超宽带圆片单极天线的改进设计

钟玲玲，李永翔，李 鹏

（津航计算技术研究所，天津 300141）

0 引言

超宽带（UWB）技术的特点是极短的脉冲和极宽的带宽，在电子对抗系统、超宽带雷达等领域展现了优越性能。UWB系统中，对天线设计的要求很高。超宽带天线技术随射频电子技术和超宽带无线电设备技术而不断发展，近年来已广泛用于现代航空、航天和民用通信等［1］。根据美国联邦通信委员会（FCC）的定义，信号带宽大于1.5GHz或信号带宽与中心频率之比大于25%的为超宽带，2002年2月14日，FCC正式向民用通信用途开放带宽7.5GHz的频段3.1～10.6GHz［2－3］。对数周期天线、阿基米德螺旋天线、等角螺旋天线等传统超宽带天线的馈电网络设计复杂，相位中心不固定，传输时域短脉冲信号时的失真较严重。近年提出的超宽带天线主要以双锥天线的各种演变形式为主，包括蝶形天线、泪滴天线、渐变槽缝天线等及其变形形式。其中，STOHR提出的圆片单极天线具有很宽的阻抗带宽和稳定的相位中心［4］。该天线能覆盖无线终端的全部所需频段，可在很宽的阻抗带宽上提供令人满意的辐射性能，此外还具有制作简单、加工方便、成本低廉、体积小、质量轻等优点［5－6］。

文献［7］介绍了圆片单极超宽带天线的设计方法及其超宽带性能。本文在民用超宽带范围内对该天线进行了仿真和实验，提出了天线的改进形式，分析了天线的阻抗、方向图、增益，以及表面电流分布等特性。

1 超宽带圆片单极天线特性

1.1 天线基本结构

超宽带圆片单极天线的基本结构如图1（a）所示。天线由边长为d的正方形地板和垂直于地板的金属圆片组成，采用同轴馈电方式，馈电点为圆片的下端点与地板的中心，馈电高度为h，制作辐射圆片的材料可择厚为g的铜板或铁板，切割成半径为r的圆。

因针对民用超宽带范围3.1～10.6GHz进行设计，取最低频率为3GHz，由相关公式可得r≈11mm。经过多组参数调整，综合考虑天线的尺寸参数和性能指标，确定能使圆片单极天线获得良好仿真结果的最优参数为：r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm。以此参数模型为基础，实际加工制作了天线实物如图1（b）所示。

图1 超宽带圆片单极天线Fig.1 Circular disc monopole UWB antenna

1.2 天线性能分析

超宽带圆片单极天线反射损耗实验与仿真结果（频带0.01～30GHz）如图2所示。由仿真结果可知：在3～30GHz的超宽频率范围内，天线反射损耗均小于－10dB，实验所得低频特性与仿真结果吻合良好，高端的反射损耗略高于仿真结果。这主要是加工误差和仿真中未考虑同轴接头的影响，该接头会引入随频率变化的电抗加载至输入阻抗谐振电路，导致谐振点移动，特别是对高端谐振点影响更大。总体来说，天线在频带3.1～10.6GHz内的仿真和实验测量结果均小于－10dB。

图2 超宽带圆片单极天线反射损耗Fig.2 Return loss of circular disc monopole UWB antenna

超宽带圆片单极天线不同频率的增益仿真结果（频带3～11GHz）如图3所示。在频带3.1～10.6GHz范围内，增益变化幅度小于5dB，增益随频率升高而呈现增大的趋势，当频率为10.6GHz时，增益约6.5dB，增益在整个频带内有良好的稳定性。

图3 超宽带圆片单极天线增益Fig.3 Gain of circular disc monopole UWB antenna

频率分别为3.1，6.85，10.6GHz时，超宽带圆片单极天线在水平面（xoy面）方向图的仿真和实验结果如图4所示。在各频率上，该天线水平面近似全向辐射，尤其在频率3.1GHz处，方向图有非常良好的全向性；当天线谐振频率升高时，方向图略有起伏。总体来说，天线在各频率的方向图较稳定，且仿真与实验结果吻合较好。

在频率分别为3.1，6.85，10.6GHz时，超宽带圆片单极天线零相位表面电流分布的仿真结果如图5所示。由图可知：电流主要分布在圆片下端点附近和地板中心，表明天线的辐射主要来自馈电区域附近。文献［8］认为，开放空间突然出现的时变电场（位移电流）是脉冲电磁波辐射的根本原因。对圆片单极天线来说，馈电点是主要的不连续结构，即辐射脉冲主要来自馈电区。当频率为3.1GHz时，天线的电流只有高端1个零点，呈现单极天线特性；当频率上升为6.85，10.6GHz时，上下两边均出现零点，这是因为天线的电长度随频率升高而增大。

图4 超宽带圆片单极天线方向图Fig.4 Radiation pattern of circular disc monopole UWB antenna

图5 超宽带圆片单极天线表面电流分布Fig.5 Surface current distribution of circular disc monopole UWB antenna

2 多环单极天线

圆片单极天线因结构的特殊性，导致天线的风载较大，抗风能力较差，当风力较大时极易造成天线的变形而影响信号的接收和发射，如圆片单极天线尺寸较大，甚至会导致馈电点处的折断。解决方法一是在天线的地板上加装用于支撑的介质材料底座，二是减小天线的风载面积。

2.1 不同馈电方式的多环单极天线

多环单极天线由同心圆环构成，用稳定的结构连接馈电点。对三角形、倒三角形以及具有一定宽度直线的三种线形连接馈电点进行了仿真。三环单极天线的结构如图6所示。除馈电区域外，三种天线的尺寸与圆片单极天线一致，此外环宽r12＝0.5mm，三个圆环外半径分别为3.67，7.33，11.00mm，即三环均布。馈电区域三角馈电馈线最宽处距离1.85mm，渐变至0.5mm；倒三角馈电最宽处距离5mm，渐变至0.5mm；直线馈电馈线宽a＝0.5mm。上述馈电区域的尺寸经多组仿真调整，性能为最优。

图6 不同馈电方式的三环单极天线Fig.6 Three－ring monopole antenna with different feeding type

上述三种不同馈电方式三环单极天线反射损耗的仿真结果如图7所示。倒三角馈电在频率为5GHz时反射损耗出现了一个较大的尖峰，而三角馈电和直线馈电在整个频带上的反射损耗特性相差无几，可保证在频带3.1～30GHz的范围内反射损耗基本小于－10dB。考虑实际加工制作，直线馈电方式更简便，为此以下重点讨论直线馈电多环单极天线的特性。

图7 不同馈电方式三环单极天线的反射损耗Fig.7 Return loss of three－ring monopole antennas with different feeding type

2.2 主要结构参数对天线性能的影响

环数和环宽都可能对多环单极天线性能产生影响。在上述直线馈电多环单极天线基本尺寸不变的条件下，均匀分布的环数n分别为3，5时天线的反射损耗如图8所示。由图可知：两者非常相近，表明环数对天线的反射损耗几无影响。仿真和实验中发现，当环均匀分布，且n≥3，天线的性能均可接受。

图8 不同n的反射损耗Fig.8 Return loss under various n

在上述直线馈电三环单极天线基本尺寸不变的条件下，不同环宽r12时天线的反射损耗如图9所示。需说明的是，为便于加工制作，设定天线的馈电线宽度与环宽相同，即a＝r12。由图可知：天线的反射损耗在环宽较细（r12＝0.25mm）时可保证在频率3.1～30.0GHz的范围内反射损耗基本小于－10dB；当r12由0.25mm增大至3.00mm时，天线的反射损耗逐渐降低；若环宽继续增大，圆环则会重叠变为圆片。

2.3 天线性能分析

至此，实际加工制作了一个三环单极天线，天线实物如图10所示。其d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm，r12＝1mm，三个圆环外半径分别为3.67，7.33，11.00mm，直线馈电线宽a＝1mm。对该天线进行仿真和测试，结果如图11所示。

图9 不同r12的反射损耗Fig.9 Return loss under various r12

图10 三环单极天线实物Fig.10 Three－ring monopole antenna

图11 三环单极天线的性能Fig.11 Performance of three－ring monopole antenna

由图11（a）可知：与仿真结果相比，实际测量的反射损耗曲线略向高频移动，但整体与仿真结果吻合较好，仅在频率5GHz处有一个较大的尖峰，在频率3～30GHz的范围内，反射损耗基本保持低于－10dB。由图11（b）可知：频率为3.1GHz时，全向性良好，随着频率的升高，方向图出现一定的起伏。

3 波浪边缘圆片单极天线

圆片单极天线及其变形形式阻抗带宽的高频端几乎都在20GHz以上，从频率复用的角度来说，这些天线有一定的实用价值，可用1副天线覆盖超宽频带，实现一机多用，但不同的应用条件对天线带宽的要求各异。如将天线的工作频率限制在FCC规定民用超宽带通信的频段3.1～10.6GHz范围，上述各种天线形式会因过高的高频带宽而受干扰，为此基于圆片单极天线提出了一种能阻陷天线高频端的波浪边缘单极天线。

3.1 天线基本结构

波浪边缘圆片单极天线的基本结构与超宽带圆片单极天线相同，由边长为d的正方形地板和垂直于地板的金属片组成，厚度均为g，采用同轴馈电的方式，馈电点为圆片的下端点与地板正中心，馈电高度为h；差别在于辐射片的形状，此处的辐射片不是一个单纯的圆片，而是在半径为r的圆片周边均匀削去部分类似半圆的形状。切削时将圆周均匀分为n0份，以每一圆周等分点为原心，画出半径为r0的小圆片，切削掉小圆片与原大圆片重合部分。需注意：为保证天线的馈电位置不变，馈电点应选择在某一段未被切削的大圆片圆弧曲线中心。n0＝6时的天线如图12所示。

图12 波浪边缘圆片单极天线Fig.12 Circular disc monopole antenna with wavy－edge

3.2 主要结构参数对天线性能的影响

仿真中发现，切削小圆片时r0，n0对天线反射损耗有较大的影响。在大圆片半径r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm条件下，研究了不同r0，n0时的天线反射损耗。

n0＝6时，不同r0的波浪边缘圆片单极天线反射损耗如图13所示。由图可知：天线出现了高频端陷频特性，切削半径越大，天线在高频端的反射损耗性能就越差，可用带宽范围越窄，r0＝1mm时，反射损耗小于－10dB的频率范围为3.1～14.5GHz，r0＝4mm时，反射损耗小于－10dB的频带范围仅为4.8～7.6GHz，r0＝2mm时，反射损耗性能适中，小于－10dB的频带范围为3.1～12.5GHz。

图13 波浪边缘圆片单极天线不同r0的反射损耗Fig.13 Return loss under various r0of circular disc monopole antenna with wavy－edge

r0＝2mm时，不同n0的波浪边缘圆片单极天线反射损耗如图14所示。由图可知：当n0＝12（过多）时，天线低频端的性能变差，反射损耗小于－10dB的低频端点为3.5GHz；当n0＝4（过少）时，天线反射损耗总体过高且在高频23～26GHz处又出现了一多余的谐振频点；当n0＝6时，反射损耗和带宽特性均可接受。

图14 波浪边缘圆片单极天线不同的n0反射损耗Fig.14 Return loss under various n0of circular disc monopole antenna with wavy－edge

3.3 天线性能分析

由仿真分析和调整，选定性能最优的天线结构参数为：r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm，r0＝2mm，n0＝6，对该波浪边缘圆片单极天线的主要性能进行了分析。

不同频率的上述波浪边缘圆片单极天线反射损耗如图15所示。由图可知：在超宽频带3.1～12.5GHz范围内，天线反射损耗的仿真结果小于－10dB；实测结果在低频端与仿真结果略有差异，在高频端吻合较好，总体趋势与仿真结果一致，在希望的频带3.1～10.6GHz范围内反射损耗较好，高频端反射损耗较差，有效抑制了高端频率。

图15 波浪边缘圆片单极天线反射损耗Fig.15 Return loss of circular disc monopole antenna with wavy－edge

波浪边缘圆片单极天线辐射方向图仿真和测量结果如图16所示。由图可知：与圆片单极天线类似，xoy面的方向图也近似全向，且增益并未因圆片边缘的波浪结构而减小，仿真与实验结果吻合较好，在频带范围内方向图较稳定，仅在频率10.6GHz时测量结果与仿真结果相比不对称，这可能是由测试过程中天线放置方向偏差或手工加工的地板不能保证完全水平造成的。

在不同频率的波浪边缘圆片单极天线零相位表面电流分布的仿真结果如图17所示。由图17可知：电流除主要分布在圆片下端点及地板中心，另有部分分布在馈电点两侧被削去的小圆片圆周上。实际上，越靠近馈电点的辐射区域，其对应的电尺寸就越短，频率越高，而馈电点两侧被削减掉的圆片原对应的是高频部分，削减后必然会破坏天线的高频特性；对天线的低频部分，因原本在天线上部电流分布较稀疏，故削减结构对其影响较小。从表面电流分布可解释波浪边缘分布的圆片单极天线具高频抑制特性的原因。

图16 波浪边缘圆片单极天线方向图Fig.16 Radiation pattern of circular disc monopole antenna with wavy－edge

图17 波浪边缘圆片单极天线表面电流分布Fig.17 Surface current distribution of circular disc monopole antenna with wavy－edge

4 电阻加载圆片单极天线

加载天线在天线的适当位置插入某种元件或网络，以改变天线上的电流分布，改善天线电特性、拓展带宽。电阻加载形式的圆片天线能有效实现天线的小型化。

4.1 天线基本结构

电阻加载圆片单极天线的基本结构与立体结构的圆片单极天线相同，主要由边长为d的正方形地板和垂直于地板的半径为r的金属圆片组成，采用同轴馈电方式，馈电点为圆片的下端点与地板的正中心，圆片与地板之间的馈电高度为h，金属的厚度为g，加载的电阻竖直连接在辐射圆片的下边缘与地板间，在y轴上与中心的距离为y0，阻值为R。为获得全向性方向图，避免方向图不均匀，在圆片两侧对称的放置各放置电阻1个，形成的载圆片单极天线如图18所示。其中：r＝11m，d＝65m，h＝0.5m，g＝mm。

图18 电阻加载圆片单极天线Fig.18 Resistive loaded circle disc monopole antenna

4.2 主要结构参数对天线性能的影响

用仿真方法讨论了电阻加载天线的加载位置与阻值对天线性能的影响。

R＝50Ω时不同y0的反射损耗如图19所示。由图可知：当y0过小（如y0＝1mm）时，天线的反射损耗与不加载几乎完全相同，未实现小型化；当y0增大至约5mm时，反射损耗虽有向低频端扩展的趋势，但数值过大；当y0＝10mm时，反射损耗在整个频带上取值较理想，该位置约为天线最低工作频率对应波长λL的0.1倍（上述位置均为圆片的下半部分）。此外，研究了电阻直接加载在圆片上半部分与地板间不同位置的状况，仿真结果表明：电阻加载在圆片上半部分任何位置都基本无拓展低频带宽作用，这主要是因为电流在圆片的上半部分分布很少，尤其是圆片顶端，基本处于电压波节点，电流几乎为零。

y0＝10mm时，不同R的反射损耗如图20所示。当R较小时，天线对低频端的扩展作用不明显，如R＝10Ω时，反射损耗小于－8dB的低频端点由不加载的2.95GHz变为加载后的2.3GHz，根据相似原理，天线的尺寸仅缩小为原来的78%；R取值过大，虽反射损耗效果非常好（R＝100Ω时，几乎可保证在所有的频率上反射损耗均小于－10dB），但电阻的损耗过大会导致天线效率降低。因此，综合考虑天线的带宽和效率，取R＝50Ω。

图19 不同y0的电阻加载圆片单极天线反射损耗Fig.19 Return loss with various y0of resistive loaded circle disc monopole antenna

图20 不同R的电阻加载圆片单极天线反射损耗Fig.20 Return loss with various Rof resistive loaded circle disc monopole antenna

4.3 天线性能分析

对参数为r＝11mm，d＝65mm，h＝0.5mm，g＝1mm，y0＝10mm，R＝50Ω的电阻加载圆片单极天线的性能进行分析。

不同频率的电阻加载圆片单极天线反射损耗如图21所示。由图可知：在频率0～23GHz范围内，天线反射损耗的仿真结果均小于－10dB，实测值结果与仿真总体结果较吻合；在低频端，实测值略高于仿真结果；在频率10GHz以上，实测值低于仿真结果，实测电阻加载圆片单极天线在频率0～30GHz范围内反射损耗均小于－7dB，带宽特性良好。

图21 电阻加载圆片单极天线的反射损耗Fig.21 Return loss of resistive loaded circle disc monopole antenna

图22 电阻加载圆片单极天线的增益Fig.22 Gain of resistive loaded circle disc monopole antenna

不同增益的电阻加载圆片单极天线反射损耗如图22所示。由图可知：与前文提及的天线相比，该天线在低频端的增益有较大幅度下降，这是因为天线电流沿线传播时，在向周围空间辐射能量的同时，沿线分布加载的电阻也消耗了电磁能量，致使其效率较低。在频带1.8～3.0GHz范围内，增益为－10～2dB；在频带3.0～11.0GHz范围内，增益的变化范围仍基本与其他天线一致（2～7dB），仍保持了良好的稳定性。

电阻加载圆片单极天线的辐射方向图如图23所示。由图可知：低频端仿真与实测方向图吻合较好，仍具全向特性，但辐射较弱，增益均为约－10dB。在高频端，仿真与实测结果均与未加载天线相似，但实测高频端方向图不均匀，这可能是由电阻遮挡导致的。

在频率分别为1.8，3.1，10.6GHz条件下电阻加载圆片单极天线零相位表面电流的分布如图24所示。由图可知：天线在低频端的电流分布较前述天线有较大的改变，大部分电流都因电阻加载作用被吸收，地板上电流密度较大，圆片上端几无电流分布；在较高频率的范围（3.1～10.6GHz）内，电流分布与不加载的立体圆片单极天线非常类似，即天线在频率3.1～10.6GHz的电特性几乎不变，保持了原良好的阻抗特性和辐射特性。

图23 电阻加载圆片单极天线的方向图Fig.23 Radiation pattern of resistive loaded circle disc monopole antenna

图24 电阻加载圆片单极天线的表面电流分布Fig.24 Surface current distribution of resistive loaded circle disc monopole antenna

5 结束语

本文根据实际应用，提出了几种超宽带圆片天线的改进设计，并利用仿真和实验对其基本性能进行了验证。为解决天线的风载问题，提出了超宽带多环单极天线，设计的天线能在保持天线基本超宽带特性的前提下提高天线的抗风能力，该天线还可制成可折叠的便携式天线。为适应不同应用条件对天线带宽的要求，基于圆片单极天线设计了具有高频抑制功能的波浪边缘圆片单极天线、以及电阻加载圆片单极天线，性能均较好。本文的各种超宽带圆片单极天线改进结构的电特性有其良好的应用前景和实际应用价值。

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