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一种基于微带馈电的平面单极子超宽带天线

一种基于微带馈电的平面单极子超宽带天线

1  引言自从2002年美国联邦通信委员会 (Federal Communication Committee, FCC)开放超宽带标准以来,超宽带技术引起了人们越来越多的关注。超宽带传输具有高传输率,低辐射、低散射损耗等特点。用于脉冲辐射和接收的超宽带天线是超宽带系统的一项关键技术。所以对超宽带小型化天线的研究一直是一个热点。

过去几年的研究表明, TEM 喇叭 、贴片天线和开槽天线等可以作为超宽带天线使用,其中贴片天线有轮廓低、 重量轻、 容易集成和制造成本低等优点 ,在移动通信的应用中有潜在的优势。但是贴片天线的带宽比较窄,一些研究者已经尝试做了增进带宽的工作,电阻加载和改变天线的形状是两类成功的尝试。电阻加载会降低天线的效。有的平面单极子天线有一个较大的地板与天线臂垂直放置,这给天线的小型化设计带来了不便。共面波导馈电和开槽相结合的方法也可以增加天线的带宽。FCC批准商用的UWB 系统可以工作在 3. 1~10. 6 GHz的频带内,本文尝试通过改变振子和馈线形状来增加带宽。通过仿真结果可以看出在2.8 GHz-18.6GHz的频带内回波损耗小于-10 dB。

2  天线结构天线被设计在一块大小为25 mm × 30 mm,厚度为1.9 mm,介电常数为4.4的Rogers5880基片上。天线采用微带线馈电,辐射臂和地板分别位于基片的两侧,地板的大小为25 mm ×14 mm。为了增加天线的带宽,微带馈线被设计锥形渐变线,其长度为15 mm,输入阻抗为50Ω。在改变微带馈线形状的同时,也采用了非对称馈电的方法来增加天线的带宽,通过参数仿真,馈电点选在了天线偏左的位置。天线的具体参数值为:单位(mm)
(1) 介质基片:W=25,L=30,,H1=1.9; (2) 地板 :L1=14, H2=0.08,g=1;(3) 锥形渐变线:W1=3,W2=8,S=3.6,S-1=1.6,L3=2.5,L4=3.5,L5=9,H=0.08;(4) 辐射臂:W3=25,W4=15,r1=5,r2=5


图1  天线的结构

3  天线的仿真结果为了使所设计的天线在回波损耗小于-10 dB的频带内具有最大的增益。设计中使用了基于有限元法的仿真软件CST MWS对天线的参数进行仿真优化。仿真的最后结果如图2所示,从中可以看到在2.8 GHz -18.6 GHz的带宽内,天线的回波损耗小于-10 dB。


图2  天线的回波损耗

6GHz E 平面 (Y-Z 平面)

6GHz H 平面 (Y-X 平面)图3  (A)

9 GHz E 平面 (Y-Z 平面)

9 GHz H 平面 (Y-X 平面)图3  (B)

16 GHz E 平面 (Y-Z 平面)

16 GHz H 平面 (Y-X 平面)图3  (C)
图3  天线的辐射方向图

图4  天线的增益

图4为天线的增益对频率的变化,从图中那个可以看出在频率为2.8 GHz -18.6 GHz的范围内天线的增益为1.7 dBi 到5.05 dBi 之间。

4  不同参数与几何结构对天线的影响在天线的设计中,有些敏感的参数将会很大的影响天线的性能。为了使天线的性能达到最优,将会在仿真中对这些参数进行参数扫描。从仿真结果中可以看出参数变化对天线性能的影响,从而选择最终合适的参数。图5和图6是不同参数的变化与天线性能的关系,从图中可以看出当g=1mm,W1=4mm时天线的仿真结果最好。


图5  取不同的g时天线的回波损耗

图6  取不同的w1时天线的回波损耗

为了减小天线的反射损耗,对天线的直角进行了导圆角。使天线的反射减小,从而也在一定程度上优化了天线的性能。图8为导圆角前后天线的仿真结果,从图中可以看出,导圆角后天线的回波损耗有所减小。


图7  两种不同形状的天线

图8  两种不同天线的回波损耗

5  结论本文所设计的平面单极子超宽带天线基于微带馈电,具有较宽的带宽。通过锥形渐变馈线和不对称馈电增加了天线的带宽,使天线的回波损耗在2.8 GHz -18.6 GHz的带宽内小于-10dB。同时天线的结构简单、紧凑,易于加工,所以该天线完全符合小型化超宽带天线的设计标准。
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