一种新颖的结构紧凑型超宽带单极子天线设计

1  引言

超宽带（UWB）无线通信技术以其极大的容量和极小的功率特性等优势，成为这个时代最具潜力的技术之一。近年来，随着超宽带技术的不断发展，超宽带天线已在卫星通信、雷达、电子对抗系统等方面得到了广泛的应用。另一方面，为了应对无线通信系统日趋小型化集成化的趋势，超宽带天线的小型化成为近年来研究的热点与难点。宽带平面单极子天线由于具有超宽频带，良好的辐射特性，紧凑的结构和容易制作等优势而成为将来最有前景的超宽带天线之一。常见的超宽带平面单极子天线有：矩形，圆形，椭圆形，蝶形等。

基于以上背景，本文提出了一种采用微带线馈电，具有4.93：1的阻抗带宽的Y形平面单极子天线，通过对地板进行开槽，切角很好的扩展了天线带宽，覆盖了整个2.96～14.6GHz频段，而且在整个频带内获得了良好的阻抗匹配，驻波比VSWR在几乎整个频带内都小于1.5。同时，该天线的尺寸只有25×24×1.6mm³，且在整个频带内都具有良好的辐射特性，满足了对无线超宽带通信的各种要求，具有良好的实用性。

2  天线结构及设计

本文提出的新型超宽带天线如图1所示。Y形辐射贴片和50Ω的微带馈线印制在尺寸为L×W×H=25×24×1.6mm³，相对介电常数ε_r=4.5的FR-4介质基板正面，而带有矩形开槽的梯形地板印制在介质板的背面。50Ω的微带线宽度w_f=3.2mm，固定不变。Y形辐射贴片是在原始的矩形贴片的基础上，分别在它的左下方、右下方和正上方减去三个椭圆贴片而形成的，左右椭圆贴片对称，尺寸如图1所示，左右的两个椭圆贴片的半长轴r₁=(w-w_f)/2=10.4mm，半短轴r₂=2mm，而正上方椭圆贴片的半长轴r₃=15mm，半短轴r₄=6mm。通过这种带弧形边的Y形结构可以有效的改善阻抗匹配，展宽频带。

图1  天线结构示意图

为了进一步降低回波损耗，达到宽频带的要求，接地板采用梯形结构。在传统的矩形地板两边切角，并且在顶端中心开矩形槽，地板上的两个切角尺寸为W_s×L_s=6mm×11mm，矩形槽尺寸为W_c×L_c=4mm×1.8mm。

3  优化结果及其分析

为了更好的研究天线各个部分对天线整体性能的影响，我们通过商业仿真软件CST进行了一系列参数扫描和优化。其中r2对天线的整体阻抗匹配具有重要的影响，如图2所示，通过增加或减小r2，天线的阻抗匹配变差且谐振点减少，因此通过优化我们最终选择r2为2mm。r3不仅可以调节高频段的阻抗匹配，还可以通过影响电流长度来降低频带的较低频率。r4对高频段的阻抗匹配有影响，特别是对第四个谐振频率点。带切角并开槽的地板是本天线设计的有效部分，修改后的地板上的电流分布影响了天线的阻抗特性。结果，通过对地板切角，能够极大的扩展带宽，并且再在地板上开矩形槽不但可以增大一定带宽，还能改善整个通带内的阻抗匹配。地板变化对回波损耗的影响如图3所示，可见该天线能够完全覆盖超宽带通信所需频带，而且几乎整个频带内驻波比VSWR都小于1.5。

天线的辐射方向图如图4所示，天线的表现与典型的印刷单极子天线非常类似。H面（phi=0）呈现的几乎是全向的、稳定的辐射特性，但是，在高频段有恶化，这是因为在高频段天线的电长度增大了，电流辐射在远场有局部抵消或叠加。

图2  参数r2对回波损耗的影响

图3  地板变化对回波损耗的影响

4  结论

本文提出了一种结构紧凑的平面印刷单极子超宽带天线。该天线总尺寸仅为25×24×1.6mm³，许多参数被优化设计，通过采用带弧形边的Y型辐射贴片和在地板上切角、开槽，不仅提高了阻抗带宽，还提高了阻抗匹配。天线优化后的工作频带为2.96~14.6GHz，且在整个频带内有稳定的全向辐射方向图。因此该天线是具有一定工程应用潜力的超宽带天线。

3.6 GHz

5.8 GHz

8.2 GHz

12.4 GHz

图4  天线的辐射方向图