一种应用于同时同频全双工阵列的UWB天线单元

易卿武，申建华

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

超宽带(Ultra-wideband,UWB)技术最早出现在美国军用领域，2002年4月美国联邦通信委员会(FCC)解除了UWB技术的民用许可限制，从此UWB技术得到快速普及和发展。同时FCC为UWB分配了3.1～10.6 GHz的频谱。我国UWB事业的发展起步较晚，但是受到国家的高度重视，2001年9月初，我国发布的“十五”国家“863”计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，显示了国家对UWB发展的重视。

超宽带通信系统中，超宽带天线扮演着重要角色。迄今，基于超宽带的潜在应用和发展已提出并研究了一系列超宽带天线单元及阵列。作为无线通信的中小功率应用场景，这类天线以微波介质基板为衬底的实现方式(如微带线、共面波导)展开研究的居多。文献[1]中，作者结合医疗健康方面的应用背景，讨论了低吸收率的超宽带天线特性及其设计问题。文献[2]结合近年来太赫兹的发展趋势，讨论了一种椭圆形轮廓的超宽带单极子天线，就其超宽带天线的实现结构，基于单极子工作原理的超宽带天线及其拓展结构得到广泛关注。文献[3]中讨论了三角形结构的单极子。文献[4]研究了花瓣形单极子结构，使其工程设计更具艺术特色。文献[5]对叉形结构的单极子进行了分析，其他结构如F形[6]、猫耳形[7]以及一些更复杂的结构如分形等也得到研究[8-10]。除了单极子的实现方式外，研究表明，槽天线也是一种能实现超宽带辐射工作的重要结构[11-13]。文献[14-15]对平面超宽带天线及其陷波特性的设计等进行了综述。总体而言，这类超宽带天线是边射式的，而在端射式中，Vavaldi天线是典型代表[16-18]。在UHF通信领域中，也可采用平面超宽带结构实现更优良的工作带宽性能[19]。

对超宽带天线而言，在满足工作性能的同时，结构应尽量简单，这样不仅可以降低成本，也使其工作于更鲁棒状态。本文讨论了一种基于有限地共面波导技术实现超宽带辐射的槽天线，具有结构简单、剖面低、带宽大等特点。该天线可以作为基本辐射单元，通过进一步集成应用于同时同频全双工阵列中。原型样机测试表明，在2.55～26 GHz范围内的驻波比小于2，且在8～18 GHz范围内测得的方向图具有较好的一致性。此外，测试结果与仿真结果吻合良好，表明该天线结构及其设计的有效性。

1 天线结构及工作原理

1.1 天线结构

图1所示为所讨论的超宽带槽天线版图(未示意PCB基板)，其结构为：由一条宽度为wg，外半径为ro的环状导带及一段总宽度为w，中间距为wf+2g的对称导带构成有限地宽度的共面波导金属地，而所述总宽度为w的对称导带与其中间宽度为wf的导带一起构成有限地共面波导。中间宽度为wf的导带末端加载一个半径为ri的圆形贴片，其中心与半径为ro的环状导带中心距离为d，而环状导带中心到天线的激励端口距离为h。

该结构背面无金属，电磁波会形成正反面双向辐射，但通过在背面适当位置加载反射面可形成单向辐射。本文侧重对其工作原理及结构的有效性进行分析与验证，故未引入反射板，也未就目前报道较多的陷波问题展开讨论，但依据文献[12]的思想，可实现陷波功能。

图1 超宽带槽天线版图Fig.1 UWB Slot antenna layout

1.2 工作原理

尽管单极子或者槽天线的工作原理简单，但对具体的天线结构来说，其工作原理的细节层面也存在差异，且目前绝大部分超宽带天线的报道中，很少对其工作原理进行讨论。本文为便于描述，基于图1将该天线细分为4个子区域，以虚线示意并分别标注为区域，，Ⓒ，。

首先，来自于激励端口的信号导行在有限地共面波导上，即图中所示区域。此时，电磁场束缚于有限地共面波导中，其电力线自中间导带指向两边地面，为50 Ω传输线状态。经过区域后，系统结构变为有限地槽线，如图中区域，且其槽宽由共面波导间的槽转化为变宽度槽。由槽线特性可知，其特性阻抗也由共面波导的50 Ω迅速增大，槽宽变大越激烈，特性阻抗的增大也越明显，随后在区域Ⓒ中，继续延续这种增加，一直到区域后，槽宽达到最大宽度，而此时其相应的特性阻抗也增加到与自由空间的波阻抗相对应。通过这个过程，完成从共面波导的50 Ω传输线到自由空间之间的阻抗变化关系，即阻抗匹配过程。

其次，作为天线而言，除了阻抗匹配外，还有另一个重要过程，即时变电磁能量的辐射过程。对本研究结构而言，在区域中，其槽宽最大，而当槽宽相应于四分之一波导波长时，即构成单极子辐射原理。因而，由于本结构中区域的槽宽最大，对应于最低频段的辐射，而在区域Ⓒ中，其槽宽处于中间大小，故对应于工作频段的中间段辐射，最后，区域对应的槽宽最小，因而对应于高频段辐射。

以上讨论可知，对于此类天线，其工作原理包括阻抗匹配和能量辐射2个方面。

2 UWB槽天线设计

基于上述讨论，设计一款有限地共面波导的UWB槽天线，其介质基片厚度为0.787 4 mm，相对介电常数为εr=2.33。经优化设计后，其尺寸为：w=14.4,wf=3.9,g=0.25,ri=8.1,ro=22.1,wg=4,d=9.9,h=26.1，其参数参照图1所示，单位为mm。

设计结果表明，该结构相应的最大槽宽为19.9 mm。若以有效相对介电常数按εr的开方估算，则对应的自由空间波长为121.5 mm，即2.469 GHz。

为验证其辐射原理，观察低中高3个频点上的电场分布特性，如图2所示。由图2(a)和图2(b)可知，在低频3 GHz上，不管是瞬时相位为0°或者90°(其对称结果即为180°和270°情况)，在最大槽宽位置的电场均横跨通过，而沿其他方向尽管也有电场分布，但方向相对。这说明在3 GHz(即低频段)的辐射由最大槽宽区域完成。类似的分析可用于对中频段15 GHz以及高频段25 GHz上的讨论，如图2(c)～图2(f)所示。

图2 超宽带槽天线的电场分布仿真结果Fig.2 Simulation results of electric field distribution of UWB slot antenna

3 原型样机实验验证

上述设计的原型天线进一步进行了工程实现，并在实物基础上分别就阻抗匹配和辐射特性进行实验验证。图3所示为仿真与实测的驻波比。

测试表明，该天线在2.55 GHz到超过26 GHz范围内的驻波比小于2，表明其超宽带工作能力，同时测试结果与仿真结果间显示出一致的变化特性。

在此基础上，进一步测试该原型样机的辐射特性。受测试条件限制，这里仅对8～18 GHz范围内的方向图进行了实验验证。

图3 驻波比与增益特性实测结果与仿真结果对比Fig.3 Comparison of measured and simulated results of standing wave ratio and gain characteristics

图4为8，12，15，18 GHz仿真及测试得到的归一化方向图。由图4可以看出，实测结果与仿真方向图间显示出良好的一致性。

图4 归一化方向图实测结果与仿真结果对比Fig.4 Comparison of measured results and simulation results of normalized pattern

以上结果表明，所研制有限地共面波导槽天线具有超宽带工作特性，此外，该天线还具有剖面低、结构简单等特点。

4 集成为同时同频全双工阵列

同时同频全双工阵列是进一步提升频率资源使用效率的重要解决途径。在同时同频全双工阵列中，收发通道之间需要具备良好的隔离度[20]。为进一步探讨该天线作为基本辐射单元在同时同频全双工阵列中的应用潜力，提出一种便于工程实现的拼振方案，以同时同频全双工阵列的一个通道为例，图5给出了该阵列结构示意图。各单元极化方向按图示依次变化，其端口激励相位也依次按90°递进，采用顺序旋转技术，构建圆极化阵列，该阵列可用于同时同频全双工通信及测运控系统中。

图5 一种基于UWB槽天线的同时同频全双工阵列实现方案Fig.5 Implementation of a full duplex array with simultaneous and simultaneous frequency based on UWB slot antenna

5 结束语

本文对一种基于有限地共面波导结构的UWB槽天线进行了分析与设计，从基本工作原理角度进行阐述，并从全波电磁仿真以及原型样机实验角度进行验证。结果表明，所讨论的UWB槽天线具有剖面低、结构简单、带宽大的特点，显示出在UWB系统中的应用潜能。通过进一步集成为天线阵，该天线可作为同时同频全双工阵列的基本辐射单元。