一种小型化超宽带共面波导馈电蘑菇形单极子天线

摘要：提出一种简单的尺寸为23 mmx25 mmx1 mm小型化超宽带共面波导馈电单板子天线，它由梯形槽口接地板、蘑菇形辐射贴片和RF4介质板构成。详细讨论了梯形槽口结构和矩形渐变结构对阻抗特性的影响，分析了天线的辐射特性和增益特性，获得该天线的回波损耗小于-10 dB的带宽为3～13 GHz，在3～11 GHz频段内具有全向性，增益变化范围是2．2～5 dB。
关键词：小型化；超宽带；共面波导；蘑菇形天线

0 引言
2002年，美联邦通信委员会(FCC)通过决议，将3．1～10．6 GHz作为超宽带系统的工作频谱范围，并允许将其应用于一些民用无线通信领域。近几年来，无线通信技术得到了迅速发展，无线通信系统也对天线的结构和性能提出了更高的要求。因此易于和通信设备集成的共面波导馈电的单极子天线得到了广泛关注，而小型化超宽带天线更以其低剖面、低功耗、宽频带和结构简单等优点成为研究的重要对象。目前，国内外专家学者已经研究出了不少超宽带天线，文献提出了一种新型的平面印制单极子天线，此天线结构简单，全向性较好，但并没有达到超宽带低频的要求。文献的超宽带天线均采用共面波导馈电方式和宽缝隙结构，通过辐射贴片与宽缝隙之间的耦合形成了超宽带的性能。不足的是其尺寸较大或增益较小。文献中提出采用微带线结构的超宽带天线，在保证良好阻抗匹配的同时也存在着尺寸较大等问题，在某些无线移动通信设备应用中存在着一定程度上的局限性。
本文提出一种采用共面波导馈电的蘑菇形辐射贴片与梯形槽口组合而成的超宽带单极子天线。使用仿真软件分析了该天线结构中的一些参数对天线阻抗特性的影响，并分析了天线的辐射特性及增益特性。

1 天线结构
天线结构如图1所示，图1(a)为俯视图，图1(b)为侧视图。半径为R的半圆形辐射贴片下方加载两个适当尺寸的矩形带状贴片，形成类蘑菇形结构。梯形槽口的接地板和蘑菇形贴片印制在FR4基板的同一侧，基板相对介电常数为4．4，尺寸W=23 mm，L=25 mm，h=1 mm。为了获得更好的阻抗匹配，采用渐变共面波导结构，中间馈线宽度Wg=2．4 mm。部分天线尺寸如下：g=0．5 mm，L1=5 mm，L2=14．5 mm，L4=1 mm，L5=1 mm，W1=9．8 mm，W3=17 mm，W5=1．7 mm，R=4．2 mm。

2 仿真分析与结果
为了获得更好的阻抗特性和辐射特性，这里讨论了槽口结构和矩形渐变结构尺寸对天线性能的影响。分析某一参数的影响时，其他参数保持不变。

2．1 参数分析
该天线通过对接地板开梯形槽，并通过加载矩形带状贴片作为渐变结构来调整和改善天线的输入阻抗，因此接地板的槽口结构及辐射贴片的渐变结构对该天线的性能影响较大。下面将主要通过仿真分析s，W2，L3，W4等参数对天线阻抗带宽的影响，仿真结果如图2～图5所示。
从图2可以看出参数s主要影响阻抗带宽的低频段和高频段。s值的大小代表共面波导结构的渐变程度，当参数s逐渐增加时，低频段回波损耗减小，低频段带宽得到扩展，但高频段回波损耗增大，当s=0．7 mm，13 GHz频点处S11参数已经不能满足小于-10 dB的要求。