一种新型超宽带天线的设计

郁 剑，郝哲轩

(南京工业大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京 211816)

0 引言

随着科学技术的不断进步和发展，人们对无线通信、移动通信等需求越来越高。为了满足人们需求的日益增长，在2002年，美国联邦通信委员会(FCC)[1]正式将3.1～10.6 GHz的超宽带(Ultra-Wideband，UWB)频段批准用于民用通信。这一举措使得UWB无线通信技术引起了世界各国的广泛关注。由于天线在无线通信系统中起着至关重要的作用，所以，UWB天线[2-6]同样迅速引起了各国研究者的重点关注。

文献[2]中提到，提高天线带宽的常规方法主要有3种：① 降低天线的辐射Q 值；② 修改等效电路——通过附加寄生贴片或是采用电磁耦合馈电等；③ 附加阻抗匹配网络。但在增加天线带宽的同时，天线的尺寸增大、结构变得复杂。所以，为了能够同时实现UWB性能，又能缩小尺寸简化结构，各国研究者都在不断地努力。最近，研究者提出了一些新的技术[7-8]来拓展天线带宽、缩小天线尺寸和实现新的场景应用[9-10]。文献[7]介绍了利用嵌套分形结构的自相似性和空间填充特性来拓展带宽和缩减天线尺寸。文献[8]介绍了利用行波模式设计的UWB天线，实现了宽带和稳定的辐射模式。同时，随着UWB天线的尺寸越来越小，其应用范围也越来越广，如应用于可穿戴设备[4]、汽车通信[9]和未来无线网络[10]等。但是，这些天线有个共同点就是其结构相对比较复杂。

为了设计一个结构简单紧凑的UWB天线[11-14]，本文提出了一种同轴馈电的UWB天线，天线的辐射单元由7个完全相同的椭圆单极子组成。通过7个椭圆单极子的组合改变天线辐射单元上的电流分布，从而改善椭圆单极子的阻抗带宽，提高天线的阻抗带宽，满足UWB无线通信的要求。天线的结构简单紧凑，尺寸仅为30.0 mm×24.0 mm×1.6 mm。同时，该天线的阻抗相对带宽为112.9%(S11≤-10 dB)，在整个工作频段范围内具有较好的全向性，可供工程研究或实践参考[15-18]。

1 天线的设计与结构

提出的同轴馈电UWB天线的几何结构如图1(a)所示，天线印刷在相对介电常数为 4.4、厚度为 1.6 mm 的 FR4 介质板上，并且天线辐射单元通过微带线转到同轴进行馈电。天线的辐射单元由7个完全相同的椭圆单极子组成，椭圆的轴比为0.3，介质板中线两边的3个椭圆关于介质板中线严格对称，相邻2个椭圆之间的夹角α=10°，与天线辐射单元相连的是阻抗为50 Ω的微带线，微带线的长度和宽度分别为L1和W1。图1中深色部位为地板，接地板的尺寸为W×L2。通过把7个椭圆单极子组合起来增大天线辐射单元上的电流分布，进而改善传统椭圆单极子的阻抗带宽，提高改进天线的工作带宽，达到UWB无线通信的要求。

(b) 天线设计过程图1 天线的结构与设计过程Fig.1 Structure and design process of the antenna

图1(b)给出了同轴馈电UWB天线的设计过程。Ant1是传统的椭圆单极子天线，其仿真的回波损耗如图2中的Ant1曲线所示，可以看出，单极子天线的频带宽度很窄，很难做到宽带的特性。为了增加天线的频带宽度，可增大椭圆单极子贴片表面电流的传播路径。Ant2是沿介质板中线分别在椭圆单极子两边增加2个尺寸完全一致的椭圆得到的，以此类推，可以得到最终设计的UWB天线Ant4。

图2 4副天线的S参数Fig.2 S-parameter of four antennas

图2给出了4款天线的回波损耗S11仿真的对比结果。从图中可以很明显地发现，在辐射单元表面积增大的同时，天线的阻抗带宽逐渐满足UWB性能要求。

一种同轴馈电UWB天线的具体结构参数为：W=24.0 mm,L=30.0 mm,W1=1.6 mm,L1=3.4 mm,L2=9.5 mm,L3=6.5 mm,a=10 mm,b=3.0 mm,a=10°，h=1.6 mm。

2 UWB天线的仿真与分析

图2中曲线Ant4为本文所提出UWB天线的输入回波损耗仿真曲线。由图2可知，该天线在3.09～11.10 GHz频带内满足回波损耗S11≤-10 dB，带宽为8.01 GHz，相对带宽为112.9%。同时，从仿真的回波损耗曲线可以看出，天线在整个工作频带内有4个谐振点：3.62，6.68，9.02，10.8 GHz。

在设计天线过程中，分析天线椭圆之间夹角、接地板和椭圆轴比对天线性能的影响，通过参数对性能的分析可以方便地完成UWB天线的设计。图3给出了在其他参数不变的情况下，天线参数α，L2和a/b与UWB性能之间的关系。从图3 (a)可以看出，椭圆间夹角α关系到天线的UWB带宽，随着夹角α的增大，带宽相对在变窄；从图3 (b)可以看出，接地板的长度对天线的性能影响很大，微小的变化就会恶化天线的带宽；从图3 (c)可以看出，椭圆的轴比增大，天线性能变好，但带宽变窄。综合参数的分析结构，并结合天线的整体性能，最终选择夹角为α=10°。

(a) 夹角α

(b) 接地板长度L2

(c) 椭圆轴比 b/a

为了考察天线的辐射特性，图4给出了天线在3.5，5.5，8.5，10.5 GHz四个频点上的E面(YOZ)和H面(XOY)仿真方向图。从图4中可以看出，在低频段处，天线H面方向图具有全向的辐射特性，天线E面方向图呈现“8”字型；随着频率的升高，辐射单元表面的电流分布发生大的变化，天线的辐射方向图也发生畸变，但是从图4(a)和图4(b)可以看出，天线在E面(XOZ)还是表现出类似“8”字型、H面(XOY)类似圆形的辐射特性。所以，提出的UWB天线在整个工作频段内的辐射特性与传统的单极子天线的辐射特性非常接近。

(a) E面

(b) H面图4 天线仿真方向图Fig.4 Simulated radiation pattern of the proposed antenna

图5为所设计天线在+x轴方向上的增益仿真曲线。由图5可知，该天线在阻抗带宽内的平均增益为3.40 dBi，天线在4.7 GHz时取得最大增益4.92 dBi，天线在7.3 GHz时取得最小增益2.15 dBi。由此可见，天线在整个频带内具有较稳定的辐射增益，能够保证对无线通信信号的有效传输。

图5 天线的增益Fig.5 Gain of the proposed antenna

本文所提出的天线与部分文献所设计天线的比较如表1所示。在满足UWB通信频段要求的前提下，本文所提出的天线在尺寸和结构上都有相当的优势，尺寸远小于文献[6，10]中的天线，结构上优于文献[2，7-8]中所设计的天线。因此，综合以上分析，由天线回波损耗、方向图的仿真结果表明，本文提出的同轴馈电UWB天线具有尺寸小和频带宽等特点，有一定的使用价值和应用前景。

表1 UWB天线比较Tab.1 Comparison of UWB antennas

3 结束语

本文设计了一种同轴馈电的UWB天线。天线辐射单元通过微带线转同轴进行馈电，并且通过7个完全相同的椭圆单极子，实现UWB特性。仿真结果表明，天线的阻抗带宽(S11≤-10 dB)为3.09～11.10 GHz，覆盖了UWB范围，可应用于UWB无线通信系统中。同时，这种天线在整个工作频率范围内具有良好的全向辐射方向特性，可以为同轴馈电的UWB微带天线设计提供一个有效的方法。此外，也能为UWB陷波天线的设计提供一个基本设计方案。