具有两块非对称接地面的高紧凑型超宽带天线

段吉海 蓝 创 徐卫林 韦保林 郝强宇 李晓峰

具有两块非对称接地面的高紧凑型超宽带天线

段吉海 蓝 创 徐卫林 韦保林 郝强宇 李晓峰

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

针对超宽带无线通信的应用，提出了一种新颖的具有两块非对称接地面结构的紧凑型超宽带（Ultra－Wideband，UWB）天线.本设计采用半椭圆辐射单元和两块非对称接地平面结构，以获得较宽的工作频率和较小的几何尺寸.对影响天线性能的主要几何参数进行了研究和优化并对所设计天线进行了加工制作与测量.测试结果表明：反射系数S11小于－10dB时，所设计天线的工作频率覆盖3～12GHz的范围，满足标准UWB带宽（3.1～10.6GHz）的要求，且平均增益达到4.5dBi天线具有较小的几何尺寸，仅为14mm×18mm＝252mm2.

超宽带；小型化天线；非对称接地平面

引 言

由于传统窄带无线系统的潜在干扰和频谱的大量占用，美国联邦通讯委员会在2002年将7.5GHz带宽（3.1～10.6GHz）分配给超宽带（Ultra－Wideband，UWB）无线通信业务使用［1］.超宽带天线作为无线通信系统的关键模块，被广泛应用到诸多领域当中，成为通信领域的一个研究热点［2－6］.随着通信事业的不断发展，现代无线通信系统对设备的小型化、便携式提出了进一步要求.因而，超宽带天线应具备尺寸小、结构简单易于加工集成等特点.

为了在相当宽的频率范围（3.1～10.6GHz）内实现UWB天线的小型化和高增益的设计，国内外许多天线设计者尝试了各种不同的结构和技术［7－14］.文献［7］采用双馈电结构设计了一个阻抗带宽为100%的天线，该天线尺寸能够达到14mm× 20mm＝280mm2.文献［8］通过改进接地平面的结构设计了一个尺寸为18mm×20mm＝360mm2和阻抗带宽为132%的单极子天线.文献［9］使用了L型接地平面结构设计了一个具有18mm×16mm＝288mm2尺寸并覆盖3.3GHz到12GHz之间频率的天线.文献［10］通过在原来结构的基础上截掉一半尺寸来达到缩小天线面积的目的，该天线实现了9.5mm×28.5mm＝271mm2的几何尺寸和3.0～11.1GHz的阻抗带宽.文献［11］采用月牙形结构设计了一个超宽带天线，该天线能够在3.4～20 GHz之间的频率范围工作，而且具有很小的尺寸（17mm×18mm＝306mm2）.文献［12］则采用三种小型化技术实现较宽的阻抗带宽（3.2～25.5 GHz）和紧凑的物理尺寸（12mm×23mm＝276 mm2）.文献［13］设计的椭圆形辐射元结构天线的尺寸达到11mm×34mm＝374mm2，其阻抗带宽为3.1～12.6GHz.文献［14］设计了一个由渐变辐射体结构和缺陷地结构构成的天线，其尺寸为12mm ×23mm＝276mm2，带宽为3.1～13GHz.

本设计提出了一种尺寸仅为14mm×18mm＝252mm2的高度紧凑型超宽带天线.为了实现更小尺寸的超宽带天线，采用了半椭圆辐射单元和两块非对称接地平面结构.仿真优化了影响天线性能的关键几何参数，并分析天线受关键参数的影响情况，得到其最佳几何尺寸.为了验证所设计的天线性能，我们对其进行了加工制作，并就天线的S参数、辐射特性、增益等进行了测试.

1 天线结构设计

本文提出的天线是一种平面结构，如图1所示.其半椭圆形状的辐射元与馈线构成渐变结构，有利于提高天线的阻抗匹配特性［14］.天线背面为两块非对称结构的接地平面.该接地平面呈半包围形状，能够实现天线的紧凑型设计，并且改善了天线的表面电流分布，能够让天线在频率轴上形成多个谐振点，拓宽了天线的工作频带.因此该天线结构能够在缩减几何尺寸的同时展宽了天线的阻抗带宽.

天线正面的半椭圆的短轴、长轴半径分别为a1、b1，馈线宽度为f.天线的接地平面可通过以下步骤获得：首先在基片背面的左半部分挖掉一个椭圆（外椭圆）并只保留左下角图形；然后在右半部分剪去另一个椭圆（内椭圆）得到另外一个图形；最后这两部分图形组合成一个图后再在下边开一个宽度为d的槽片，由此可得如图1（b）所示的阴影部分，即为天线的背面结构.其中，外椭圆的短、长轴半径分别为a2，b2，内椭圆短、长轴半径分别为a3，b3.这种由两块接地平面组成的结构能够提高天线辐射特性、扩展天线阻抗带宽并能有效减小天线几何尺寸.

图1中，天线的基片介质材料采用罗杰斯（Rogers）板材，其介电常数εr＝3.55，基片宽度W＝14mm，长度L＝18mm，厚度h＝1.6mm.为方便设计，我们建立了一个笛卡尔坐标系，其原点和天线正面的椭圆中心M1重合，则M1＝（0mm，0 mm）.M3、M2分别为天线背面内外两个椭圆的中心，外椭圆如图1（b）中虚线所示.

图1 天线结构示意图

2 参数研究与优化

为了获得更好的性能参数，我们利用仿真软件对所设计的天线的关键参数进行优化.在保证其他参数不变的情况下，改变其中一个参数，得到的反射系数S11曲线如图2所示.

从图2（a）中可以看出，馈线宽度从小到大变化，天线带宽的低频部分和高频部分的S11降低，而中频部分的S11增大.从图2（b）中可以看出，随着辐射单元椭圆半径的逐渐增大，S11参数曲线的低频部分下移而高频部分上移.图2（c）表明了天线阻抗带宽受接地平面外椭圆尺寸的变化的影响.随着椭圆半径a2的增大，天线的高、低频部分阻抗匹配性较好，但中频部分会变差.而图2（d）显示了接地平面的内椭圆半径取不同值时S11参数曲线的变化.随着内椭圆半径的增大，天线的阻抗带宽先增大然后减小.

图2 S11随参数变化曲线

经过以上的仿真优化，并综合分析各种参数对天线性能的影响，得到如下最优的几何尺寸：f＝ 1.8mm，a1＝4.2mm，b1＝5.8mm，a2＝8.1mm，b2＝10mm，a3＝6mm，b3＝7.4mm，d＝3.6mm，e＝4.3mm，M2＝（－0.1mm，1.2mm），M3＝（－0.1 mm，1.4mm）.

3 实验结果分析

在上述仿真优化的基础上加工制作的超宽带天线样品如图3所示.本文通过对天线的反射系数、表面电流分布、方向图以及增益等参数的研究，了解天线的工作特性.

图3 天线实物图

反射系数是衡量天线特性的主要参数之一，其仿真与测量曲线如图4所示.图中实线代表仿真结果，虚线为测量结果.从图中可以看出，在3～12 GHz频率范围内，反射系数S11都小于－10dB.测量值与仿真值基本吻合，但还存在一些偏差，主要原因可能是仿真是在理想条件下进行，而天线在加工制造以及焊接时都会产生一定的误差.

图4 反射系数S11曲线

天线的表面电流分布如图5所示.低频时电流主要集中在馈线、馈线与辐射元结合处以及右边的接地块.这说明馈线、辐射元以及右边的接地块在低频段对天线性能的影响占主导地位.在高频时，电流集中在馈线和左边的接地块，加强了馈线与接地平面之间的耦合.因此，高频时天线性能主要受馈线和左边接地块的影响.

方向图是衡量天线特性的另外一个重要参数.图6给出了天线在4GHz，6GHz和8GHz频率点的仿真与测量方向图，其中（a）、（c）、（e）是x－y平面的方向图，（b）、（d）、（f）是y－z平面的方向图.从图6可以看出，天线的辐射近似朝x方向.由于测量条件的原因，方向图在某些角度上会出现测量值与仿真值的偏差.

图5 天线表面电流分布仿真图

图6 天线仿真和测试方向图

图7 给出了所设计天线的测量增益曲线.由图7可见，在整个工作频率范围内，天线的增益由3.2 dBi逐渐增大到5.5dBi，平均增益为4.5dBi，增益随频率的增大而增大.

图7 天线增益曲线

4 结 论

提出了一种新颖的具有两块非对称接地平面结构的高度紧凑型超宽带天线.该天线由半椭圆辐射体和两块接地平面构成，其几何尺寸仅为14mm× 18mm＝252mm2.为了获得天线的优化性能，仿真并分析了影响天线特性的主要几何参数，且在优化的基础上制作了天线实物，对天线的主要指标进行了测试.结果表明，这种新型天线在3～12GHz频率范围内的S11小于－10dB，相对带宽为120%，平均增益达到4.5dBi.由于该天线具有尺寸小、频率宽、增益高等特点，因此，非常适用于小型化的超宽带系统.

参考文献

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Design of a highly compact ultra－wideband antenna with two asymmetric patch grounds

DUAN Jihai LAN Chuang XU Weilin WEI Baolin HAO Qiangyu LI Xiaofeng
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

In this paper，a novel highly compact ultra－wideband（UWB）antenna with two asymmetric patch grounds is proposed for UWB applications.Using the Semi－elliptical radiator and two patch grounds which are mounted to the back side of the antenna，the broad impedance matching and small form factor are achieved.The key parameters that affect the performance of the antenna are studied and optimized.The proposed antenna has been fabricated and measured.The experimental results show that the designed antenna can provide ultra－wide bandwidth with S11＜－10dB，covering standard UWB bandwidth of 3.1～10.6GHz，and the average gain of the antenna is 4.5dBi.The antenna features a very small physical size of 14mm×18mm＝252mm2.

ultra－wideband；miniaturized antenna；asymmetric ground

TN822＋.8

A

1005－0388（2015）02－0339－05

段吉海（1964－），男，广西人，博士，桂林电子科技大学信息与通信学院教授，研究生导师，主要从事射频集成电路研究.

蓝 创（1984－），男（壮族），广西人，桂林电子科技大学信息与通信学院硕士生，主要从事射频集成电路研究.

徐卫林（1976－），男，湖南人，博士，桂林电子科技大学信息与通信学院副教授，研究生导师，主要从事集成电路研究.

2014－04－26

国家自然科学基金（61161003，61166004，61264001）；广西自然科学基金（2013GXNSFAA019333）

联系人：段吉海E－mail：phddjh＠gmail.com