三維小型化圓形超寬帶天線設計*

靳松樺，王 強

（南通大學 信息科學技術學院，江蘇 南通 226000）

0 引 言

大多數天線都是工作在單一的頻率，由于空間有限，在一個小型的無線通信設備中安裝多個不同頻率的天線是很困難的。為了解決這些問題，可重構天線［1］、多頻段天線［2］、超寬帶（ultra-wideband，UWB）天線［3］等各種天線應運而生。

在這些天線中，可重構天線采用可切換技術，使天線能夠在不同頻率下工作。相比于多個單一頻率天線，可重構天線尺寸較小，擁有多個工作頻段［4］。然而，可重構天線不能在多個頻率下同時工作，應用范圍受到了限制。多頻段天線可以克服這個缺點，同時工作在多個頻段。但是多頻段天線往往只能工作在固定的幾個頻段，兼容性較差。UWB天線是一種工作頻帶非常寬的天線，尺寸較小，且可以同時接入不同的無線網絡，在無線通信設備的應用中具有更強的競爭力［5］。大多數UWB天線雖然具有很寬的工作頻段，但是在高頻段會產生電流分束現象，導致天線很難在高頻段獲得全向的輻射模式。

為了獲得更小的天線尺寸和穩定的輻射模式，提出了一種新型的三維小型化圓形UWB 天線。該天線以圓形平面UWB單極子天線為基礎，通過在圓形輻射貼片和接地面上垂直加載金屬翼，改善天線輻射能力和帶寬，實現天線的小型化和全向的輻射模式。

1 天線結構

圖1所示為設計天線的結構。設計天線的原型是一種傳統的圓形平面UWB單極子天線，如圖2所示。與以往的天線改進技術相比，一種金屬翼結構被引入天線設計中。這種金屬翼結構垂直加載在圓形輻射貼片和接地面上，構成一種三維的天線結構。對于大多數平面天線設計來說，三維的天線結構設計是相當特殊的。本文將詳細講述這種金屬翼結構在改善天線輻射性能和阻抗匹配方面的作用。

圖2 原型天線結構

為了進行對比研究，設計天線和原型天線使用相同的1.6 mm厚的FR—4襯底，相對介電常數為4.5，損耗正切為0.025。為了獲得最大的工作帶寬和最佳的輻射性能，使用仿真軟件對設計天線進行了數值優化。原型天線和設計天線的結構參數如表1和表2所示。設計天線的整體尺寸為24 mm×29 mm，原型天線為30 mm×42 mm。設計天線的尺寸比原型天線減小了約45%。此外，與原型天線相比，設計天線具有較低的低邊緣頻率，應用范圍更廣。

表1 原型天線的尺寸 mm

表2 設計天線的尺寸 mm

2 天線設計

2.1 原型天線設計

如圖2所示，本文以傳統的圓形平面UWB單極子天線作為原型天線。這類天線由于其UWB 特性和較小的尺寸，在文獻［6，7］中得到了廣泛的研究。然而，大部分同類型天線在高頻段輻射特性都會變差，很難在整個UWB 頻段保持較好的輻射性能。

如圖3 所示，為原型天線在2.4，5，9 GHz 處的輻射方向圖。由圖3 可知，原型天線在低頻段（如2.4 GHz 和5 GHz）輻射性能較好，基本保持良好的輻射特性，而在高頻段（如9 GHz）輻射性能變差，不能保持全向的輻射模式。

圖3 原型天線輻射方向

如圖4所示，為原型天線在3 GHz和9 GHz時的電流分布。通過對比可知：原型天線在3 GHz 處電流流動較為規則，而在9 GHz處電流流動不規則，存在“分束”現象。這些不規則的電流矢量空間相位不同，沿著不同方向散射。這些向不同方向散射的電流矢量嚴重阻礙了天線的對外輻射，使得原型天線在高頻段輻射性能變差。

圖4 原型天線電流分布

對于大多數無線通信設備而言，較小的天線尺寸更能滿足使用需求。根據文獻［8］研究，傳統的圓形平面UWB單極子天線的低邊緣頻率主要是由圓形輻射貼片的半徑所決定，半徑越大，低邊緣頻率越低。因此，在降低天線低邊緣頻率的同時，減小天線的尺寸是相當困難的。從圖5 中的仿真結果可以清晰地看出，隨著圓形輻射貼片半徑的減小，原型天線的低邊緣頻率不斷提高。

圖5 不同輻射貼片半徑R下原型天線的反射系數

2.2 設計天線設計

以往的研究者使用金屬刻蝕的方式，在主輻射貼片上刻蝕各種形狀的結構，來達到天線小型化的目的［9，10］。相比于傳統的小型化技術，本文使用添加金屬翼的方式來減少天線的尺寸，拓寬帶寬，并實現穩定的輻射。

圖6（a）為原型天線。本文在原型天線的圓形輻射貼片和接地面上垂直加載了金屬翼，如圖6（b）所示。金屬翼垂直加載在圓形輻射貼片和接地面上，與圓形輻射貼片協同工作。由于圖6（b）不是本文設計天線的最終結構，稱其為過渡天線。圓形平面UWB 單極子天線的低邊緣頻率主要由圓形輻射貼片的半徑決定，垂直加載金屬翼使得貼片上的電流路徑加長，間接增加了圓形輻射貼片的尺寸，可以有效降低天線的低邊緣頻率。因此，在垂直加載金屬翼的情況下，適當地減小圓形貼片的尺寸也能保持較低的低邊緣頻率。數值結果表明，如果保持低邊緣頻率基本不變的情況下，圓形輻射貼片尺寸減小了25%，天線的總尺寸也顯著減小。

圖6 天線設計過程

為了實現更好的阻抗匹配和更小的天線尺寸，設計天線在過渡天線的基礎上進行了一些改進，如圖6（c）所示。槽1是接地面邊緣的2 塊面積為1 mm ×11.5 mm 的長矩形，如圖6（c）所示。切除這2 塊長矩形后，接地面上垂直加載的金屬翼成為接地面邊緣，與介質基片邊緣之間的距離為1 mm。槽1主要是用于改善天線帶寬，降低天線的低邊緣頻率；槽2 是天線的接地面上2 個面積為0.2 mm ×1 mm的短矩形，如圖6（c）所示。槽2的存在增大圓形輻射貼片與接地面之間的間隙，改善了圓形輻射貼片與微帶線連接處電流分布，減小了不規則電流矢量對天線整體的影響，實現了更好的阻抗匹配。貼片3 是天線背面一個半徑為3 mm的圓形寄生貼片，如圖6（c）所示。貼片3 位于圓形輻射貼片與微帶線連接處的下方。貼片3主要用于改善天線在高頻段的帶寬特性，使天線在高頻段保持穩定高效的輻射模式。從圖6 中的數值結果來看，在保持低邊緣頻率基本不變的情況下，這些改進使得圓形輻射貼片面積減小了11%，天線的總尺寸減小為24 mm×29 mm。

在此設計中，垂直加載的金屬翼阻礙了電流矢量向各個方向的移動，槽2 和貼片3 改善了圓形輻射貼片與微帶線連接處的電流分布。因此，天線能在寬頻帶內保持全向的輻射性能。圖7給出了設計天線在9 GHz處4 個不同相位（0°，90°，180°，270°）下 的 電 流 分 布。對 比 圖7 與圖4（b），可以明顯觀察到：與原型天線相比，設計天線中不規則的散射電流明顯減少，多數電流矢量沿同一方向移動，電流“分束”現象得到了有效的抑制。

圖7 設計天線在9 GHz處的電流分布

對比了原型天線（R ＝8 mm）、過渡天線和設計天線的反射系數。由圖8 可知，若無金屬翼結構，原型天線（R ＝8 mm）的低邊緣頻率大約在3.25 GHz。加入金屬翼結構后，過渡天線的低邊緣頻率大約為2.39 GHz，低邊緣頻率將從3.25 GHz降低到2.39 GHz，降低了0.86 GHz。通過切除長矩形與短矩形和增添寄生貼片這些改進方式，改善了天線在高頻段的帶寬特性。由圖8 可知，設計天線在2.39 ～10.76 GHz范圍內保持較好的輻射性能。

圖8 3 種天線的反射系數

3 結果與討論

本文選取了4種UWB天線進行對比，如表3所示。由表3可知，本文設計的天線工作頻率為2.39 ～10.76 GHz，峰值增益為1.3 ～4.6 dB，整體尺寸為24 mm ×29 mm。與其他4種天線相比，本文設計的天線低邊緣頻率較低，尺寸較小，滿足WALN和UWB應用的使用需求。

表3 UWB天線對比

如圖9所示，為設計天線在2.4，5，8，10 GHz處的增益方向。這些增益方向圖使用最大增益進行了標準化處理。由圖9可知，在E面方向圖中，“8”圖形在整個帶寬中幾乎被完美地保持。在H 面方向圖中，圖形幾乎是全向的。圖9與圖3 對比發現，設計天線在WLAN 和UWB 應用頻段內幾乎保持全向的輻射模式，輻射性能良好。

圖9 設計天線的增益方向

如圖10所示，為設計天線在工作頻段內的峰值增益和輻射效率。仿真結果表明，設計天線在工作頻段2.39 ～10.76 GHz 內的峰值增益為1.3 ～4.6 dB，輻射效率大于80%，其中，超過70%的工作頻段具有良好的輻射效率。仿真數據表明，設計天線具有令人滿意的輻射能力。

圖10 設計天線的峰值增益和輻射效率

群延遲是UWB 通信的一個重要參數，它可以判斷發送脈沖的失真程度。為了實現完美的脈沖傳輸，在全頻段內群延遲應該接近一個常數。由圖11可知，本文的設計天線群延遲很小，在整個UWB 頻段的群延遲小于0.5 ns，非常適合UWB通信的應用。

圖11 設計天線的群延遲

4 結束語

利用在圓形輻射貼片和接地面上垂直加載金屬翼的方式，提出了一種工作于WLAN 和UWB 頻段的三維小型化圓形UWB天線，具有較寬的工作頻段和較小的天線尺寸。仿真結果表明：該天線尺寸減小了44 %，工作頻段為2.39 ～10.76 GHz，覆蓋WLAN和UWB頻段。此外，天線具有穩定的輻射模式和較高的輻射效率。此天線符合無線通信設備小型化和便攜化的發展趨勢，在汽車通信、礦產探測、災后搜救等領域均具有良好的應用前景。