新型超寬帶微帶天線設計

周艷秋 賈方

摘要：超寬帶天線作為UWB通信系統的重要部件，其性能直接影響系統的通信質量，本文利用仿真軟件設計了一種新型UWB微帶天線，采用獨特的接地板W型漸變結構，該結構可以在較寬的頻帶內保證天線獲得良好的阻抗匹配。通過對所設計天線的仿真優化，使得微帶天線在2GHz—12GHz的寬頻帶范圍內回波損耗S11≤-10dB，輻射方向圖良好，該天線體積小易于共性，可以滿足UWB通信系統的要求。

關鍵詞：超寬帶；微帶天線；回波損耗

1 概述

超寬帶通信是指利用信號帶寬超過中心頻點的20%UWB信號進行通信，對于要求高傳輸速率、低功率和低損耗的小范圍無線通信系統而言，UWB通信系統是較好的通信選擇[1]。超寬帶通信系統對于天線的要求較高，不但有傳統天線的體積小，帶寬寬的性能要求，同時要求在UWB的通信頻帶范圍內具有穩定良好的阻抗匹配特性，穩定的回波損耗和全向輻射特性。微帶天線結構簡單而且制作成本較低，同時制作誤差要求也較低，并且在制作與使用中可以與物體實現共形，比如可以安裝在穿戴物體或是飛行物體的表面，在達到隱蔽性的同時又不影響物體的運動感，獨特的優勢使得它成為作為國內外天線研究領域的熱點，目前，微帶天線在軍事裝備和民用設備上已獲得廣泛應用，特別是衛星通信、無人機通信和雷達遙感等領域。近年來研究人員對微帶天線進行了非常多的研究，通過實驗方法或是仿真軟件等，改變天線的結構或是改變縫隙的形狀[2]，以及改變天線的饋電方式，以其得到良好的輻射特性和阻抗特性。

2 微帶天線設計

UWB天線的介質基板材料為FR4，相對介電常數4.4，損耗角正切為0.02，長方體基板的整體尺寸為W×L×h=34×25×1.5mm3，UWB平面天線結構如圖1所示，天線輻射單元采用長方形與Y型相結合，輻射貼片的Y型結構可以為天線在工作頻帶范圍內提供良好的阻抗匹配。阻抗為50Ω的微帶饋電線尺寸為12.5×2.5 mm2，矩形輻射單元的前端由于表面電流分布較少而被切掉，并不會對天線的整體特性產生很大的影響[3]。

從圖中可以看出，介質基板背面的接地板進行了部分尺寸的切除，切除部分采用正方形與三角形相結合的結構，適當的結構調整可以適當提高設計天線的阻抗帶寬，特別是接地板背面的刻痕產生的容性阻抗可以抵消輻射貼片本身的感性阻抗，使得天線產生純電阻的輸入阻抗，接地板作為阻抗匹配單元在很寬的頻帶范圍內與輻射貼片匹配[4]。

3 仿真優化

仿真實驗主要是對天線的重要參數進行了優化設計，確定UWB微帶天線最優化結構，其中P=10.6mm，D=12.5mm，輻射貼片的前端缺失尺寸為5mm×1mm，對優化結構后的微帶印刷天線進行仿真，得到回波損耗曲線如圖 2所示，所設計的天線在整個頻帶內阻抗匹配特性良好，S11≤-10dB，尤其是在天線的諧振頻點5.6GHz可實現S11≤-22dB，另一諧振點10.2GHz為最小值S11≤-40dB。

圖3為所設計的UWB微帶天線在第一諧振頻點5.6GHz出的H面和E面方向圖，通過該圖可以分析設計天線在相應頻帶范圍內的輻射特性，從圖中可以看出在5.6GHz處，天線E面方向圖為類似啞鈴結構，H面的方向圖接近全向輻射特性，微帶天線的仿真增益可達到3dB，滿足超寬帶通信對天線輻射特性的要求。

4 小結

超寬帶通信作為無線通信領域的新興技術，其天線性能是整個通信系統的重要性能指標，小型化、高性能的微帶天線是UWB通信的良好選擇。本文研究設計了一種性能良好的新型UWB微帶天線，對其結構進行了優化設計，天線的回波損耗在2GHz—12GHz的頻帶范圍中低于-10dB，其中在10.2GHz處達到最小值-45dB，H面與E面方向圖良好。該天線體積較小，制作簡單，同時阻抗特性和輻射特定可以滿足超寬帶通信對于天線設計的要求。

參考文獻：

[1] Andrea Sani，Akram Alomainy. Experimental Characterization of UWB On-Body Radio Channel in Indoor Environment Considering Different Antennas [J].IEEE Transactions on antennas and propagation，2010，58：238-241.

[2] Mohammad Mehdi，Samadi Taheri.UWB Printed Slot Antenna With Bluetooth and Dual Notch Bands [J]. IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2011，10：255-257.

[3] Yang Y Y，Zheng Z A，Chu Q X. A Compact Ultra-wideband Antenna Design Based on The Current Distribution [J]. Microwave and Optical Technology Letters，2009，51（11）：2601-2603.

[4] F. Amini，M N Azarmanesh. Small Semi-circle-like Slot Antenna for Ultra-wideband Applications [J]. Progress in Electromagnetics Research C，2010，13，149-158.

基金項目：

武警部隊基礎研究基金項目（WJJC2017-304）

作者簡介：

周艷秋（1984-），女，黑龍江通河人，工學碩士。