謝澤會,任景英,郝雙洋,趙紅梅
(1.鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院,河南 鄭州 450002;2.中國聯(lián)通河南省分公司,河南 鄭州 450045)
責任編輯:薛 京
自2002年2月FCC在02-48號報告及規(guī)則中批準了UWB(3.1~10.6 GHz)頻段用于民用,從此對UWB天線的研究飛速發(fā)展。UWB貼片天線如微帶天線、槽線天線等具有結構平面化、易于小型化、便于集成等優(yōu)點,非常適用于便攜通信。但槽線天線屬于行波天線,其設計較為困難,與槽線相比,微帶天線適于PCB電路集成。從現(xiàn)有的文獻資料看,目前對UWB天線的研究主要朝著高性能、小型化、平面化及具有線性相位方向發(fā)展[1-2]。
平面單極天線除具有微帶天線的大多數(shù)優(yōu)點外,同時還克服了其大部分缺點,如平面單極天線的帶寬較寬、性能受介質基片材料的影響較小等,把平面單極天線應用于UWB通信中是最近幾年的研究熱點。目前市場上已有不少天線產(chǎn)品,但大多數(shù)產(chǎn)品還是傳統(tǒng)的UWB天線,如喇叭天線、雙錐天線、螺旋天線等。針對3.1~10.6 GHz的小型化UWB天線產(chǎn)品還比較少,國外生產(chǎn)的小尺寸天線主要通過采用具有高介電常數(shù)的陶瓷介質,尺寸能達到10 mm×10 mm×1 mm。國內目前針對UWB天線的研制都還是實驗室產(chǎn)品,文獻[3]采用單極天線模型,但把地板和輻射體共面設計成平面結構,該天線具有超過3.7∶1的工作帶寬及良好的方向圖特性,由于采用矩形輻射片,天線體積較大,尺寸為42 mm×39 mm。文獻[4]采用圓盤單極天線的模型,在1~20 GHz的頻率范圍內反射損耗的測量與仿真結果都大致能保證在-10 dB以下。但天線采用的是立體結構,天線尺寸為16.4 mm×23 mm,不便于集成。文獻[5]中輻射體采用半圓單極子和一個等腰三角形的組合,且在半圓上開孔,使天線的阻抗特性得以改善。但天線僅在1.2~3.5 GHz頻率范圍內VSWR<2(S11<-10 dB),具有超寬帶的工作特性。綜上國內研究的天線仍然體積較大或帶寬較窄,與國外還有一定的差距,因此超寬帶天線的小型化具有重要的研究價值。
本文在平面圓盤單極天線的模型基礎上,提出在圓盤輻射體上開圓形槽,同時采用L形接地板結構設計平面單極超寬帶天線。通過Ansoft HFSS11仿真表明,天線在3~15 GHz內S11<-10 dB,滿足超寬帶的要求;重要的天線尺寸僅為20 mm×20 mm×1.6 mm,實現(xiàn)了小型化,天線采用微帶饋電,結構簡單、便于集成。
橢圓盤狀單極天線是超寬帶片狀天線的基礎,通過調節(jié)橢圓的長軸及短軸尺寸可調節(jié)天線的下限諧振頻率。
圓盤狀單極子天線與平面圓形天線有相似的結構,并且能提供多種諧振模式,其中波長滿足2R=nλn/4=λ1/4(n為諧振模的階數(shù),λ1為基模波長)的高階模,由于空間間隔近所造成的重疊實現(xiàn)了UWB特性。這些單極子天線所實現(xiàn)帶寬的最低邊界頻率近似由式(1)決定,即
理論上可以采用近似等效的思想,認為平面圓形的面積πR2等于由高度為l、半徑為a的經(jīng)圓柱r決定的面積[6]。而產(chǎn)生實際輸入阻抗的單極子長度為
式中,c為光速。如果再考慮介質材料的影響,對于最低諧振頻率更合適
由于平面單極子天線受介質的影響比較小,而表面開槽即曲流技術能引導貼片中的電流改變方向,從而增大電流路徑的有效路徑。為了實現(xiàn)天線的小型化[9],本設計取3.2~10.7 GHz中間的點作為最低諧振頻率,然后通過表面開槽及調整介質厚度的方法來展寬帶寬。
理論上圓盤輻射體半徑R=5 mm時,最低諧振頻率fL=6.4 GHz,但由于介質材料等效的k因子的影響,最低諧振頻率下降為4.3 GHz。
根據(jù)微帶天線的設計理論,結合工程實際選取介質:相對介電常數(shù)為3.02、大小為20 mm×20 mm×1.6 mm的羅杰斯R3003基板,介質基板雙面覆銅,介質敷銅板替代金屬面板作為輻射單元的材料,相當于在輻射面與饋源之間引入了一個等效電抗,這在一定程度上改善了天線的阻抗匹配性能,天線的輻射體制成圓盤形狀,同時為了減小尺寸,在圓盤上開圓形槽,兩個圓心之間的距離為d。
天線的結構如圖1所示。接地板采用缺陷結構,制作成反L形,目的是可以改變微帶天線的輻射及阻抗特性[10]。
改變接地板的形狀可以更好地實現(xiàn)與輻射體的阻抗匹配,從而展寬天線的阻抗帶寬。
圖1 天線結構俯視圖
取圓盤輻射體半徑R=5 mm,完整正方形接地銅板的大小為20 mm×20 mm,在接地板上挖去合適大小的正方形變成反L形接地板,設挖去的小正方形的邊長為L。
L形接地板面積的變化對天線性能的影響如圖2所示。從圖2中可以看出,L=0,即地板不開槽時嚴重失諧,隨著L的增大天線趨于諧振,當L=10 mm時,天線已經(jīng)諧振,但阻抗帶寬極窄,不能滿足超寬帶要求。隨著槽寬的增加,諧振頻率點增多,帶寬增加,當L=17 mm時天線達到了較好的阻抗匹配,諧振頻率點分別為4.3 GHz,7.8 GHz及13 GHz,且在3 ~15 GHz內均有S11< -10 dB。繼續(xù)增大L的寬度會發(fā)現(xiàn)天線低頻端點及高頻端點均會上移或下移,導致頻帶變窄,綜合考慮取L=17 mm。
圖2 L形接地板面積變化對天線性能影響
輻射貼片半徑R的變化不僅會影響最低截止頻率,而且會影響阻抗帶寬內的回波損耗。當R=5 mm時,對應的阻抗帶寬為3~15 GHz。進一步增大或減小R發(fā)現(xiàn),高頻端的諧振頻率點開始上移,但阻抗帶寬變化范圍不明顯,低頻段諧振特性變差,從天線小型化趨勢及諧振特性方面考慮,取R=5 mm。
為了研究輻射體開槽是否能展寬帶寬,對圓盤輻射體開圓形槽并逐漸增大內槽的半徑r,兩個圓心間距保持1 mm不變。圖3是r改變時天線的S11特性曲線??梢钥闯鲭S著r的變化,天線諧振特性波動不大,但r過大或過小均會出現(xiàn)帶阻現(xiàn)象,因此r不能過大,取r=2.2 mm。
圖3 內圓槽r變化時的S11曲線
圖4 天線方向圖特性
綜上,當L=17 mm,R=5 mm,r=2.2 mm 時,該天線能實現(xiàn)較好的帶寬和小于-10 dB的回波損耗,且此時天線的體積只有20 mm×20 mm×1.6 mm,小于同類其他天線的體積,符合小型化及微型化的需求。
天線的輻射特性是衡量超寬帶天線性能好壞的重要參考方向。從圖4可以看出,該天線在整個頻段具有全向性,尤其在4.3 GHz時,H面增益不圓度小于 ±0.5%,且每個諧振頻率點增益平坦性較好,只是高頻時部分方向增益有所下降。
在具有較低介電數(shù)基板上同時采用缺陷接地板及輻射單元結構,設計出一款小型化超寬帶。該天線諧振匹配性能良好,阻抗匹配帶寬為5∶1,結構簡單,有良好的應用前景。
[1]鐘順時.天線理論與技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.
[2]阮成禮.超寬帶天線理論與技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2006.
[3]程勇,呂文俊,程崇虎.一種小型平面超寬帶天線的設計與研究[J].電波科學學報,2006,21(4):582-586.
[4]鐘玲玲,邱景輝,孫博.超寬帶圓片天線的分析與設計[J].宇航學報,2008,29(4):1387-1392.
[5]瞿榮,張弘,何培宇.一種新型超寬帶平面單極子天線的設計[J].四川大學學報:自然科學版,2008,45(3):553-557.
[6]AGRAWALL N P,KUMAR G,RAY K P.Wide-band planar monopole antennas[J].IEEE Trans.Antennas and Propagation,1998,46(2):294-295.
[7]BALANIS C A.Antenna theroy:analysis and design[M].New York:Harper and Row,1982.
[8]RAY K P.Design aspects of printed monopole antennas for ultra-wide band applications[J].Intemational Journal of Antennas and ProPagation,2008:1-8.
[9]陳瑾,傅光.開槽結構橢圓超寬帶平面天線設計與研究[J].微波學報,2010,26(2):11-14.
[10]張洪波,龔書喜.雙H形槽減縮微帶天線RCS[J].空間電子技術,2006,3(1):37-39.