一种超宽带贴片天线的设计与研究

　　摘要：随着无线通信和雷达系统的不断完善发展，对天线性能提出了体积小、重量轻、制作简单和宽频带等特性要求，超宽带天线技术应运而生。通过介绍超宽带贴片天线的技术特性、研究现状及趋势，提出了一种特有的超宽带贴片天线设计方案。简要介绍了Ansoft HFSS仿真软件，且用其对回波损耗和远场辐射图进行仿真及优化设计，使得设计的天线的带宽大致在1.50~11.50GHz范围内，且在WLAN频段达到了良好的陷波特性，有效地抑制了超宽带通信与窄带通信之间的潜在干扰，实验结果表明该设计满足了超宽带的频带要求。

　　引言

　　随着当前通信技术的不断演进，频谱效率、速率越来越高，带宽也不断增宽。无线通信网络综合一体化是一个趋势，各种无线技术都将在这一体化的网络中发挥自己的作用。从移动通信来看，3G乃至4G技术将成为主导，从而形成对全球的广泛无缝覆盖;而WLAN、WiMAX、UWB等宽带接入技术，将因其各自不同的技术特点，在不同覆盖范围或应用区域内，移动通信网络形成有效互补。本文对超带宽(UVB)贴片天线技术做了一个系统的阐述，并对贴片天线做了新的设计方案，通过HFSS 12.0进行了系统仿真的优化，并最终达到设计要求。

　　超宽带天线技术简介

　　超宽带天线(UWB)技术是一种新型无线通信技术。它有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低等优点。重量轻，体积小，制作简单且宽频带。从2002年美国FCC允许将超宽带技术应用于民用通信领域以来^[1]，迅速发展为未来短距高速商用无线通信系统实现的有力竞争方案。

　　UWB天线覆盖非常宽的频率范围，多用于移动设备，所处位置不固定，摆放角度随机，因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脉冲编码，需要有较好的时域特性，也要求其具有非色散特性，即平坦的幅频响应和在带宽内的线性相位。因FCC建议的3.1~10.6GHz频段与WLAN有冲突，研究热点集中在具有带阻功能的UWB天线，很多人提出了采用了寄生耦合，对接地面处理、分形等技术的具有滤波器功能的新型设计。

　　HFSS简介和设计流程^[2]

　　HFSS简介

　　HFSS是美国Ansoft公司开发的基于电磁场有限元法分析微波工程问题的全波三维电磁仿真软件。广泛应用于航空、电子、通信等多个领域，有精确的场仿真器，强大的电性能分析能力和后处理功能，可用于分析、计算并显示S、Y、Z等参数矩阵，电压驻波比(VSWR)，端口阻抗和电流分布，天线辐射方向图和各种天线参数如增益、方向性、波数宽度等。借助HFSS，能有效降低设计成本，缩短设计周期，为设计实物天线做出理论和现实保障。

　　HFSS设计流程

　　HFSS进行电磁分析和高频器件设计的简要流程如图1所示，设计时选择模式驱动求解。根据天线初始尺寸和结构，在HFSS模型窗口中创建天线的HFSS参数化设计模型。设计中，与背景相接触的表面默认设置为理想边界，为模拟无限大的自由空间，该表面也设置为辐射边界条件或理想匹配层边界条件，这样HFSS才会计算天线的远区域辐射场。由于天线必须通过传输线或者波导传输信号，其与传输线或者波导的连接处即为馈电面。天线设计中馈电面的激励方式主要有两种，分别是波端口激励和集总端口激励，与背景相接触馈电面的激励方式使用波端口激励。设置求解参数时要设定求解频率和扫频参数，而求解频率通常设定为天线的中心工作频率。

　　上述操作完成，即可执行求解分析操作命令来仿真计算。经分析结果收敛，说明设置的参数达到精度要求。求解分析完成后，在数据后处理部分可查看HFSS分析出的天线的各项性能参数，如回波损耗(S11)，电压驻波比(VSWR)、输入阻抗、天线远场辐射图、轴比和电流分布等。此时仿真计算的

　　天线性能满足设计要求，接着着手天线的制作和调试工作。

　　超宽带贴片天线的设计与优化

　　超宽带贴片天线

　　UWB通信系统采用FCC开放的3.1~10.6GHz频段，有目前商业通信系统中最大的7.5GHz的带宽分配，也就决定了UWB信号的宽带特殊性。贴片天线因为满足了重量轻、体积小、制作简单、易共形和宽频带等特性要求而深受关注，近年来的应用也越来越广泛。本文致力于研究超宽带贴片天线的设计工作。贴片天线常用在高频的工作状态，有全方向辐射的优点，它的类型有多种多样，由圆形、椭圆、方形演化的居多，本文综合以往成果，结合学习经验设计了一种别样的贴片模型。