文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)01-0090-03
近年來，隨著對無線通信需求的不斷增加，超寬帶技術作為一種短距離高速率無線通信技術越來越受到人們的關注，因此設計一種結構簡單、性能良好的超寬帶天線具有重大的現實意義。2002年美國FFC（Federal Communications Commission)規定UWB頻段為3.1 GHz~10.6 GHz，小型化超寬帶天線引起國內外學術界的廣泛關注。為了實現微帶印刷偶極子天線寬帶性能，國內外學者提出了多種多樣的天線結構[6-8]，U槽貼片天線、蝴蝶結形、單極子天線等被廣泛應用于UWB通信，但是目前這些天線體積較大。參考文獻[4]設計的天線采用的是將等腰梯形與圓弧形相結合的方式對接地板進行開槽實現帶寬（VSWR<2）為3 GHz~11.8 GHz。出于實際制作和應用的考慮，本文在微帶貼片輻射元上開縫，設計一種能滿足UWB通信的小型化超寬帶天線，便于與射頻電路集成，并利用仿真軟件HFSS 對天線進行建模和優化。實驗表明，所設計的天線能很好地滿足超寬帶應用的需求。
1 天線結構設計
微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼加導體薄片而形成的天線，它利用微帶線或者同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。通常介質基片的厚度與波長相比是很小的，而饋電網絡又可與天線結構一起制成，剖面薄，體積小，從而實現了小型化。微帶導體貼片一般采用規則形狀的面積單元,如矩形、圓形或圓形環薄片的微帶貼片。在相同的頻率工作時，矩形貼片可獲得比圓形貼片稍高的效率、增益及更寬的頻帶。增大天線帶寬的方法有：多貼片、縫隙加載、集總元件加載(包括短路針)以及雙饋點等。這些方式各有利弊，如：多貼片和集總元件加載都會使天線的結構變復雜，而雙饋點時諧振頻率調諧范圍受到一定的限制、開槽可能改變諧振頻點等。因此，在設計時，必須綜合考慮，使得相應的參數滿足設計要求。本文設計的天線的基本結構如圖1所示，該天線印刷在覆銅介質基板上,由接地面、縫隙貼片單元、饋電結構組成。介質基板尺寸為30 mm×35 mm×1.5 mm,接地面的尺寸為30 mm×11.5 mm,縫隙的寬度都是0.5 mm。材料是介電常數為4.4的FR4介質，采用縫隙貼片單元與接地面進行饋電。其實影響天線輻射性能的因素有很多，主要是由輻射貼片的尺寸、幾何形狀和縫隙的尺寸決定，在HFSS 中建立模型，對天線幾何尺寸進行優化。
2 天線的分析與仿真
天線的輻射主要是由輻射貼片尺寸、開縫的尺寸和位置決定的，通過在輻射貼片上開縫可以實現超寬帶帶寬（回波損耗S11≤-10 dB）為2.5 GHz~11.5 GHz，相對帶寬為128%，如圖2所示。
天線的阻抗帶寬不足以說明天線的性能，該天線在實現超寬帶性能的同時，具有對稱的方向圖和良好的增益。圖4(a)、(b)所示為天線在2.0、4.5和8.0 GHz下的仿真輻射方向圖。該天線在低頻率點H面方向圖在工作頻段內呈全向輻射，在φ=0和φ=π時輻射最強，E面方向圖主要波瓣在θ=0和θ=π；在較高頻率點主波方向稍有改變，H面在φ=-π/2時輻射為零。
該天線在超寬帶頻段內有良好的增益，仿真增益如圖5所示, 在2.5 GHz~11.5 GHz全頻帶內, 增益大于3.6 dBi。天線的仿真增益在3.6 dB~8.05 dB左右范圍內波動。最大增益為8.05 dBi，比一般的微帶天線的增益要大。從圖5中可以看出，天線的增益隨著頻率的增高而逐漸增大，最大達到8.05 dBi，頻率高于4.5 GHz時，天線的增益處于一個比較平坦趨勢，天線在高頻段的增益較高是因為天線匹配較好。因此可知此天線能達到很好的性能，滿足UWB通信的需求。
表1給出了本研究與參考文獻[5-8]天線的參數，對比后可以看出本研究設計的天線在帶寬和尺寸上都有明顯的優勢，證明了在輻射貼片上開縫能夠有效地展寬天線的阻抗頻帶。
3 天線制作
為了驗證所設計的天線的實用性和有效性，利用HFSS對其進行了綜合優化,優化后的尺寸為:W=30 mm, W1=15 mm,W2=1.5 mm,W3=1.5 mm,W4=5.25 mm, H=12.5 mm,H1=1 mm,H2=1.5 mm,L=35 mm,L1=27 mm,L2=5.25 mm,S=5.85 mm,S1=0.5 mm。根據優化后得到的尺寸，對該天線進行實際加工和測試,并利用AV3620矢量網絡分析儀對天線實物進行測試,實物圖和測試的反射系數如圖6所示。
從圖6可以看出，仿真的天線回波損耗和實際測試的回波損耗基本上吻合，只是在2.8 GHz~10 GHz之間稍有偏差。出現這種誤差的原因主要是由介質板的厚度、開縫的尺寸和位置等因素造成的。但實測的結果基本上能滿足超寬帶的要求。
本文提出了一種簡單的開縫實現超寬帶工作的微帶天線，分析了不同尺寸的輻射貼片對天線帶寬的影響。此天線的結構能產生超寬帶，并且大大縮減了天線尺寸，其原理就是通過使用這種貼片與開縫的結構，減少了電流的突變，起到改變天線面上電流分布的作用，改善了天線的阻抗特性，并且減少了電阻和電抗的波動幅度，使之形成良好的匹配。此天線具有良好的方向性能和增益性能。通過對天線參數的優化，該微帶饋電的天線可以工作在2.6 GHz~11.5 GHz的頻帶范圍內。該天線結構簡單、易于加工制作，滿足目前超寬帶通信需求。
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