一种新型钻石形超宽带天线的设计与实现

曹 曦,田小建

(吉林大学 电子科学与工程学院,长春 130012)

一种新型钻石形超宽带天线的设计与实现

曹 曦,田小建

(吉林大学 电子科学与工程学院,长春 130012)

设计一种新型钻石形超宽带天线,该天线印刷在介电常数为4.4的FR4介质板上,尺寸为26 mm×24 mm×0.8 mm. 设计过程中对天线辐射贴片进行两次优化,并利用阶梯化接地板的方法对天线进行优化. 实验结果表明,该天线可在2.0～14.5 GHz内实现电压驻波比VSWR≤2的带阻特性,相对带宽为151%,且具有结构简单和小形化等优点,可应用于各种超宽带(UWB)系统中.

超宽带； 平面天线； 天线优化

近年来,超宽带(UWB)天线技术在通信技术领域发展较快. 由于超宽带天线具有高速率、 低误码率和宽频带等特性,因此在军事和民用等领域应用广泛. 由于超宽带天线制作成本低、 抗干扰、 传输速率高,且配置简单,因此已引起人们广泛关注. 根据超宽带天线的特点,目前主要有矩形、 圆形和蝶形等不同形状的超宽带天线[1-5]. 本文设计一种新型的钻石形超宽带天线.

1 钻石形超宽带天线的设计基础

衡量天线性能常用的几个重要参数为天线馈电端口的回波损耗、 电压驻波比VSWR和散射(S)参数(无源天线为S11参数),各参数间的关系为：

其中:

Returnloss为回波损耗,表示入射功率和反射功率的比值,以分贝表示,在0～∞取值,回波损耗为0时,表示全反射； 回波损耗为∞时,表示完全匹配; VSWR为电压驻波比,表示行驻波的电压波腹值与电压波节值之比,在1～∞取值,驻波比为1时,表示完全匹配； 驻波比为∞时,表示全反射[6].

在实际应用中,通常取S11≤-10 dB,VSWR≤2. 本文取S11≤-10 dB或VSWR≤2为参考标准. 天线的相对带宽表达式为[7-8]

采用美国Ansoft公司开发的高频结构仿真(HFSS)软件设计天线,HFSS软件采用标准的Windows图形用户界面. 使用HFSS软件时,只需创建设计模型,指定模型材料属性,分配模型的边界条件和激励,定义求解设置,便可计算并输出设计的仿真结果[9-11]. 钻石形超带宽天线的结构如图1所示,其中基板材料选择为FR-4微波介质板,厚度H=0.8 mm,介电常数为4.4,损耗角正切为0.001 8. 天线由两阶优化后的天线辐射贴片与阶梯化后的接地板连接. 该天线尺寸为：W1=10 mm,W=20 mm,W3=24 mm,W4=10.75 mm,H=26 mm,H2=8 mm.

2 天线设计优化过程

未优化钻石形天线的仿真曲线如图2所示. 由图2可见,在4.5～5 GHz,S11非常接近-10 dB,因此需对天线进行优化,如图3所示. 优化后钻石形天线的仿真曲线如图4所示. 先在天线辐射贴片的2个侧面去掉2个小矩形(图3(A)),其仿真曲线如图4中的实线所示. 可见优化后的S11值在4.5～5 GHz 处有所下降. 即对该天线的一阶优化有效,但未达到理想要求,还需进一步优化,在第一阶优化的基础上再次削减天线的辐射贴片(图2(B)). 其仿真曲线如图4中点线所示,可见优化效果并不明显. 在天线上边去掉一个三角形(图2(C)),其仿真曲线如图4中的虚线所示,可见天线的S11值进一步下降. 在对天线进行优化的基础上,采用阶梯化接地板的方法对天线进一步优化(图2(D)),其仿真结果如图5所示. 由图5可见,经阶梯化接地板后天线的S11值在低频端和高频端均有下降,有效拓宽了天线的带宽.

图1 超宽带天线的结构Fig.1 Ultra-wideband antenna structure

图2 原始仿真S11曲线Fig.2 Simulation curves of primitive S11

根据仿真数据用热转引法制作实物天线,热转印法制作天线的过程如下:

1) 将设计好的天线图形打印在热转印纸上;

2) 将转印粘贴在覆铜微波介质板上并加热,使转印纸上的模型印在覆铜微波介质板上;

3) 利用腐蚀液(V(水)∶V(盐酸)∶V(双氧水)=3∶1∶1)腐蚀介质板,最后进行切割与打磨[12-15].

利用热转印法制作天线的缝隙为0.3 mm,线宽为0.2 mm. 经实验校证可满足制作的误差要求. 图6为利用热转印法制作的实物天线,其中接口为标准SMA镀铜接口. 采用37269C型矢量网络分析仪测试实物天线. 实物天线的仿真和实测VSWR曲线如图7所示. 由图7可见,仿真和实测VSWR曲线吻合较好. 其误差主要是由于天线模型在加工过程中介质板腐蚀产生误差和SMA接头焊接与材料特性误差所致.

(A) 对天线辐射贴片进行第一次优化; (B) 对天线辐射贴片进行第二次优化; (C) 对幅射贴片开口; (D) 对地板进行优化.

图4 天线优化前后的S11曲线Fig.4 S11 curves of antenna before and after its optimization

图5 接地板优化前后的S11仿真曲线Fig.5 S11 curves of ground plate before and after its optimization

图6 实物天线Fig.6 Photograph of proposed antenna

图7 实测与仿真VSWR曲线Fig.7 Measured and simulated VSWR curves

综上,本文采用改变微带天线辐射板和使接地板呈阶梯化的方法,对天线进行了多次优化. 结果表明: 经优化后的天线在2.0～14.5 GHz内的VSWR≤2,相对带宽为151%,覆盖了整个超带宽的频宽范围； 天线尺寸为24 mm×26 mm,即具有超宽带、 小型化、 结构紧凑和便于加工等特点,可将其集成于射频电路和应用于各种超宽带系统中.

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(责任编辑： 王 健)

DesignandRealizationofNovelDiamond-ShapedUltra-widebandAntenna

CAO Xi,TIAN Xiaojian
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

A novel ultra-wideband antenna with diamond-shaped patch was designed and fed by a coplanar waveguide. The size of the substrate is 26 mm×24 mm×0.8 mm and the substrate material uses FR4 with a relative permitivity of 4.4. The patch was optimized twice by ground plant’s first order optimization. The simulated and experimental results demonstrate that the bandwidth (VSWR≤2) starts from 2.0 GHz up to 14.5 GHz and relative bandwidth comes to 151%. This diamond-shaped UWB antenna has the advantages of simple structure and miniaturization that can be applied to various UWB systems.

ultra-wideband; planar antenna; antenna optimization

2013-09-26.

曹 曦(1985—),男,汉族,博士研究生,从事天线技术的研究,E-mail: caoxi0@163.com. 通信作者： 田小建(1957—),男,汉族,博士,教授,博士生导师,从事高速电子学与微波系统的研究,E-mail: tianxj@jlu.edu.cn.

吉林省科技厅重点项目(批准号: 20120320).

TN82

A

1671-5489(2014)05-1035-04