CPW馈电的超宽带天线设计

2019-12-17张馨心姚爱琴柴晋强

压电与声光 2019年6期

张馨心，姚爱琴，柴晋强

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051)

0 引言

随着科技的高速发展，民用和军事通信对设备的要求越来越精密，天线作为无线通信系统中不可或缺的部分，在无线系统的性能调整方面有着极为重要的作用[1]。超宽带(UWB)天线具有容量大,损耗低,传输速率高及保密性好等特点[2-3]。自美国联邦通信委员会(FCC)批准了UWB技术可民用化以来，UWB天线技术已成为学术界和工业界的研究热点之一[4]。文献[5]提出了一种共面波导(CPW)馈电的印制单极UWB天线的带隙天线，该天线带宽可达72%。文献[6]设计的基于CPW馈电的天线，通过圆形辐射结构使相对带宽达122.7%。文献[7]提出了单层差分CPW馈电天线，通过阶梯式辐射结构和差分阶梯式馈线使天线的-10 dB相对带宽为122.6%。文献[8-9]为设计的CPW馈电的UWB阵列天线。天线馈线方式的选取对于天线的阻抗带宽和辐射性能都有着重要的影响，而CPW技术由于其具有辐射损耗小，成本低，易加工和便于集成等特点而备受青睐。CPW馈电的UWB天线体积较小，结构简单，通过改变其接地板的尺寸等可展宽天线带宽，该类型天线易加工且便于集成，符合小型化的发展趋势而被广泛使用[10-11]。

为了满足UWB天线的需要，本文设计了一款开口谐振环的UWB天线，结构简单紧凑。该天线采用CPW技术进行馈电来提高天线的频带带宽。本文完成了结构简单的UWB缝隙天线设计，覆盖带宽为2.33～11.75 GHz。由于采用CPW技术，天线尺寸较小，有利于系统的集成。

1 天线设计与分析

1.1 天线结构

该天线的基板使用价格低的FR4，其相对介电常数εr=4.4，介质损耗参数因数tanδ=0.02。图1为本文设计的UWB天线结构图。

图1 天线的结构

1.2 天线的设计过程

图2(a)为本文设计的天线结构，在馈线两侧分别加入等大的接地板，天线采用50 Ω的CPW馈电，结构紧凑简单，有效地减小了天线的体积及天线的回波损耗系数(见图3中的曲线a)。由曲线a可知，其频带为2.14～2.76 GHz，6.25～6.87 GHz。为增大天线的频带宽度，可通过改变馈线两侧接地板的比值大小，来改变天线的电流传播路径，该天线结构如图2(b)所示，相对应的S参数如图3中的曲线b所示。由曲线b可知，天线的工作带宽为2.3～5.4 GHz，但该带宽仍远小于3.1～10.6 GHz。在保证天线小型化尺寸不变的前提下，为了增加电流分布路径从而使天线频带变宽，本文通过在CPW的辐射地板的上方增加一个开口谐振环来实现UWB。天线最终结构如图2(c)所示，相对应的S参数如图3中的曲线c所示，由曲线c可知，天线的工作带宽为2.33～11.75 GHz，实现了UBW。天线结构参数通过Ansoft HFSS 15.0的仿真与优化后，最终确定其基本几何参数如图1所示。

图2 天线设计过程

图3 天线的S参数变化过程曲线

2 实验结果与分析

图4为本文所提出天线的输入回波损耗仿真曲线。由图可知，该天线的回波损耗为-10 dB，带宽为2.33～11.75 GHz。

图4 天线的输入回波损耗

为证明开口谐振环的加入可增加电流分布路径，以改变天线表面的电流密度分布情况。通过HFSS软件仿真，图5是该天线工作频点分别为2.5 GHz、5.5 GHz、8.5 GHz、10.5 GHz时仿真表面电流分布图。由图5(a)可知，当工作频率为2.5 GHz时，即频率较低时，天线的电流主要集中分布在馈线及两侧接地板，且分布较对称，此时开口谐振环作用较小；当工作频率为5.5 GHz时(见图5(b))，天线的电流主要集中分布在馈线、右侧接地板及开口谐振环，此时开口谐振环的电流分布较活跃；当工作频率为8.5 GHz(见图5(c))时，天线的电流主要集中分布在左侧接地板及馈线靠近接地板的边缘，开口谐振环处的电流分布较弱；当工作频率为10.5 GHz(见图5(d))时，电流主要集中分布在馈线、开口谐振环及接地板靠近馈线的边缘。该天线在不同工作频率时电流分布不同,说明馈线两侧接地板的不对称性及开口谐振结构会使电流分布路径不同，从而导致天线的性能发生改变。

图5 天线在不同频率表面电流分布

图6为该天线分别在2.5 GHz、5.5 GHz、8.5 GHz、10.5 GHz时对应的E面(XOY)和H面(XOZ)仿真方向图。由图6(a)可知，在低频时，由于开口谐振环的作用较小，天线的对称性良好，且在E面与H面皆呈现8字型。随着频率升高(见图6(b)～(d))，当开口谐振环对电流分布起作用后，天线会发生畸变，E面旁瓣电平增多，但仍保持类似8字型，且H面整体都接近于全向。由于该天线具有较好的一致性，因此，该天线在H面(XOZ)全向性良好，可收发各方向的信号。