一種小型共面波導(dǎo)饋電H型枝節(jié)超寬帶天線設(shè)計(jì)

與微帶傳輸線相比，共面波導(dǎo)傳輸線具有更低的輻射泄漏和更小的分布參數(shù)，在單片微波集成電路領(lǐng)域變得越來越常見。超寬帶技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸率高、抑制多徑干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在未來的通訊系統(tǒng)中是一種極具潛力的解決方案。自從2002年2月美國聯(lián)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(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用便成為科學(xué)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(fā)展，無線移動(dòng)通訊設(shè)備越來越需要性能優(yōu)良和尺寸較小的器件。在這樣的系統(tǒng)中，用來接收和發(fā)射信號的天線是一個(gè)關(guān)鍵部件。合適的天線設(shè)計(jì)在一定程度上可以降低電路設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)改善系統(tǒng)性能。近些年來，小型化天線受到越來越多的關(guān)注。減小天線尺寸通常可通過使用高介電常數(shù)的材料和優(yōu)化天線幾何結(jié)構(gòu)來達(dá)到。在小型化天線的設(shè)計(jì)中，平面單極子天線、縫隙天線和偶極子天線等眾多結(jié)構(gòu)都可以用來實(shí)現(xiàn)小型化的要求。本文采用共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)和H型枝節(jié)設(shè)計(jì)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(nèi)，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(jié)構(gòu)圖

2 天線仿真和分析

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，參數(shù)L0和W0分別為矩形槽的寬度和長度，d為H型枝節(jié)和饋電線之間的距離，L1和W1分別為H型枝節(jié)下端貼片的長度和寬度，L2和W2分別為H型枝節(jié)上端貼片的長度和寬度，L3和W3分別為H型枝節(jié)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(shù)為4.4(FR4)的介質(zhì)板。

共面波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)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(shí)物照片如圖2所示。

圖2 天線實(shí)物圖

為了評估本文所設(shè)計(jì)天線的性能，我們用HFSS 12仿真軟件對其進(jìn)行仿真和分析。天線最優(yōu)參數(shù)值如表1所示。

圖3為電壓駐波比(VSWR)的仿真與測量結(jié)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(yōu)參數(shù)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(shè)計(jì)的天線在H面具有較好的全向特性，在H面可以實(shí)現(xiàn)良好的信號收發(fā)。圖5是天線增益隨頻率的變化曲線，由圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，天線增益保持在3dB以上。

圖5 天線增益圖

3 結(jié)論

本文提出了一種尺寸為19×24×1.6 mm3的小尺寸共面波導(dǎo)超寬帶天線。測量結(jié)果表明，該天線在3.3-12.1GHz頻帶內(nèi)VSWR<2。在不同頻率均表現(xiàn)出良好的H面全向輻射特性，同時(shí)在全頻帶內(nèi)增益均可達(dá)到3dB以上。由于只使用介質(zhì)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(tǒng)中