0 引言
2002年，美聯(lián)邦通信委員會(FCC)通過決議，將3．1～10．6 GHz作為超寬帶系統(tǒng)的工作頻譜范圍，并允許將其應(yīng)用于一些民用無線通信領(lǐng)域。近幾年來，無線通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)也對天線的結(jié)構(gòu)和性能提出了更高的要求。因此易于和通信設(shè)備集成的共面波導(dǎo)饋電的單極子天線得到了廣泛關(guān)注，而小型化超寬帶天線更以其低剖面、低功耗、寬頻帶和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點成為研究的重要對象。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)研究出了不少超寬帶天線，文獻(xiàn)提出了一種新型的平面印制單極子天線，此天線結(jié)構(gòu)簡單，全向性較好，但并沒有達(dá)到超寬帶低頻的要求。文獻(xiàn)的超寬帶天線均采用共面波導(dǎo)饋電方式和寬縫隙結(jié)構(gòu)，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(xiàn)中提出采用微帶線結(jié)構(gòu)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(shè)備應(yīng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)中的一些參數(shù)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(jié)構(gòu)
天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)為俯視圖，圖1(b)為側(cè)視圖。半徑為R的半圓形輻射貼片下方加載兩個適當(dāng)尺寸的矩形帶狀貼片，形成類蘑菇形結(jié)構(gòu)。梯形槽口的接地板和蘑菇形貼片印制在FR4基板的同一側(cè)，基板相對介電常數(shù)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，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(jié)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(jié)構(gòu)和矩形漸變結(jié)構(gòu)尺寸對天線性能的影響。分析某一參數(shù)的影響時，其他參數(shù)保持不變。
2．1 參數(shù)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(jié)構(gòu)來調(diào)整和改善天線的輸入阻抗，因此接地板的槽口結(jié)構(gòu)及輻射貼片的漸變結(jié)構(gòu)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(shù)對天線阻抗帶寬的影響，仿真結(jié)果如圖2～圖5所示。
從圖2可以看出參數(shù)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(dǎo)結(jié)構(gòu)的漸變程度，當(dāng)參數(shù)s逐漸增加時，低頻段回波損耗減小，低頻段帶寬得到擴(kuò)展，但高頻段回波損耗增大，當(dāng)s=0．7 mm，13 GHz頻點處S11參數(shù)已經(jīng)不能滿足小于-10 dB的要求。
從圖3可以看出參數(shù)W2幾乎影響著阻抗帶寬的整個頻段。隨著W2值的增大，第一個諧振點向低頻移動，高頻段回波損耗明顯減小。槽越寬低頻特性越好，天線帶寬越寬。
從圖4可以看出，隨著輻射貼片與共面波導(dǎo)地面之間距離L3的增加，天線的阻抗帶寬大大增加。主要由于L3的增加使輻射貼片更靠近頂部的共面波導(dǎo)，與共面波導(dǎo)地面之間的激勵增加，耦合增強，使得天線的阻抗帶寬增加。
在圖5中，參數(shù)W4主要影響著阻抗帶寬的低頻段和諧振點的數(shù)目。主要原因是這些矩形帶狀線的引入不但增加了電流流過貼片路徑的長度而且增強了輻射貼片的不連續(xù)性，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更低頻的阻抗匹配，產(chǎn)生額外諧振點。最終優(yōu)化后的各參數(shù)值為s=0．4 mm，W2=9 mm，L3=1.5 mm，W4=1．3 mm。
圖6是優(yōu)化后天線的回波損耗隨頻率變化曲線。由圖6可知，天線滿足回波損耗小于-10 dB的帶寬為3～13 GHz，阻抗帶寬達(dá)到10 GHz，符合超寬帶的要求。因此，梯形槽口結(jié)構(gòu)和加載的矩形帶狀貼片使天線有好的阻抗匹配特性。
2．2 輻射方向圖與增益
阻抗帶寬不足以說明天線的實際帶寬性能，下面將進(jìn)一步考察天線在整個頻段內(nèi)的輻射方向圖特性。本文選取了四個頻率點對天線的輻射方向圖進(jìn)行分析。圖7是天線在3 GHz，5 GHz，7 GHz和10 GHz頻點的xOz平面歸一化輻射方向圖。從圖7中可以看出，此天線的xOz平面方向圖在四個頻點下方向圖變化不大，均為全向輻射。圖8是天線在3 GHz，5 GHz，7 GHz和10 GHz頻點的yOz平面方向圖，從圖中可以看出yOz平面方向圖類似于單極子輻射方向圖，且在不同的頻率下基本保持不變，一致性較好。在高頻段，雖然xOz平面和yOz平面方向圖發(fā)生了一些畸變，但是變化較小，不足以對其應(yīng)用構(gòu)成威脅，因此，此天線具有穩(wěn)定的輻射特性，能夠滿足UWB頻段通信的要求。
圖9是在3～13 GHz帶寬范圍內(nèi)得到的增益曲線圖，可知該天線最小增益為2．2 dB，當(dāng)頻率超過11 GHz時，增益最高可達(dá)7 dB，適用于超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用。
3 結(jié)論
本文給出的共面波導(dǎo)饋電的小型化超寬帶單極子天線，是由一個梯形槽口接地板和蘑菇形輻射貼片構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的天線使貼片與槽口縫隙的阻抗隨頻率變化而形成互補，從而使得天線在很寬的頻率范圍內(nèi)都能達(dá)到良好的匹配。通過優(yōu)化梯形槽口尺寸，加載矩形帶狀貼片形成的漸變結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了天線的小型化與超寬帶。最終實現(xiàn)了回波損耗低于-10 dB的超寬帶頻段為3～13 GHz，而且?guī)缀踉谡麄€頻段上xOz平面輻射方向圖都能保持穩(wěn)定的全向性，增益保持在2．2 dB以上。該天線結(jié)構(gòu)簡單且具有低剖面特性，因此便于應(yīng)用在各種無線超寬帶移動通信設(shè)備中。