三维小型化圆形超宽带天线设计*

靳松桦，王 强

（南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226000）

0 引 言

大多数天线都是工作在单一的频率，由于空间有限，在一个小型的无线通信设备中安装多个不同频率的天线是很困难的。为了解决这些问题，可重构天线［1］、多频段天线［2］、超宽带（ultra-wideband，UWB）天线［3］等各种天线应运而生。

在这些天线中，可重构天线采用可切换技术，使天线能够在不同频率下工作。相比于多个单一频率天线，可重构天线尺寸较小，拥有多个工作频段［4］。然而，可重构天线不能在多个频率下同时工作，应用范围受到了限制。多频段天线可以克服这个缺点，同时工作在多个频段。但是多频段天线往往只能工作在固定的几个频段，兼容性较差。UWB天线是一种工作频带非常宽的天线，尺寸较小，且可以同时接入不同的无线网络，在无线通信设备的应用中具有更强的竞争力［5］。大多数UWB天线虽然具有很宽的工作频段，但是在高频段会产生电流分束现象，导致天线很难在高频段获得全向的辐射模式。

为了获得更小的天线尺寸和稳定的辐射模式，提出了一种新型的三维小型化圆形UWB 天线。该天线以圆形平面UWB单极子天线为基础，通过在圆形辐射贴片和接地面上垂直加载金属翼，改善天线辐射能力和带宽，实现天线的小型化和全向的辐射模式。

1 天线结构

图1所示为设计天线的结构。设计天线的原型是一种传统的圆形平面UWB单极子天线，如图2所示。与以往的天线改进技术相比，一种金属翼结构被引入天线设计中。这种金属翼结构垂直加载在圆形辐射贴片和接地面上，构成一种三维的天线结构。对于大多数平面天线设计来说，三维的天线结构设计是相当特殊的。本文将详细讲述这种金属翼结构在改善天线辐射性能和阻抗匹配方面的作用。

图2 原型天线结构

为了进行对比研究，设计天线和原型天线使用相同的1.6 mm厚的FR—4衬底，相对介电常数为4.5，损耗正切为0.025。为了获得最大的工作带宽和最佳的辐射性能，使用仿真软件对设计天线进行了数值优化。原型天线和设计天线的结构参数如表1和表2所示。设计天线的整体尺寸为24 mm×29 mm，原型天线为30 mm×42 mm。设计天线的尺寸比原型天线减小了约45%。此外，与原型天线相比，设计天线具有较低的低边缘频率，应用范围更广。

表1 原型天线的尺寸 mm

表2 设计天线的尺寸 mm

2 天线设计

2.1 原型天线设计

如图2所示，本文以传统的圆形平面UWB单极子天线作为原型天线。这类天线由于其UWB 特性和较小的尺寸，在文献［6，7］中得到了广泛的研究。然而，大部分同类型天线在高频段辐射特性都会变差，很难在整个UWB 频段保持较好的辐射性能。

如图3 所示，为原型天线在2.4，5，9 GHz 处的辐射方向图。由图3 可知，原型天线在低频段（如2.4 GHz 和5 GHz）辐射性能较好，基本保持良好的辐射特性，而在高频段（如9 GHz）辐射性能变差，不能保持全向的辐射模式。

图3 原型天线辐射方向

如图4所示，为原型天线在3 GHz和9 GHz时的电流分布。通过对比可知：原型天线在3 GHz 处电流流动较为规则，而在9 GHz处电流流动不规则，存在“分束”现象。这些不规则的电流矢量空间相位不同，沿着不同方向散射。这些向不同方向散射的电流矢量严重阻碍了天线的对外辐射，使得原型天线在高频段辐射性能变差。

图4 原型天线电流分布

对于大多数无线通信设备而言，较小的天线尺寸更能满足使用需求。根据文献［8］研究，传统的圆形平面UWB单极子天线的低边缘频率主要是由圆形辐射贴片的半径所决定，半径越大，低边缘频率越低。因此，在降低天线低边缘频率的同时，减小天线的尺寸是相当困难的。从图5 中的仿真结果可以清晰地看出，随着圆形辐射贴片半径的减小，原型天线的低边缘频率不断提高。

图5 不同辐射贴片半径R下原型天线的反射系数

2.2 设计天线设计

以往的研究者使用金属刻蚀的方式，在主辐射贴片上刻蚀各种形状的结构，来达到天线小型化的目的［9，10］。相比于传统的小型化技术，本文使用添加金属翼的方式来减少天线的尺寸，拓宽带宽，并实现稳定的辐射。

图6（a）为原型天线。本文在原型天线的圆形辐射贴片和接地面上垂直加载了金属翼，如图6（b）所示。金属翼垂直加载在圆形辐射贴片和接地面上，与圆形辐射贴片协同工作。由于图6（b）不是本文设计天线的最终结构，称其为过渡天线。圆形平面UWB 单极子天线的低边缘频率主要由圆形辐射贴片的半径决定，垂直加载金属翼使得贴片上的电流路径加长，间接增加了圆形辐射贴片的尺寸，可以有效降低天线的低边缘频率。因此，在垂直加载金属翼的情况下，适当地减小圆形贴片的尺寸也能保持较低的低边缘频率。数值结果表明，如果保持低边缘频率基本不变的情况下，圆形辐射贴片尺寸减小了25%，天线的总尺寸也显著减小。

图6 天线设计过程

为了实现更好的阻抗匹配和更小的天线尺寸，设计天线在过渡天线的基础上进行了一些改进，如图6（c）所示。槽1是接地面边缘的2 块面积为1 mm ×11.5 mm 的长矩形，如图6（c）所示。切除这2 块长矩形后，接地面上垂直加载的金属翼成为接地面边缘，与介质基片边缘之间的距离为1 mm。槽1主要是用于改善天线带宽，降低天线的低边缘频率；槽2 是天线的接地面上2 个面积为0.2 mm ×1 mm的短矩形，如图6（c）所示。槽2的存在增大圆形辐射贴片与接地面之间的间隙，改善了圆形辐射贴片与微带线连接处电流分布，减小了不规则电流矢量对天线整体的影响，实现了更好的阻抗匹配。贴片3 是天线背面一个半径为3 mm的圆形寄生贴片，如图6（c）所示。贴片3 位于圆形辐射贴片与微带线连接处的下方。贴片3主要用于改善天线在高频段的带宽特性，使天线在高频段保持稳定高效的辐射模式。从图6 中的数值结果来看，在保持低边缘频率基本不变的情况下，这些改进使得圆形辐射贴片面积减小了11%，天线的总尺寸减小为24 mm×29 mm。

在此设计中，垂直加载的金属翼阻碍了电流矢量向各个方向的移动，槽2 和贴片3 改善了圆形辐射贴片与微带线连接处的电流分布。因此，天线能在宽频带内保持全向的辐射性能。图7给出了设计天线在9 GHz处4 个不同相位（0°，90°，180°，270°）下 的 电 流 分 布。对 比 图7 与图4（b），可以明显观察到：与原型天线相比，设计天线中不规则的散射电流明显减少，多数电流矢量沿同一方向移动，电流“分束”现象得到了有效的抑制。

图7 设计天线在9 GHz处的电流分布

对比了原型天线（R ＝8 mm）、过渡天线和设计天线的反射系数。由图8 可知，若无金属翼结构，原型天线（R ＝8 mm）的低边缘频率大约在3.25 GHz。加入金属翼结构后，过渡天线的低边缘频率大约为2.39 GHz，低边缘频率将从3.25 GHz降低到2.39 GHz，降低了0.86 GHz。通过切除长矩形与短矩形和增添寄生贴片这些改进方式，改善了天线在高频段的带宽特性。由图8 可知，设计天线在2.39 ～10.76 GHz范围内保持较好的辐射性能。

图8 3 种天线的反射系数

3 结果与讨论

本文选取了4种UWB天线进行对比，如表3所示。由表3可知，本文设计的天线工作频率为2.39 ～10.76 GHz，峰值增益为1.3 ～4.6 dB，整体尺寸为24 mm ×29 mm。与其他4种天线相比，本文设计的天线低边缘频率较低，尺寸较小，满足WALN和UWB应用的使用需求。

表3 UWB天线对比

如图9所示，为设计天线在2.4，5，8，10 GHz处的增益方向。这些增益方向图使用最大增益进行了标准化处理。由图9可知，在E面方向图中，“8”图形在整个带宽中几乎被完美地保持。在H 面方向图中，图形几乎是全向的。图9与图3 对比发现，设计天线在WLAN 和UWB 应用频段内几乎保持全向的辐射模式，辐射性能良好。

图9 设计天线的增益方向

如图10所示，为设计天线在工作频段内的峰值增益和辐射效率。仿真结果表明，设计天线在工作频段2.39 ～10.76 GHz 内的峰值增益为1.3 ～4.6 dB，辐射效率大于80%，其中，超过70%的工作频段具有良好的辐射效率。仿真数据表明，设计天线具有令人满意的辐射能力。

图10 设计天线的峰值增益和辐射效率

群延迟是UWB 通信的一个重要参数，它可以判断发送脉冲的失真程度。为了实现完美的脉冲传输，在全频段内群延迟应该接近一个常数。由图11可知，本文的设计天线群延迟很小，在整个UWB 频段的群延迟小于0.5 ns，非常适合UWB通信的应用。

图11 设计天线的群延迟

4 结束语

利用在圆形辐射贴片和接地面上垂直加载金属翼的方式，提出了一种工作于WLAN 和UWB 频段的三维小型化圆形UWB天线，具有较宽的工作频段和较小的天线尺寸。仿真结果表明：该天线尺寸减小了44 %，工作频段为2.39 ～10.76 GHz，覆盖WLAN和UWB频段。此外，天线具有稳定的辐射模式和较高的辐射效率。此天线符合无线通信设备小型化和便携化的发展趋势，在汽车通信、矿产探测、灾后搜救等领域均具有良好的应用前景。