一种新颖的超宽带平面天线

1 引言

UWB定义为相对带宽大于20%或绝对带宽大于500MHz的系统。在UWB系统的设计中，UWB天线是重要的元件。近来，人们对UWB天线在高数据传输率，低功率损耗和在通信应用中的简单结构进行了大量研究。二十世纪70年代来，提出了很多种简单结构的平面天线，比如圆形，椭圆形和梯形等。如今，印制平面天线由于它具有高辐射效率，结构紧凑并且便于与其他电路集成而受到了很大关注。本文UWB天线的基础上设计了一种使带宽有了显著增加的UWB天线，并设计了一种能产生双频带的天线结构。

2 天线设计及特性

天线结构如图1所示。天线外半径为R内半径为r且在圆环的中心通过d*(d/2+r)的微带线进行同轴馈电。天线印制在h=1.5mm, er＝3.5的介质上。部分接地面由半径分别为dR和dr的两个半圆组成。天线的其它参数为R=13mm,r=8.7mm,d＝1.3mm，dR=7.2mm.。图2是dr=3.6mm时天线的回波损耗。由图2可看出其通带从5.5GHz到9.3GHz，-10db带宽为51.4%比文献中有限接地面为多半圆时的40%的带宽增加了11.4%。图3给出了它在5.5GHz，7GHz，9.3GHz处的E面和H面的方向图。由图3可见，天线在整个通带内H面方向图对称且近似为全向辐射，在E面方向图不对称是因为结构不对称造成电场不对称而形成的。

图1 天线结构

图2 天线的回波损耗

(a)

(b)

(c)

图3 E面和H面方向图(a)5.5GHz(b)7GHz(c)9.3GHz

另外讨论了dr对s11参数的影响。 图4为不同的dr所对应的回波损耗。当dr逐渐增大时-10db带宽随之增加。当dr增加到一定程度时单频带将变成双频带。

图4 不同dr对应的回波损耗

3 双频带天线

图5为双频带天线结构，其馈电方式和图1相同只是接地面是半径为dR的圆。图6为dR＝7.2mm时的回波损耗。图7给出了不同的dR所对应的回波损耗。由图7可看出随着圆半径的增加第一频带和第二频带的中心频率和带宽均降低。表1给出了不同dR的频带特性。

图5 双频带天线结构

图6 dR＝7.2mm时的回波损耗

图7 不同dR对应的回波损耗

表1 不同dR的频带特性

dr(mm)	f01(GHz)	－10dB带宽	f02(GHz)	－10dB带宽
6.7	5.4	23.96%	8.7	42%
7.2	5	22.27%	8.3	19.13%
7.7	4.6	17.4%	7.8	13.1%

此外，讨论了圆环贴片内半径r对频带特性的影响，图8为圆环外半径R＝13mm时，不同r对天线回波损耗的影响，由图看出当r由7mm增加到8.7mm第一频带中心频率均为5GHz第二频带中心频率由8.9GHz降低到8.3GHz，因此圆环内半径只影响第二个频带的中心频率而不影响第一频带的中心频率。

图8 R=13mm不同r对应的回波损耗

4 结论

本文介绍了一种平面超宽带天线，该天线由圆环辐射体和部分接地面构成，其易于实现且带宽从5.5GHz到9.3GHz，在整个通带内其H面方向图具有近似对称和近似全向辐射特性，此外设计了一种双频带天线，并研究了其有限接地面及圆环贴片的内半径对其频带的影响。