新型超宽带微带天线设计

周艳秋 贾方

摘要：超宽带天线作为UWB通信系统的重要部件，其性能直接影响系统的通信质量，本文利用仿真软件设计了一种新型UWB微带天线，采用独特的接地板W型渐变结构，该结构可以在较宽的频带内保证天线获得良好的阻抗匹配。通过对所设计天线的仿真优化，使得微带天线在2GHz—12GHz的宽频带范围内回波损耗S11≤-10dB，辐射方向图良好，该天线体积小易于共性，可以满足UWB通信系统的要求。

关键词：超宽带；微带天线；回波损耗

1 概述

超宽带通信是指利用信号带宽超过中心频点的20%UWB信号进行通信，对于要求高传输速率、低功率和低损耗的小范围无线通信系统而言，UWB通信系统是较好的通信选择[1]。超宽带通信系统对于天线的要求较高，不但有传统天线的体积小，带宽宽的性能要求，同时要求在UWB的通信频带范围内具有稳定良好的阻抗匹配特性，稳定的回波损耗和全向辐射特性。微带天线结构简单而且制作成本较低，同时制作误差要求也较低，并且在制作与使用中可以与物体实现共形，比如可以安装在穿戴物体或是飞行物体的表面，在达到隐蔽性的同时又不影响物体的运动感，独特的优势使得它成为作为国内外天线研究领域的热点，目前，微带天线在军事装备和民用设备上已获得广泛应用，特别是卫星通信、无人机通信和雷达遥感等领域。近年来研究人员对微带天线进行了非常多的研究，通过实验方法或是仿真软件等，改变天线的结构或是改变缝隙的形状[2]，以及改变天线的馈电方式，以其得到良好的辐射特性和阻抗特性。

2 微带天线设计

UWB天线的介质基板材料为FR4，相对介电常数4.4，损耗角正切为0.02，长方体基板的整体尺寸为W×L×h=34×25×1.5mm3，UWB平面天线结构如图1所示，天线辐射单元采用长方形与Y型相结合，辐射贴片的Y型结构可以为天线在工作频带范围内提供良好的阻抗匹配。阻抗为50Ω的微带馈电线尺寸为12.5×2.5 mm2，矩形辐射单元的前端由于表面电流分布较少而被切掉，并不会对天线的整体特性产生很大的影响[3]。

从图中可以看出，介质基板背面的接地板进行了部分尺寸的切除，切除部分采用正方形与三角形相结合的结构，适当的结构调整可以适当提高设计天线的阻抗带宽，特别是接地板背面的刻痕产生的容性阻抗可以抵消辐射贴片本身的感性阻抗，使得天线产生纯电阻的输入阻抗，接地板作为阻抗匹配单元在很宽的频带范围内与辐射贴片匹配[4]。

3 仿真优化

仿真实验主要是对天线的重要参数进行了优化设计，确定UWB微带天线最优化结构，其中P=10.6mm，D=12.5mm，辐射贴片的前端缺失尺寸为5mm×1mm，对优化结构后的微带印刷天线进行仿真，得到回波损耗曲线如图 2所示，所设计的天线在整个频带内阻抗匹配特性良好，S11≤-10dB，尤其是在天线的谐振频点5.6GHz可实现S11≤-22dB，另一谐振点10.2GHz为最小值S11≤-40dB。

图3为所設计的UWB微带天线在第一谐振频点5.6GHz出的H面和E面方向图，通过该图可以分析设计天线在相应频带范围内的辐射特性，从图中可以看出在5.6GHz处，天线E面方向图为类似哑铃结构，H面的方向图接近全向辐射特性，微带天线的仿真增益可达到3dB，满足超宽带通信对天线辐射特性的要求。

4 小结

超宽带通信作为无线通信领域的新兴技术，其天线性能是整个通信系统的重要性能指标，小型化、高性能的微带天线是UWB通信的良好选择。本文研究设计了一种性能良好的新型UWB微带天线，对其结构进行了优化设计，天线的回波损耗在2GHz—12GHz的频带范围中低于-10dB，其中在10.2GHz处达到最小值-45dB，H面与E面方向图良好。该天线体积较小，制作简单，同时阻抗特性和辐射特定可以满足超宽带通信对于天线设计的要求。

参考文献：

[1] Andrea Sani，Akram Alomainy. Experimental Characterization of UWB On-Body Radio Channel in Indoor Environment Considering Different Antennas [J].IEEE Transactions on antennas and propagation，2010，58：238-241.

[2] Mohammad Mehdi，Samadi Taheri.UWB Printed Slot Antenna With Bluetooth and Dual Notch Bands [J]. IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2011，10：255-257.

[3] Yang Y Y，Zheng Z A，Chu Q X. A Compact Ultra-wideband Antenna Design Based on The Current Distribution [J]. Microwave and Optical Technology Letters，2009，51（11）：2601-2603.

[4] F. Amini，M N Azarmanesh. Small Semi-circle-like Slot Antenna for Ultra-wideband Applications [J]. Progress in Electromagnetics Research C，2010，13，149-158.

基金项目：

武警部队基础研究基金项目（WJJC2017-304）

作者简介：

周艳秋（1984-），女，黑龙江通河人，工学硕士。