一種小型化超寬帶共面波導饋電蘑菇形單極子天線

摘要：提出一種簡單的尺寸為23 mmx25 mmx1 mm小型化超寬帶共面波導饋電單板子天線，它由梯形槽口接地板、蘑菇形輻射貼片和RF4介質板構成。詳細討論了梯形槽口結構和矩形漸變結構對阻抗特性的影響，分析了天線的輻射特性和增益特性，獲得該天線的回波損耗小于-10 dB的帶寬為3～13 GHz，在3～11 GHz頻段內具有全向性，增益變化范圍是2．2～5 dB。
關鍵詞：小型化；超寬帶；共面波導；蘑菇形天線

0 引言
2002年，美聯邦通信委員會(FCC)通過決議，將3．1～10．6 GHz作為超寬帶系統的工作頻譜范圍，并允許將其應用于一些民用無線通信領域。近幾年來，無線通信技術得到了迅速發展，無線通信系統也對天線的結構和性能提出了更高的要求。因此易于和通信設備集成的共面波導饋電的單極子天線得到了廣泛關注，而小型化超寬帶天線更以其低剖面、低功耗、寬頻帶和結構簡單等優點成為研究的重要對象。目前，國內外專家學者已經研究出了不少超寬帶天線，文獻提出了一種新型的平面印制單極子天線，此天線結構簡單，全向性較好，但并沒有達到超寬帶低頻的要求。文獻的超寬帶天線均采用共面波導饋電方式和寬縫隙結構，通過輻射貼片與寬縫隙之間的耦合形成了超寬帶的性能。不足的是其尺寸較大或增益較小。文獻中提出采用微帶線結構的超寬帶天線，在保證良好阻抗匹配的同時也存在著尺寸較大等問題，在某些無線移動通信設備應用中存在著一定程度上的局限性。
本文提出一種采用共面波導饋電的蘑菇形輻射貼片與梯形槽口組合而成的超寬帶單極子天線。使用仿真軟件分析了該天線結構中的一些參數對天線阻抗特性的影響，并分析了天線的輻射特性及增益特性。

1 天線結構
天線結構如圖1所示，圖1(a)為俯視圖，圖1(b)為側視圖。半徑為R的半圓形輻射貼片下方加載兩個適當尺寸的矩形帶狀貼片，形成類蘑菇形結構。梯形槽口的接地板和蘑菇形貼片印制在FR4基板的同一側，基板相對介電常數為4．4，尺寸W=23 mm，L=25 mm，h=1 mm。為了獲得更好的阻抗匹配，采用漸變共面波導結構，中間饋線寬度Wg=2．4 mm。部分天線尺寸如下：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 仿真分析與結果
為了獲得更好的阻抗特性和輻射特性，這里討論了槽口結構和矩形漸變結構尺寸對天線性能的影響。分析某一參數的影響時，其他參數保持不變。

2．1 參數分析
該天線通過對接地板開梯形槽，并通過加載矩形帶狀貼片作為漸變結構來調整和改善天線的輸入阻抗，因此接地板的槽口結構及輻射貼片的漸變結構對該天線的性能影響較大。下面將主要通過仿真分析s，W2，L3，W4等參數對天線阻抗帶寬的影響，仿真結果如圖2～圖5所示。
從圖2可以看出參數s主要影響阻抗帶寬的低頻段和高頻段。s值的大小代表共面波導結構的漸變程度，當參數s逐漸增加時，低頻段回波損耗減小，低頻段帶寬得到擴展，但高頻段回波損耗增大，當s=0．7 mm，13 GHz頻點處S11參數已經不能滿足小于-10 dB的要求。