小型共面波导馈电超宽带天线设计

1 引言

自从2002年2月美国联邦通信委员会（FCC）将3.1-10.6GHz频段划归超宽带（UWB）的民用频段，UWB无线通信系统的设计和应用便成为了无线通信领域激烈竞争的焦点。作为超宽带系统的重要组成部分，超宽带天线的设计也成为了科学界和工程界的热门研究课题。与以往的天线设计要求相比，UWB通信系统不仅要求天线具有很小的体积、较宽的带宽、一定的辐射效率和全向辐射特性，还要具备较好的脉冲信号保真度。

近年来已经有许多各种各样的UWB天线相继被提出。虽然这些天线具有较大的阻抗带宽和良好的辐射方向图，但是尺寸大部分都比较大，难于制造并与射频前端集成。因此，小型UWB 天线设计成为近年来实验研究的一大热点。现有的大部分平面超宽带天线尺寸一般介于25x25 mm²至40x50 mm²之间，也有尺寸大小为18x30 mm²的超宽带天线被提出，但是很少能有尺寸更小的超宽带天线，特别是共面波导馈电类超宽带天线。前段时间有一个尺寸仅为11x30 mm²的超宽带天线被提出，但其-10 dB阻抗带宽仅为3.1-4.8 GHz。

本文提出的小型超宽带天线尺寸仅为13x30x1.6 mm³，而且天线与地板在介质板的同一层，易于加工并与射频电路集成。尽管尺寸很小，但是在3.1-10.6 GHz内该天线仍然满足VSWR 2，具有良好的宽带阻抗匹配特性。该天线的H面方向图在低频时是全向的，随着频率的增加，全向性有一定的恶化，但仍然是接近全向的。由于尺寸太小，所以天线的增益较小，这对于应用于短距通信（小于10米）影响不大。所以该天线非常适用于小型超宽带系统，特别是手持超宽带系统的使用。

2 天线设计

本文提出的小型共面波导馈电超宽带天线结构如图1所示，天线的平面尺寸为LxW =13x30 mm²。其主要辐射单元是一个不对称且不规则的金属片，通过在一个两端不规则切角矩形片的一端开槽，再在该槽右端附加一条L形的金属带，从而实现延长电流路径的目的。共面波导传输线具有50om的特性阻抗，宽度为L₁= 4 mm,与地板之间的间隔为g=0.5 mm。该传输线的长度仅有W₉=6 mm。地板是由传输线两端的两条相同的经过折叠弯曲后的窄金属带组成的。靠近馈线与天线的连接处的地板各切去了一个1x1mm的三角形，以此来实现更好的阻抗匹配。该天线被印制在相对介电常数为er=4.4，厚度为h=1.6 mm的FR4介质板的同一侧。这种共面结构容易加工与集成，成本低廉，且与射频电路之间的影响很小。天线的各个参数是通过使用Ansoft公司的HFSS软件仿真优化的结果，最优的结果为：L=30 mm, W=13 mm, L₁=4 mm, L₂=2.5 mm, L₃=3 mm, L₄=5 mm, L₅=1 mm, L₆=7 mm, L₇=1.5 mm, L₈=4.8 mm, L₉=10 mm, L₁₀=22.7 mm, W₁=3 mm, W₂=6.1 mm, W₃=3 mm, W₄=2 mm, W₅=1 mm, W₆=5.8 mm, W₇=1 mm, W₈=1 mm, W₉=6 mm, g=0.5 mm, h=1.6mm, L_slot=4 mm, W_slot=0.5 mm。天线的实物照片如图2所示。

图1 天线结构图

图2 天线实物图

3 结果与讨论

天线的测量使用了安捷伦公司的矢量网络分析仪，型号为N5230A。图3为电压驻波比（VSWR）的测量与仿真结果对比图，这两个结果吻合的很好，高频部分的不吻合是由于SMA头的影响造成的。很明显，仿真结果和测量结果的第一个谐振频率均在3.3 GHz左右，表明我们期望的通过延长电流路径来减小第一谐振频率的目的得到实现。图4是天线在不同频率的仿真电流路径图。在3GHz时，天线上的大部分电流都是流向了右端的附加臂上，左边只有少量的电流分布，天线开槽的附近也分布了大量电流，而地板上的电流大部分都分布在右边的地板上，左边地板除了底部位置几乎没有多少电流分布。这与我们期望的通过在天线一端开槽并附加一个L形导体带来延长低频时的电流路径吻合。实现了在不增加天线整体尺寸的条件下，将天线的第一个谐振频率降低至接近3.1 GHz的目的。随着频率的增加，天线左部和左边地板的电流逐渐增加，同时天线右端臂上和右边地板的电流逐渐减少。如图3（c）示，当频率为10 GHz时，天线上的大部分电流均分布在天线左部，右部只有开槽处有较多的电流分布。地板上也是如此，大部分电流均分布在左边地板上，右边地板仅有少量电流分布。值得注意的是，沿天线开槽处的电流分布并不随着频率的增加发生很大的变化，一直都较多。可见该槽对小型化超宽带天线的实现有很重要的作用。

图3 天线电压驻波比图

（a）3GHz

（b）5GHz

（c）7GHz

（d）10GHz

图4 天线电流分布图

（a）3.1 GHz

（b）6.0 GHz

（c）9.0GHz

图5 归一化H面（XOZ面）辐射方向图

图6 天线增益图

图5为天线在3.1，6.0和9.0GHz三个频点的实测与仿真的归一化H面（XOZ面）辐射方向图。由图可知，天线具有较好的全向性。随着频率的增加，天线全向性有一定的恶化，但仍然是接近全向的，表明天线可以收发各个方向的信号。图6是天线随频率变化的增益图。由图中我们可以发现，天线的增益并不随着频率的增加稳定波动。特别是在低频的时候，天线的增益很小,在3G时增益仅为-1dB。随着频率的增加，天线的增益有较大的提高。由于尺寸很小，且具有很宽的阻抗匹配带宽，所以该天线很适合使用在一些小型手持UWB设备上，尤其是短距离的通信（小于10米）。

4 结论

本文提出了一种尺寸为13x30mm²的小尺寸共面波导馈电超宽带天线。仿真与测量结果表明，该天线实现了在3.1-10.6GHz频段内VSWR2的宽带阻抗匹配，而且在不同频率均表现出良好的全向辐射特性。由于该天线尺寸非常小，结构紧凑，而且只占用了介质板的一层，所以该天线非常适用于集成到小型手持超宽带系统中，具有非常广泛的应用前景。