共面波导馈电的超宽带天线设计

房 泽， 吴 萍， 孙兵兵

（安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230039）

自2002年美国联邦通信委员会（FCC）将3.1～10.6GHz频段划为民用频段后，超宽带系统越来越受到人们的关注，许多新出现的超短波通信系统都工作在此频段内［1］。为了增加微带天线的带宽，国内外专家学者提出了多种多样的天线形式，例如平面缝隙微带天线结构［2－3］；将缝隙的方形边角变为圆角形式可以有效增加天线的阻抗带宽［4］；而在缝隙中增加了可调的U型枝节使得天线的相对带宽为110%［5］。另外利用共面波导和圆形辐射单元结构使得天线的带宽达到了120%［6］。但是这些已有的天线需要大的接地面，文献［4－6］中天线的面积分别为110mm×110mm、100mm ×100mm、66.1mm ×44.0mm，因此这些天线不能满足小型化的需求。平面单极子天线具有体积小和稳定的辐射特性，广泛应用于超宽带系统中［7－9］。

本文采用共面波导馈电，设计了一种超宽带单极子天线，在不改变天线带宽和辐射特性的同时，有效地减小了天线的体积。利用电磁仿真软件对所设计的天线进行仿真和优化。最后对优化后的天线进行制作和测试，测试结果与仿真结果吻合较好。

1 天线结构

图1给出了天线的结构和实物图，天线的尺寸为29.3mm×31.0mm×0.5mm。该天线由一个树形辐射贴片单元、共面接地面和共面波导构成，共面波导馈线的特性阻抗为50Ω。天线介质板的材料是FR4，其相对介电常数为εr＝4.4，厚度为0.5mm，材料的损耗正切为tanδ＝0.02。

图1 天线结构和实物

共面波导的特性阻抗可由下面的公式计算得出［10］。定义变量k1和k2分别为：

其中，h为基板厚度；W为基板宽度；W3为共面波导馈线的宽度；S为共面波导馈线与接地板之间的间隙宽度。介质板的有效相对介电常数为：

其中，εr为 基 板 相 对 介 电 常 数；K（k1）、K（k2）、K′（k1）、K′（k2）为第1类完全椭圆积分函数和其补函数。共面波导的特性阻抗可表示为：

2 天线参数优化

设计的天线为单极子天线，影响天线性能的主要参数为辐射贴片下端与共面波导之间的间隙L3，辐射贴片的尺寸R1、R2、R3，共面波导开槽的大小W1和馈线的长度L1。因此，为了使天线具有超宽带的特性，用三维电磁仿真软件HFSS对所设计天线的主要参数进行仿真和优化，如图2所示。

图2 主要参数对天线性能的影响

由图2a可以看出，随着共面波导馈线长度的增加，所设计的天线的高频阻抗特性变好，这主要是由于馈线长度如同一个匹配网络，馈线长度越长使得在高频端阻抗特性越好。由图2b可以看出，随着辐射贴片与共面波导之间的间隙的增加，天线带宽明显增宽，这是由于辐射单元和共面波导之间的耦合电容和分布电感发生变化，从而引起带宽的变化。由图2c可以看出，开槽宽度的增加可以有效减小共面波导和辐射单元之间的耦合，减小两者因激励而引起的谐振，从而提高天线带宽，但是增加到一定程度将会降低天线带宽。由图2d可以看出，在一定范围增加天线尺寸可以有效提高天线带宽，但是为了小型化的考虑，不宜将辐射单元设计过大。

3 实验结果

为了验证所设计的天线的实用性和有效性，对天线进行了综合优化设计，优化后的天线尺寸为：W＝29.3mm，L＝31.0mm，L1＝8.2mm，L2＝4.6mm，L3＝0.9mm，L4＝4.2mm，L5＝1.0mm，W1＝12.6mm，W2＝6.0mm，W3＝3.26mm，R1＝5.6mm，R2＝3.6mm，R3＝1.46mm。根据此尺寸，对天线进行了加工和测试。利用Agilent N5230A矢量网络分析仪对所设计天线的驻波比（VSWR）进行测试，测试和仿真的驻波比如图3所示。

图3 天线仿真和实测结果

从图3可以看出，实测天线驻波比和仿真驻波比吻合较好。由于加工精度误差和SMA接头的使用，测试结果和仿真结果有一定误差。

为了观察天线在整个频带内的辐射特性，选取3.8、6.8、9.0GHz处天线的E面和H面的方向图，如图4所示，可以看出，天线的H面在低频时有很好的全向性，随着频率的升高H面的全向性出现恶化现象。天线的E面辐射特性类似于单极子天线的E面辐射特性。

图4 天线方向图

4 结束语

本文设计了一种共面波导馈电的超宽带天线，通过使用共面波导技术使天线的体积为29.3mm×31.0mm×0.5mm，实现了小型化的要求。通过对天线主要参数的分析和优化，确定了天线尺寸，并对天线进行了加工和测试，测试结果与仿真结果吻合较好。所设计的天线可工作在3～11GHz的带宽范围内，天线的E面方向图类似于单极子天线的E面方向图，且在整个工作频带内具有稳定的辐射特性；而天线的H面在低频范围内具有很好的全向性，随着频率的升高出现了恶化现象。

［1］ 孙 锐，赵 烨.一种用于UWB通信系统的调制技术［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2007，30（6）：690－692.

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［3］ Jan J Y，Su J W.Bandwidth enhancement of a printed wideslot antenna with a rotated slot［J］.IEEE Transactions Antennas Propagation，2005，53（6）：2111－2114.

［4］ Qu S W，Ruan C L，Wang B Z.Bandwidth enhancement of wide－slot antenna fed by CPW and microstrip line［J］.IEEE Antenna Wireless Propagation Letters，2006，5（1）：15－17.

［5］ Chair R，Kishk A A，Lee K F.Ultrawide－band coplanar waveguide－fed rectangular slot antenna［J］.IEEE Antenna Wireless Propagation Letters，2004，3（1）：227－229.

［6］ Ma T G，Tseng C H.An Ultra wide－band coplanar waveguide fed tapered ring slot antenna［J］.IEEE Trans.Antenna Propagation，2005，54（4）：1105－1110.

［7］ Jacob K F，Suma M N，Raj R K，et al.Planar branched monopole antenna for UWB applications ［J］.Microwave Optical Technology Letters，2007，49（1）：45－57.

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［10］ Rainee N S.Coplanar waveguide circuits，components，and systems［M］.New York：John Wiley ＆ Sons，INC，Publication，2001：20－21.