波损耗、方向图等参数进行了仿真，其结果表明，该天线在2.5～16 GHz的频率范围内回波损耗<-10 dB，具有超宽带的工作特性，且天线显示出较好的全向辐射特性，天线的结构简单、易于加工。

超宽带；平面单极子；回波损耗

自2002年美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1～10.6 GHz频段应用于超宽带(Ultra-Wideband，UWB)民用通信领域，超宽带通信系统成为了研究热点。超宽带通信技术是一种无线通信技术，具有传输速率高、通信距离短、平均发射功率低、多径分辨率高、便于携带等特点[1-2]。

超宽带天线是超宽带系统的重要组成部分。随着微波集成电路的快速发展，系统高度集成化、小型化。因此，对超宽带天线也提出了更高的要求，在保证天线性能的基础上，尽可能缩小天线的尺寸[3]。近年来，已研制出各种不同结构的超宽带天线[4～7]。文献[8～11]给出了如矩形、椭圆、圆形等结构的平面超宽带天线。文献[12]采用在天线的接地板上引入圆弧形切口和将方形接地板的直角改成圆角的设计方法，改善了平面超宽带天线的性能，但是天线的体积较大，尺寸为42 mm×50 mm。文献[13]通过单极子和高介电常数陶瓷介质谐振器的耦合设计了一种新型的类齿状UWB单极天线，但天线采用的是立体结构，不便于集成。这些天线分别具有自身的优势，虽其满足UWB对带宽的要求，但尺寸却不够小，不易于集成，不能满足现代无线通信系统发展的要求。相较而言，超宽带平面印刷天线更容易嵌入无线设备或者集成到其他集成电路中。

本文设计了一种新型超宽带平面印刷单极子天线，通过对矩形辐射贴片的4个角剪裁和在中间挖矩形缝隙，来获得天线的宽频带特性。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，同时研究了各个参数变化时，回波损耗、辐射方向图的变化。最终得到天线的最佳尺寸。天线的阻抗带宽为13.5 GHz，通频带内回波损耗<-10 dB，带内驻波比<2，达到了FCC所规定的要求。

1 天线结构设计

传统的圆柱形单极子天线具有水平全向辐射特性，但其阻抗带宽较窄，这限制了它的应用范围，为了扩展天线的阻抗带宽，可采用加大圆柱半径的方式，由此演变出平面结构的单极子天线。

本文由传统的印刷单极子天线出发，通过辐射贴片曲流技术和接地板曲流技术，实现了天线的小型化。最后，在辐射贴片上开矩形槽，进一步缩小了天线的尺寸，具体演化过程如图1所示。图2为3种天线的回波损耗的仿真结果对比图。

图1 天线演化过程

图2 3种天线回波损耗仿真结果

由图2可看出，天线1满足回波损耗<-10 dB的频带为2.7～4.5 GHz，阻抗带宽较窄，仅为1.8 GHz，完全不能满足UWB的需求。天线2满足回波损耗<-10 dB的频带为2.5～16 GHz，阻抗带宽可达13.5 GHz，满足UWB需求。天线3与天线2阻抗带宽基本一致，比天线2的体积更小。

经过仿真分析，最终得到天线的尺寸结构如图3所示，其中图3(a)为天线顶部示意图，图3(b)为天线底部示意图。天线由辐射贴片、微带馈线和带槽接地平面组成。该天线印刷在一块介质基板上，基板厚度为1 mm，介电常数为2.65，介质损耗为tanδ=0.02。天线介质板长L0为42 mm，宽W0为36 mm。天线的馈线端与50 Ω的SMA信号传输器连接。为达到较好的阻抗匹配，馈线的宽度Wf设置为3 mm，长度Lf设置为20 mm。由传统矩形辐射贴片分别切掉对称的4个角，其中底边上截取的三角形角度的大小为A。贴片上面边上截取三角形的两直角边L1为2 mm，W1为1mm。辐射贴片中央挖矩形槽大小为L2取10 mm，W2取8 mm。天线接地平面的宽度为W0，长度Lg取20 mm。在接地平面中央挖一个长L3为2.5 mm，宽W3为1.9 mm的矩形槽[14]，有助于阻抗的匹配和频带的拓宽。

图3 天线结构图

2 仿真结果及分析

利用基于有限元的电磁仿真软件HFSS对天线的各项指标进行仿真[15]。天线在扫频范围 2～18 GHz中的回波损耗曲线，如图4图所示。由图4可知，天线工作频带范围为2.5～16 GHz，频带宽度达到了13.5 GHz。比FCC规定的频带更宽，适用范围更广。

图4 回波损耗仿真结果

图5给出了天线在设计过程中，底边上截取的三角形角度A与天线回波损耗之间的关系。由图可知，当度数较小，例如等于5°时，天线的阻抗带宽较窄，仅有3.1 GHz，不能满足UWB的需求。随着度数的增大，天线的阻抗带宽逐渐变宽，当A=15°时，天线阻抗带宽可达13.2 GHz，满足超宽带系统的需求。当A进一步增大，达到25°时，天线的阻抗带宽变窄，仅为5.5 GHz。由此可见，只有选择合适的切角大小，才能使天线的阻抗带宽满足UWB系统的需求。

图5 回波损耗与角度之间关系

图6～图8分别对应天线在xoz平面与yoz平面的辐射增益方向图。选取的频点分别为4 GHz，6 GHz和8 GHz。由图可知，天线在低频时具有全向辐射特性，当频率不断增加时，方向图具有一定的恶化，但其yoz面仍接近全向，这表明该天线在整个超宽带频段内具有良好的全向辐射特性。而在xoz面上，天线具有与偶极子天线相似的双向辐射特性。

图6 f=4 GHz的辐射方向图

图7 f=6 GHz的辐射方向图

图8 f=8 GHz的辐射方向图

3 结束语

本文设计了一种以微带线馈电的平面印刷单极子天线，尺寸为42 mm×36 mm。利用三维电磁仿真软件仿真出的工作频带范围为2.5～15.7 GHz，频带宽度达13.2 GHz。同时，由天线的辐射方向图可看出，天线在yoz面具有全向辐射特性，而在xoz面上，具有类似偶极子的双向辐射特性。天线结构简单、易于加工、便于实现集成化设计。

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Design of Monopole Antenna for UWB

YIN Yafang，BAI Yuhe

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A new design of microstrip-fed ultra-wideband antenna with the size of 42 mm×36 mm is presented. The thickness of the substrate is 1mm and the relative permittivity is 2.65.This antenna consists of a radiating patch and a grounding plane with a rectangular slot. The 3-D electromagnetic simulation software is applied to simulating the parameters such as return loss and radiation pattern of the antenna. Simulated results show that the antenna’s frequency band range is 2.5～16 GHz,whose return loss is less than -10 dB,providing a wide usable bandwidth of 13.2 GHz. The antenna reveals a good omni-directional radiation characteristic .The configuration is simple, easy to fabricate and can be integrated into UWB systems.

ultra-wideband；planar monopole；return loss

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.006

2016- 02- 27

阴亚芳(1966-)，女，博士，教授，硕士生导师。研究方向：数字信号处理及光器件。白玉鹤(1988-)，女，硕士研究生。研究方向：电磁场与微波技术。

TN626

A

1007-7820(2016)12-020-03