一种新型超宽带微带天线

摘 要：目前超宽带无线通信成为研究的热点,同时对天线的研究提出新的挑战。提出了一种小型超宽叉形微带天线结构,首次采用对地板做开一个半圆形缝隙处理,提高了天线辐射性能,而对其他参数影响不大。通过数值模拟,该天线主抗带宽为3.5~14 GHz,基本覆盖了FCC建议的频段。其在XZ面具有良好的全向,在YZ平面辐射图具有很好的稳定性。此天线结构具有良好的辐射特性,基本满足了超宽带通信对天线的要求。

关键词：微带天线;半圆缝隙;超宽带;辐射图

中图分类号：TN820.1 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)01-041-02

A Novel Ultra-wideband Microstrip Antenna

JIA Dengquan,SHI Zhiwei

(Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China)

Abstract：At present,the Ultra-Wideband(UWB) wireless communication becomes research hotspot,a new challenge to the antenna's research is needed.A new kind of small UWB fork-shaped microstrip antennas is proposed,a semicircle slit processing on the ground is first adopted,the antenna radiation has been enhanced,but it has not big influence to other parameter.Through the numerical simulation,this antenna bandwidth is 3.5~14 GHz,the FCC suggestion frequency band is covered basically.It has good omnidirectional in the XZ plane,and has very good stability radiation pattern in the YZ plane.This antenna has a good radiation characteristic,and basically has satisfied the ultra-wide band request to the antennas.

Keywords：microstrip antenna;semicircle slit;UWB;radiation patterns

0 引 言

伴随着移动无线通信技术的迅猛发展,特别是一些可携带移动通信设备的需求,小型化超宽印刷微带天线的研究技术得到快速发展。美国通信委员会于2002年将3.1~10.6 GHz频段作为超宽通信使用,使超宽天线技术的研究成为一个新的研究热点。

大量的不同类型超宽带平面微带单集子天线出现在相关文献中,如矩形、椭圆形、圆形、多面形［1］等,但是有的很难与其他的微波器件集成在一起［2］。最近有些文献提出了对地开矩形缝隙的处理［3,4］,提高了主抗带宽。文献\提出了对贴片开缝隙提高YZ平面辐射特性的一种方法,但其主抗带宽较小。在此提出了一种新型叉形结构单集子微带天线,通过对原始五边形贴片结构进化、优化,使得主抗带宽在3.5~14 GHz。特别是对地做半圆形缝隙的处理,提高了天线的辐射特性,而未对主抗带宽形成较大影响。通过应用电磁高频仿真软件HFSS的仿真,此天线结构在3.5~8 GHz的频段内,其XZ面具有良好的全向性,并且在YZ面具有类偶集子辐射特性,在这个频段内,其辐射特性有较好的稳定性。

1 天线结构

天线的结构如图1所示。仿真中的天线应用相对介电常数为4.4,tan σ=0.02的FR-4介质,其厚度 h=1 mm,其尺寸为Wg=25 mm,L=25 mm,通过微带馈电。利用高频电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真、优化,其最终结构如图1所示。

图1 天线结构

天线各个参数分别如下：Lg=8.5 mm,L1= 14.5 mm,L2=12.5 mm,L3=4 mm,W1=4 mm, W2=3.1 mm,W3=1.5 mm,W4=2.5 mm,W5= 1.8 mm,其中对地开了一个小半圆缝隙,其半径R= 0.9 mm。可以看出此天线结构能够很好地和其他的微波电路集成在一起,馈线的主抗设置为50 Ω,1.8 mm×10 mm。

2 仿真结果

如图2所示,其阻抗带宽为3.5~14 GHz,其中心频率为8.25 GHz。可以看出此结构具有两个谐振点,分别是4.27 GHz和8.34 GHz。地板的半圆缝隙降低了5~8.2 GHz这个频段的s 11参数,对12~14 GHz有明显的影响,但对其他的频段没有什么影响。可见地板的半圆形缝隙的引入对s 11参数影响不大。

图2 地板的半圆缝隙对Retrun Loss的影响

图3是对地开半圆缝隙与未做处理的辐射图对比,可以看出在XZ,YZ面的辐射图均有很大改善。在XZ

平面半圆缝隙对低频影响较大,降低了增益,使得增益在这个频段内变化比较平滑。在YZ平面,半圆形缝隙对90°,270°影响较大,使得在这个角度范围内增益变化较小,而对其他角度没有太大影响。同样半圆缝隙在YZ面对低频段也有较大的影响,提高了0°,180°辐射增益,降低了90°,270°的辐射增益,使得整体辐射具有较好的稳定性,对高频段影响较小。可能半圆缝隙产生了低频断谐波,使得XZ,YZ 平面变化均较平滑。表1列出了4~8 GHz内,XZ平面的最高增益和最低增益。

表1 4~8 GHz内XY平面的最高增益和最低增益

频率 /GHz最高增益 /dB最低增益 /dB

42.781.59

52.941.37

63.151.08

730.24

82.32-1.3

3 结 语

通过对天线各个参数的优化,以及在地平面开了一个半圆形缝隙,提高了天线辐射特性,该天线结构在 4~ 8 GHz内,在XZ平面具有良好的全向性；在YZ平面具有类偶集子辐射特性。

图3 三个频率仿真的辐射图结果

参考文献

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作者简介贾登权 研究方向为天线理论与工程。