基于宽缝结构的超宽带天线设计

冀敏 代金凤 廉亚囡 昌厚峰

摘要：改进了一种基于宽缝微带天线结构的超宽带天线，设计了矩形微带馈电的阶梯状宽缝天线，主要研究了缝隙的形状以及用于馈电的距离对天线带宽的影响，实测结果表明天线具有更宽的阻抗带宽和良好的辐射性能，该天线具有约为120%的阻抗带宽（S11≦-10dB） 覆盖了3.95～17.1GHz频率范围，仿真结果与理论结果相符，非常适合应用于目前的超宽带无线通信系统。

关键词：宽缝微带天线；矩形贴片；超宽带；阻抗带宽

中图分类号：TP399    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）34-0077-05

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1 引言

近年来，随着无线通信技术的不断迅速发展，特别是超宽带（UWB） 通信技术的出现，系统对通信中不可或缺的部件天線提出了越来越高的要求。微带天线因为其重量轻、剖面薄、造价低、易于共形以及能方便有源电路集成等优点[1]，越来越受到广大天线工作者的青睐。缝隙天线一般用于微波波段的雷达、导航、电子对抗和通信等设备中，并因能制成共形结构而特别适宜于用在高速飞行器上。

在导体面上开缝形成的天线，称为缝隙天线，也叫开槽天线。典型的缝隙形状是长条形，长度约为半个波长。缝隙可用跨接在它窄边上的传输线馈电，也可由波导或谐振腔馈电。这时，缝隙上激励有射频电磁场，并向空间辐射电磁波。利用多个缝隙可构成缝隙阵。缝隙阵有两类：谐振阵和非谐振阵。谐振阵中各缝隙是同相激励的；非谐振阵中各缝隙有一定相位差，因而其最大辐射方向不是在阵的法线方向，而是与法线成一角度。非谐振阵的优点是频带较宽。通常按照缝隙的大小，缝隙天线可以分为窄缝和宽缝两种结构。由于缝隙本身的电抗有影响，通常窄缝天线的阻抗带宽比较窄，而采用宽缝结构则可以获得较宽的工作带宽。通过选择合适的基板、改变天线的形状尺寸、采用各种馈电技术、阻抗匹配技术等，可以有效展宽频带。

针对上面的不足，本文对其进行改进，设计一种矩形微带馈电的阶梯状宽缝天线，由于采用的是低损耗介电常数的基板材料，所以保证了天线能有较高的效率，而且天线的面积也大大减小，适用于小型的、便于携带的无线电通信设备。作为微带天线一种的微带宽缝天线，阻抗匹配带宽要比谐振式贴片天线要宽，并且对制造公差要求比贴片天线低，在组阵时其单元间隔离可比贴片天线更大。

2 理论分析

2.1 基本原理

无限大和无限薄的理想导电平面上的缝隙称为理想缝隙。理想缝隙上的电场与缝隙的长边垂直，其振幅在缝隙的两端下降为零。这一电场分布与具有相同尺寸的导体振子（称为互补振子）上的磁场分布（即电流分布）完全一样。根据电磁场的对偶性可知，理想缝隙所辐射的电磁场与互补振子产生的电磁场具有相同的结构，只是振子的电场矢量对应于缝隙的磁场矢量，振子的磁场矢量对应于缝隙的电场矢量而已。因此，缝隙在yz平面内的方向图为8字形，而在xy平面内的方向图为圆形。理想缝隙的输入阻抗与互补振子的输入阻抗之积为z0/4，z0为周围媒质的波阻抗。对于有限导体平面或曲面上的实际缝隙，只要导体面尺寸比波长大得多，特别是缝隙窄边方向的尺寸较大，曲率较小，则其基本特性便近似于理想缝隙。

当缝隙宽度与缝隙长度可比拟时，称为宽缝，具有频带宽的优点。缝隙天线的带宽和缝隙的形状大小有很大的关系，使用宽矩形缝隙时，缝隙的长宽比对天线的带宽有很大的影响，椭圆缝隙的长短轴比对带宽的影响较大。

缝隙天线是一种基本的天线形式，是在金属上刻槽，采用同轴线、微带线、波导等方法进行激励，从而产生辐射。它具有微带天线轮廓低、加工简单和易于批量生产等优点。但一般比微带天线具有更宽的带宽。宽带印刷天线主要分为三类[2]：渐变印刷开槽天线、微带馈线印刷缝隙天线和共面波导馈电印刷缝隙天线。传统的微带馈电印刷缝隙天线是介质板的一个金属面上开一个窄缝隙，在介质板的另一面通过开路或短路的微带馈源对缝进行耦合激励，但这种印刷窄缝天线一般只有5%～7%的驻波比带宽。近年来研究人员发现宽缝隙结构具有更宽的驻波比带宽，已经提出了用各种不同形式的宽缝和馈源结构结合来展宽天线的驻波比带宽。共面波导是一种平面传输线，易于和其他电路或器件集成，通常应用在微波集成电路或微波单片集成电路中。采用共面波导馈电的宽缝天线结构简单、可以与其他电路集成，因此这种形式天线的研究到了更多的关注。

天线工作者对宽缝天线进行了大量的研究，通过改变其缝隙形状和利用不同的馈源结构相结合来展宽阻抗带宽，实现超宽带特性。对于接地板上只有一个矩形宽缝隙的宽缝天线来说，当将其矩形宽缝的长宽比例调节到一定的比值时，则对应着的一定的阻抗带宽和中心频率，当调节矩形宽缝的长宽比时，天线的阻抗带宽和中心频率也会随着发生变化。利用矩形宽缝天线的阻抗带宽和中心频率会随着宽缝的长宽比变化的这一特性，就可以在单一矩形宽缝的基础上，再增加两个矩形宽缝，成为3个矩形宽缝叠加的阶梯形结构，这样由原来只有1组可供调节的长宽比变为由3组可供调节的长宽比，可供调节的变量数增加，一方面增加了设计的灵活性，但同时也增加了调节的难度，因为可调的变量增多。每1组长宽比都对应着不同的阻抗带宽和中心频带，当3组长宽比同时调节到某一最优值时，就实现了一具有超宽带性能的阶梯形宽缝天线。此外还有一些其他的技术发展超宽带天线的阻抗带宽如文献[3]把偏馈技术应用在平面宽缝天线的设计中，使馈源矩形支节中心偏离微带馈线，取得了不错的效果，-10dB带宽频率范围为从3.95～17GHz。综上所述，超宽带宽缝天线的工作原理可以解释为：宽缝和馈电支节相结合产生多个谐振模式，多个相邻的谐振模式相重叠就使天线具有超宽阻抗带宽。

2.2 宽缝结构超宽带天线的特性分析

在设计这一类的超宽带天线时就只要考虑两个因素即可。首先，馈电贴片的形状和宽缝的形状可以尽可能地相似，馈电贴片的形状是矩形，则宽缝的形状考虑用矩形、正方形、阶梯形等；如果馈电贴片是椭圆形的，则可以考虑用圆形、半圆形、椭圆形等。其次，是馈电贴片边缘与宽缝边缘间的距离，它对天线的阻抗匹配影响尤为显著。通过加强馈电部分与宽缝之间的耦合可以增加阻抗带宽。当两者之间的耦合增加到某一数值时，可以获得最佳的阻抗匹配带宽，然而当耦合增加到超过这一定值时，阻抗匹配的情况反而会恶化，这说明过度耦合如同耦合不足一样，都不利于提高宽缝天线的阻抗带宽。上诉两个因素都是通过调节馈电贴片与接地板上宽缝间的电磁耦合，以此来拓展宽缝天线的阻抗带宽的。

2.3 性能指标

2.3.1 天线阻抗带宽

天线是电路与空间的界面器件，主要完成导行波与空间电波能量之间的转换。为了有效地完成这种能量转换，要求天线与它的源或负载匹配[4]。在工程上一般用反射损耗和电压驻波系数来表示天线端口与传输线的不匹配程度，它们的大小直接由反射系数来确定。无论是发射天线还是接收天线，它们是在一定的频率范围内工作的，因为天线辐射不同频率的电磁波，其等效阻抗不同。带宽是指反射损耗或驻波系数小于一定的数值的频带宽度[5]。

2.3.2 天线辐射方向图

为了有效地利用信息能量，保证信息传递质，要求发射天线尽可能只向需要的方向辐射电磁波[6]，接收天线也只接收指定方向的来波，尽量减少其他方向的干扰和噪声。人们把天线的这种辐射或接收电磁波能量与方向有关的性能称为天线的方向性。不同的无线通信系统要求天线的方向特性是不同的。如人们使用手机进行通信，则要求手机天线具有全向辐射 和接收特性。然而在衛星通信中，卫星接收设备是安装在固定的地点并且接收已知方位的弱卫星信号，所以天线辐射的指向性越强越好。

3 天线的结构与设计仿真

3.1 天线的结构

如图1、图2所示，天线制作在介电常数为2.65的基板材料上，基板的厚度为2.4mm。选用这种基板材料原因一是损耗较小，二是材料轻薄，便于在实际中生产。此天线可以看成3个矩形缝隙的叠加。L1为宽缝矩形的长， tl为宽缝矩形的宽 ，L2为中间宽缝矩形的长 ，rl为中间宽缝矩形的宽，L3为最小的宽缝矩形的长，sl为最小宽缝矩形的宽，L4为矩形贴片的长，W4为矩形贴片的宽，Wf为馈线的宽。不同的宽缝形状和馈电支节都会影响它们之间的电磁耦合，继而改变天线输入端的阻抗匹配。

根据仿真优化确定天线的尺寸如下：L1=104mm tl=40mm L2=60mm rl=40mm L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm。

3.2 运行结果

1）天线阻抗带宽

从图2中可以看出矩形微带馈电阶梯形宽缝的阻抗带宽14.95GHz，虽然个别频点出现了尖刺。

2）天线辐射方向图

天线辐射方向如图3所示，宽缝天线具有阻抗带宽相对较宽的特性，但是其工作带宽却受限于其方向图带宽。因为在阻抗带宽的高频段，容易出现方向性图恶化的现象。通过对不同宽缝结构的研究表明，宽缝边沿电流的流动将增大H面的交叉极化电平，并导致E面的主波束偏离最大方向[6]。

3.3 理论分析与参数估算

将设计出的基于宽缝结构的超宽带天线进行仿真，本文分别研究了缝隙的形状、缝隙矩形的长L1、缝隙矩形1的宽tl、缝隙矩形2的宽rl、缝隙矩形3的宽sl对天线性能的影响，将同一参数提不同取值的仿真结果进行对比，对参数进行优化。

3.3.1 缝隙形状的变化对天线性能的影响

如图4所示，缝隙的形状对天线的性能有影响，缝隙只有一个矩形的最低频率为3.85GHz，最高频率为14.35GHz，净带宽为10.5GHz而阶梯形的缝隙最低频率为2.15GHz，最高频率为17.1GHz更能展宽带宽。

3.3.2 参数缝隙矩形的长（L1） 变化对天线性能的影响

tl=40mm L2=60mm rl=40mm  L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm 时对天线在不同的L1 值时进行仿真，结果如图5所示。

结果表明：缝隙的长对天线的阻抗带宽有影响，对最低截止频率的影响较大，L1越大，最低截止频率越小，对最高截止频率的影响不大，L1为104mm时的净带宽最大，如表1所示。

3.3.3 参数缝隙矩形1的宽（tl） 变化对天线性能的影响

L1=104mm L2=60mm rl=40mm   L3=40mm sl=30mm L4=160mm W4=60mm Wf=3.7mm L=60mm 时对天线在不同的tl值时进行仿真，结果如图6所示。

结果表明：矩形1的宽（tl）对天线的阻抗带宽有影响，tl为40mm时的最低截止频率最小，变大或变小都会增大，最高截止频率40mm时的最大，净带宽最大，如表2所示。

3.3.4 参数缝隙矩形2的宽（rl） 变化对天线性能的影响

L1=104mm   tl=40mm   L2=60mm  L3= 40mm  sl=30mm   L4=160mm  W4=60mm   Wf=3.7mm  L=60mm 时对天线在不同的rl值时进行仿真，结果如图7所示。

结果表明：矩形3的宽（rl）对天线的阻抗带宽有影响，rl为40mm时的最低截止频率最小，变大或变小都会增大，最高截止频率40mm时的最大，净带宽最大，如表3所示。

3.3.5 参数缝隙矩形3的宽（sl） 变化对天线性能的影响

L1=104mm tl=40mm  L2=60mm  L3= 40mm  rl=40mm   L4=160mm  W4=60mm   Wf=3.7mm  L=60mm 时对天线在不同的sl值时进行仿真，结果如图8所示。

结果表明：矩形3的宽（sl）对天线的阻抗带宽有影响，sl为30mm时的最低截止频率最小，变大或变小都会增大，最高截止频率30mm时的最大，净带宽最大，如表4所示。

4 结束语

本设计系统地研究了超宽带天线的特性，获得了一种设计超宽带天线的重要方法。对天线的设计领域进行了一定拓展，设计出了一种宽缝结构的超宽带天线。在建模分析的基础上，使用HFSS仿真了超宽带天线模型，并根据仿真的结果对参数进行了优化，得到较好的仿真结果。

参考文献

[1] 张钧.微带天线理论与工程[M].北京：国防工业出版社，1988.

[2] CHEN H D，Chen J S，Li J N.Ultra-wideband square-slot antenna[J].Microwave and Optical Technology Letters，2006，48（3）：500-502.

[3] 贾登权，史志纬.一种新型超宽带微带天线[J].现代电子技术，2009，32（1）：41-42，46.

[4] 李长勇，杨士中，张承畅.超宽带脉冲天线研究综述[J].电波科学学报，2008，23（5）：1003-1008.

[5] 吴昌英，丁君，许家栋.微带宽缝天线的谐振频率和带宽特性[J].微波学报，2007，23（S1）：25-27.

[6] 周伟华.印制偶极子天线单元的仿真设计[J].现代电子，2000（3）：52-56.

【通联编辑：朱宝贵】