一種改進的杠鈴形超寬帶天線

摘要：為了優化超寬帶天線的阻抗帶寬，提出了一種改進的杠鈴形超寬帶天線，通過增加階梯形缺口及采用部分接地面從而改善超寬帶阻抗匹配。測量結果表明，天線的輸入阻抗帶寬達74．7％(3．45～7．56 GHz)，同時數值仿真表明在y-z和x-z平面方向圖呈對稱分布。
關鍵詞：超寬帶天線；杠鈴形天線；部分接地面；數值仿真；方向圖

0 引言
超寬帶(UWB)技術作為一種無線通信技術，在短距離室內高速無線通信方面也受到人們越來越多的關注。根據FCC規定，將3．1～10．6 GHz之間的7．5 GHz頻段分配給超寬帶通信業務使用。在超寬帶系統中，超寬帶天線是關鍵部件，因此，相當多的研究者致力于超寬帶天線的發展，以實現高的數據傳輸速率、低功耗、簡單的硬件結構，如射頻識別、傳感器網絡、雷達、定位跟蹤等。
近來許多研究集中在分形天線，分形天線的優點如尺寸小、重量輕、厚度薄正好滿足手持設備的要求，采用分形概念是天線原理與設計很有前景的研究方向之一，許多研究者對分形天線做出了積極的研究，如帶有分形雙枝樹縫隙的雙波段開槽共面波導饋電天線，采用分形概念的樹形超寬帶天線和超寬帶杠鈴形天線，Sierpinski分形天線和snowflake分形天線等。這些天線通過采用不同結構的分形特性，能得到更好的阻抗匹配帶寬和輻射方向圖。
本文在超寬帶杠鈴形天線基礎上，提出了一種改進措施，從而獲得更好的阻抗帶寬，天線采用部分接地技術和分形概念。

1 天線結構設計
杠鈴形及改進的杠鈴形超寬帶天線結構如圖1和圖2所示，圖中給出了天線的頂視和側視圖，輻射單元長度為Wo，寬度為Lo，饋線寬度Wf，長度為Lf，輻射單元蝕刻在FR4基板上(厚度h=1.5mm，εr=4.4)，基板尺寸為Lsub×Wsub，天線背面有部分接地面，尺寸為Lg×Wsub。改進的杠鈴形超寬帶天線是在圖1結構基礎上蝕刻出臺階形缺口，對應缺口的尺寸為W1，W2，…，W5和L1，L2，…，L5，天線輻射單元位于x-y平面，輻射單元厚度方向對應x-z平面。

2 天線仿真
按照圖1和圖2尺寸采用HFSS 10．0進行了仿真，回波損耗仿真結果如圖3所示。可以看出圖2的回波損耗低于圖1，圖2天線回波損耗小于-10 dB帶寬為72．6％(3．48～7．45 GHz)；按照圖2結構加工出改進的杠鈴形超寬帶天線，饋電采用50 Ω同軸側饋，回波損耗實測結果如圖3所示，回波損耗小于-10 dB，帶寬為74．7％(3．45～7．56 GHz)。