一种椭圆单极子超宽带天线仿真设计

摘 要： 随着宽带无线通信的发展，宽带天线的研究已成为行业研究的热点，通过对多种单极天线研究，选择了平面椭圆单极子宽频天线进行了设计，并对接地板进行切角处理和各项参数分析与优化，实现了宽频天线的性能要求。与其他各种设计相比，其结构简单，制作方便。

关键词： 椭圆单极子； 矩形切角； 超宽带； 辐射图； 共面波导

中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）13?0078?02

Simulation design of elliptical monopole UWB antenna

ZHOU Xi?quan， HUI Peng?fei， ZHAO Yan， TAO Bai?rui

（Communication and Electronic Engineering Institute， Qiqihar University， Qiqihar 161106， China）

Abstract： With the development of broadband wireless communication， broadband antenna has become a hot research focus. Through the research of the monopole antenna， the planar elliptical monopole antenna is designed in this paper. By chamfer processing of earth plate and parameter analysis and optimization of parameters， the performance requirements of broadband antenna is realized. Comparing with other designs， it has simpler structure and is easier to make.

Keywords： elliptical monopole； rectangular corner cut； ultra?wideband； radiation pattern； coplanar waveguide

0 引 言

随着无线通信技术的快速发展，终端通信设备的小型化和多功能需求日益增多，迫切需要发展各种类型宽频带小型天线，以适应各种小型无线终端设备的要求。于是小型化超宽带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3.11～10.16 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极子天线出现在相关文献中，如矩形、椭圆形、圆形和多面形等。文献[1]～[6]提出了各种类型平面单极子天线，基本都在FCC提出的频率范围。通过对各种形状单极子研究，选择了一种椭圆结构单极子微带天线，通过共面波导馈电和对接地板切角处理大大提高了阻抗带宽，实现了超宽频率工作范围。同时应用HFSS软件进行了参数优化，实现了在3.00～12 GHz宽频范围天线的辐射图基本稳定，其H主平面具有良好的全向性，E主平面具有类偶极子辐射特性，在这个频段内，其辐射特性有较好的稳定性，使驻波比在带宽范围内小于2。

1 天线结构

天线的结构如图1所示，天线制作在长和宽分别为[L]和[W]的聚四氟乙烯环氧树脂基板上，其介电常数为2.2，厚度为0.74 mm。介质板面上是椭圆辐射贴片（[k]为椭圆比）和带有缺口的共面接地板，接地板与微带馈线采用共面波导结构，椭圆贴片与接地板最小间距为[h，]馈线与地板间距为[h1，]天线采用特性阻抗为50 Ω的微带线馈电。经优化天线尺寸见表1。

图1 天线结构

2 仿真结果

天线端口反射系数与频率变化曲线如图2所示，驻波比[ρ

图2 端口驻波与频率关系曲线

如图3为天线在4 GHz，10 GHz频率下远场辐射方向图，从两种频率下辐射方向图可知，FCC频段内E面图基本分布趋势相同，但随频率增加逐渐畸变。而H面图基本保持全向分布趋势。整个UWB频段基本保持方向图分布的稳定，满足宽频天线设计要求。

图3 天线辐射E和H平面方向图

3 天线参数性能分析

（1）椭圆[r0]对低频范围变化影响如图4所示，椭圆半径越大，频带越向低频展宽。所以根据超宽带要求选择椭圆短轴长度为[r0=]9 mm。

图4 [r0]变化对天线端口反射影响曲线

（2）天线[W]变化对天线影响如图5所示，随着[W]的增加，频段向高端频率扩展。

（3）接地板切角[a]（或[b]）对天线影响如图6所示，随着[a]的增加频带变宽，可以调整频带范围。

图5 [W]变化对天线端口反射影响曲线

图6 切角[a]变化对天线端口反射影响曲线

4 结 论

本文通过对超宽带椭圆单极子天线设计与分析，实现了超宽带的各项性能指标。借助软件HFSS进行仿真与优化，天线的S11≤-10 dB阻抗带宽可到达为3.00～12 GHz。该天线具有小尺寸，超宽频带优势同时，在整个UWB频段内，有良好的驻波比特性和辐射方向图的相对稳定，在最大辐射方向可达6.87 dB的增益，且结构简单，可以实现无线宽频通信要求。

参考文献

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