一種小型共面波導饋電H型枝節超寬帶天線設計

與微帶傳輸線相比，共面波導傳輸線具有更低的輻射泄漏和更小的分布參數，在單片微波集成電路領域變得越來越常見。超寬帶技術具有數據傳輸率高、抑制多徑干擾能力強等諸多優點，在未來的通訊系統中是一種極具潛力的解決方案。自從2002年2月美國聯邦通信委員會(FCC)將3.1-10.6GHz頻段劃歸超寬帶(UWB)的民用頻段，UWB無線通訊系統的設計和應用便成為科學界和工程界的熱門研究課題。

高速無線通訊正朝著寬帶化和小型化方向發展，無線移動通訊設備越來越需要性能優良和尺寸較小的器件。在這樣的系統中，用來接收和發射信號的天線是一個關鍵部件。合適的天線設計在一定程度上可以降低電路設計的難度，同時改善系統性能。近些年來，小型化天線受到越來越多的關注。減小天線尺寸通常可通過使用高介電常數的材料和優化天線幾何結構來達到。在小型化天線的設計中，平面單極子天線、縫隙天線和偶極子天線等眾多結構都可以用來實現小型化的要求。本文采用共面波導饋電結構和H型枝節設計了一種新的小型化超寬帶天線，天線如圖1所示。該天線尺寸為19×24×1.6 mm3，在3.3-12.1GHz頻率范圍內，該天線的電壓駐波比小于2，具有良好的寬帶阻抗匹配特性。

圖1 天線結構圖

2 天線仿真和分析

天線結構如圖1所示，參數L0和W0分別為矩形槽的寬度和長度，d為H型枝節和饋電線之間的距離，L1和W1分別為H型枝節下端貼片的長度和寬度，L2和W2分別為H型枝節上端貼片的長度和寬度，L3和W3分別為H型枝節中間貼片的長度和寬度。L和W分別為天線的長度和寬度。本文中，選用厚度h為1.6mm、相對介電常數為4.4(FR4)的介質板。

共面波導饋電結構采用50Ω阻抗匹配，饋線寬度為2.6mm,縫隙寬度g為0.3mm。天線實物照片如圖2所示。

圖2 天線實物圖

為了評估本文所設計天線的性能，我們用HFSS 12仿真軟件對其進行仿真和分析。天線最優參數值如表1所示。

圖3為電壓駐波比(VSWR)的仿真與測量結果對比圖，從圖中可以看出，天線的阻抗帶寬為8.8 GHz(3.3-12.1 GHz)。

表1 天線最優參數表

圖3 天線電壓駐波比圖

天線在4、7、10GHz的E面和H面歸一化輻射方向圖如圖4所示。

(a)4GHz E面方向圖

(b)4GHz H面方向圖

(c)7GHz E面方向圖

(d)7GHz H面方向圖

(e)10GHz E面方向圖

(f)10GHz H面方向圖

圖4 E面(yoz平面)、H面(xoz平面)歸一化輻射方向圖

由圖4可以看出，本文所設計的天線在H面具有較好的全向特性，在H面可以實現良好的信號收發。圖5是天線增益隨頻率的變化曲線，由圖中我們可以發現，天線增益保持在3dB以上。

圖5 天線增益圖

3 結論

本文提出了一種尺寸為19×24×1.6 mm3的小尺寸共面波導超寬帶天線。測量結果表明，該天線在3.3-12.1GHz頻帶內VSWR<2。在不同頻率均表現出良好的H面全向輻射特性，同時在全頻帶內增益均可達到3dB以上。由于只使用介質板的一層，所以該天線非常適合用于集成到小型手持超寬帶系統中