《電子技術應用》
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改進的杠鈴形超寬帶天線
摘要: 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。
Abstract:
Key words :

 

  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。

  

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關鍵字:杠鈴形 超寬帶天線

 

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)。

  圖4和圖5分別為圖1,圖2結構時天線在x-z,y-z平面方向圖(對應頻率4 GHz,5 GHz和6 GHz),可以看出兩種結構的天線Eθ基本重合,而Eφ的大小在-20~-15 dB以下,從圖中可看出兩種結構天線方向圖基本一致。

  

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  從圖4和圖5方向圖可以看出,在z軸(θ=0°)和-z軸(θ=180°)近似為零點,而最大輻射方向不在θ=90°方向。

  

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  圖6為對應頻率f=4 GHz,6 GHz時的三維方向圖及加工的實物照片,頻率為5 GHz及4 GHz時方向圖相似,頻率為4 GHz時,增益為3.47 dB,頻率為6 GHz時,增益為3.15 dB。

  3 結論

  提出了一種改進的杠鈴形超寬帶天線,通過在杠鈴形天線上增加階梯形缺口,使天線回波損耗更小,而天線方向圖與原杠鈴形天線基本一致,實測結果表明,改進的杠鈴形超寬帶天線回波損耗小于-10 dB,帶寬達74.7%(3.45~7.56 GHz)。

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