超宽带天线的原理与结构设计

电子工程师 2017-12-12 16570

RF/无线

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描述

近年来，随着无线通讯产品的普及，超宽带技术的发展，人们对天线的带宽提出了越来越高的要求。自2002年，联邦通讯委员会（FCC）通过决议允许把3．1-10．6 GHz频段应用于商业领域，具有高数据传输率、低成本、低功耗和抗干扰能力强的UWB通信系统得到了迅速发展。应用于UWB通信系统终端的天线必须具有如下特点：如线性的相位响应，全向的辐射方向图，平稳的增益。因此，超宽带天线的设计成为了UWB系统的主要挑战之一。平面印制天线，如矩形，圆形，椭圆形，蝶形单极子，偶极子等，具有宽频带、低色散、低损耗、低剖面、重量轻、易于制作、价格低廉等优点，已广泛应用于UWB通信系统。而采用CPW馈电的平面印制天线具有易于和有源、无源器件的串并连接，易于MMIC的集成化，有利于阻抗匹配和提高增益。然而这个频段包括了无线局域网（WLAN）5．2 GHz和5．8 GHz的工作频段，为了避免与无线局域网之间的干扰，就需要具有在5～6 GHz的频带内加入带阻特性。因此，具有带阻特性的UWB天线受到了广泛的关注研究。

文中提出了一种结构简单的，新型共面波导馈电的具有带阻特性的平面单极子超宽带天线。该天线是在辐射单元上开矩形宽缝隙，然后加入一个矩形微带调谐支节，从而获得良好的带阻特性。通过仿真，研究了天线的工作特性，结果表明，该天线的工作频带为2．49～14．53 GHz，其中5～6 GHz频带内具有很好的带阻特性。同时在整个工作频带内具有良好的全向辐射方向图，因而具有一定的使用价值。

1 天线原理与结构设计

天线的结构，如图1所示，天线制作在相对介电常数为

超宽带

1．1 天线初始结构的计算

对于单极微带天线，可利用圆柱体近似法计算出低点的谐振频率，即VSWR最先2的频率点。文中是通过正方形辐射贴片的等效转换，最终推导出低点谐振频率与半圆形辐射贴片半径的关系式，即

超宽带

可得

超宽带

一般地L取为

超宽带

参数F记为

超宽带

由式（3），式（4）可得

超宽带

所以低点的频率fL可以写成

超宽带

通过面积等效原理超宽带并假设W=L，则得到

超宽带

其中fL的单位是GHz；L，R，r的单位是mm。利用UWB通信系统的低点谐振频率fL=3．1 GHz，可以计算出单极子天线的初始半径R=15．8 mm。该半径用于HFSS建模仿真，随后可以通过改变半径来获得较大的带宽和较高的增益。

1．2 天线阻带特性的设计

由于贴片电流主要集中在靠近接地板的下半部分，为了获得带阻特性，通过仿真软件参数分析优化发现，在距离辐射贴片底边1 mm处开宽矩形缝隙并且加入调谐支节，调谐支节与辐射单元周围的间距为0．5 mm，并通过宽度为1 mm的微带线相连接。矩形调谐支节的长度为Ls，宽度为Ws。其基本原理就是在天线结构里引入需要抑制频率的“LC谐振回路”，通过改变微带支节的长度和宽度，相当于改变了构成回路的LC值，从而影响了需要抑制的中心频率和相应的阻带频带宽度。文中通过软件仿真，验证了这种结构的合理性，即相当于引入了相应频率上的带阻滤波器，使得该中心频率上天线的阻抗特性变差。

2 天线优化与参数分析

利用电磁仿真软件HFSS对天线的性能进行了分析，从而确定天线的基本尺寸。为了达到天线结构的小型化和超宽带特性，通过仿真优化，最终确定的天线基本尺寸为：天线总体大小W×L=50×35 mm2，接地板下边宽度Wmax=22．67 mm，接地板上边宽度Wmin=3 mm，接地板高度Lg=16 mm，辐射贴片与接地板上边间距s=0．8 mm。

2．1 天线工作频带的分析

为了抑制WLAN系统的干扰，通过在辐射金属片上加入矩形调谐支节，从而使天线具有陷波特性。由于辐射单元的电流主要沿着贴片边缘分布，而接地板的电流则集中分布在接地板的上边缘，所以在距离辐射贴片底边1 mm处开宽矩形缝隙，并加入调谐支节。天线回波损耗随频率变化的仿真结果，如图2所示，可以看出，天线在2．49～14．53 GHz范围内回波损耗S11≤-10 dB，但在4．9～5．92 GHz频段时天线回波损耗S11》－10 dB，这表明该天线具有带阻特性，从而减少了系统间的干扰。

超宽带

文中对影响天线性能的主要参数进行了分析研究，在保持其它参数不变的情况下，分别改变调谐支节的长度和宽度使回波损耗产生不同的变化。图3所示为回波损耗随调谐支节长度变化的曲线图，可以看出当长度逐渐增加时阻带的中心频率会向频率低端移动，而阻带频率宽度在Ls=1 mm，2 mm时基本不变，如进一步增加支节长度则阻带带宽显著增加。

从图3中还可以看出，调谐支节长度对总体工作频带的高端频率的影响，随着长度的增加，高端频率有所下降，带宽有所减小。天线的输入端回波损耗随调谐支节宽度的变化曲线，如图4所示，随着调谐支节宽度的增大，阻带的中心频率逐渐减小，阻带带宽也明显加宽而对总体的工作频带几乎没有影响。这主要是因为宽度的改变并没有显著改变辐射贴片的电流流向。由此可见，可以通过优化调谐支节的长度和宽度来达到满足要求的阻带带宽范围。

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2．2 天线辐射方向图

由于超宽带通信技术的实际使用，要求天线在一个平面上具有全向的辐射特性，阻抗带宽并不一定就是方向图带宽。所以，文中对天线的辐射方向图进行了仿真分析。图5给出了天线在f1=3．92 GHz，f2=6．83 GHz，f3=9．56 GHz的E面，H面的辐射方向图。由图可以看出，由于调谐支节的加入，在高频端E面的方向图有所畸变，但在在整个工作频带内还是比较稳定的。而H面方向图在要求的3．1～10．6 GHz频段内几乎是全向性的，并且几乎没有出现旁瓣，结果表明该天线在超宽带通信的工作频带内具有较稳定的方向图。

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3 结束语

文中提出了一种新型CPW馈电，具有带阻特性的UWB天线，通过在贴片上开矩形宽缝隙，然后加入矩形调谐支节，成功抑制了与WLAN系统的电磁干扰。天线优化后的工作频带宽度为2．49～14．53 GHz，在5 GHz附近形成了4．9～5．92 GHz的阻带特性，并且在整个工作频带内具有较稳定的全向辐射方向图。天线具有平面印制结构，低剖面，尺寸小，易于与有源无源电路集成等优点，因此是一种性能较好，具有一定的使用价值的超宽带天线。

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