一种“钳”形超宽带天线的设计

孔璇 王世奎 张宇烜

摘要：随着无线通信技术在航空领域的飞速发展，频谱资源日益紧张，对超宽带（Ultra Wide Band， UWB）天线的研制需求愈加迫切。由于UWB天线会与窄带通信系统产生相互干扰，因此需要改进天线结构，实现对窄带信号的干扰抑制。通过设计、加工一款带有T形缝隙结构的“钳”形UWB天线，在背面接地板上刻蚀两个T形缝隙，使该天线的阻抗带宽得到了扩展。天线尺寸为30mm×35mm×1.6mm，仿真和测试结果表明，该天线的-10dB阻抗带宽为9GHz（3GHz～12GHz），相对带宽达到120%。

关键词： UWB天线;“钳”形; T形缝隙; 阻抗带宽; 增益曲线

中图分类号：TP393    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）13-0005-04

1引言

近年来，无线通信技术的飞速发展和其在航空领域的广泛应用导致了频谱资源日益紧张，航空无线通信技术对超宽带（UWB）系统的需求不断增加，也使超宽带天线研究开发的需求和重要性不断提升。与窄带天线不同，UWB天线的工作原理是通过发射和接收时间为纳秒级甚至更小的窄脉冲向外辐射信号，通过提高数倍的信道带宽，提高信道容量。UWB天线高数据速率的特点非常适合机载短距离无线通信的应用场景。例如，机载设备间可采用无线通信的方式传输短距离音视频数据。超宽带天线性能的好坏直接决定了无线通信系统的性能。因此，研究和设计高性能的小型化超宽带天线在民用和军用领域，均具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

自从美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communications Commission）于2002年首次批准3.1GHz～10.6GHz频段内的超宽带商业使用规则以来[1]，UWB技术突破了军事通信和雷达遥感应用的局限性，成为商用及民用无线通信系统在短距离、高速率传输上的研究热点[2]。UWB天线作为无线通信系统的重要组成部分，在整个系统中起着非常重要的作用，对超宽带系统的发展和超宽带天线的研究具有极其重要的意义，受到了国内外学者的广泛关注[3-5]。由于超宽带通信系统的工作频段包括了WiMAX频段（3.3 GHz～3.6GHz）、C波段（3.7 GHz～4.2GHz）、WLAN频段（5.15 GHz～5.35GHz）和X波段（7.25 GHz～7.75GHz）等窄带通信系统频段，UWB系统会与上述窄带通信系统产生相互干扰，因此，通常需要在天线前端加滤波器滤除窄带信号，严重阻碍了超宽带天线的小型化和集成化。在对UWB天线的几种类型系统地研究后发现[6-8]，印刷缝隙天线仅通过对天线结构的改进就能实现窄带信号干扰的抑制，降低了系统复杂度。同时，由于其带宽较宽、结构简单、成本低、易于制造等优点而备受关注，并且在文献中已经提出了具有不同缝隙形状和馈电结构的各种印刷缝隙天线[9-12]，获得了比较令人满意的天线特性。

无线通信技术能解决机载网络布线复杂度、带宽能耗受限、成本高昂等问题，机载网络可以应用无线通信技术，实现无人机光电、射频系统设备高清图像/视频传输、蒙皮感知系统的动态组网及机上数据加卸载。为了满足天线在机载环境的应用需求，提高超宽带系统的性能，近年来，可重构超宽带缝隙天线的研究也逐渐成为热点，基于RF MEMS、PIN二极管以及变容二极管等开关元件设计的可重构超宽带天线进一步增大了天线的阻抗带宽，实现了天线在多个工作频段上的自由切换[13-15]。

为了降低与共享频率资源的其他系统的干扰电平，需要设计具有阻带滤波特性的UWB天线，结合机载环境UWB天线小型化及信道带宽的需求，提出一种新型的圆扳手形UWB缝隙平面微带天线。通过在背面接地板上刻蚀两个T形槽，有效提高了天线阻抗带宽，天线的总尺寸为35×30×1.6mm?。通过仿真及实物测试，结果表明，该天线在VSWR小于2的条件下可产生9GHz（3 GHz～12GHz）的阻抗带宽。

2 天线结构

作为偶极子的互补天线，缝隙天线是由缝隙表面的等效磁流源进行辐射，利用巴比涅原理，可以从偶极子的辐射特性推导出缝隙天线的辐射及近场特性，即用等效偶极子天线在空间某点的磁场乘以该点的介质波阻抗，得到窄缝天线在该点的电场。对于UWB天线的设计而言，由于导电或导磁尺寸有限，边缘效应会影响公式求解结果。因此，需要利用仿真及实物测试相结合的方法来分析、研究天线的辐射特性。

本文设计了一种新型的圆形扳手UWB天线，其形态类似于一个“钳”形，该天线采用线宽为3mm的50欧姆微带线馈电，通过在背面地板刻蚀两个T形缝隙，实现了扩展阻抗带宽的作用。

天线的馈电结构是由介质基板上表面的T形缝隙、辐射体和介质基板下表面的微带线共同构成，微带线末端具有开路枝节，用于宽频带范围内的阻抗匹配;微带线宽度由公式计算得出，用于与 50欧姆的SMA 接头相匹配;天线的辐射体主要由印刷在介质板上表面的金属贴片决定，缝隙将该贴片分成两个辐射阵子。

由于机载设备安装位置不同，汇聚节点、终端节点的作用不同，天线的设计是否满足无线信道条件需要通过电磁学仿真进行建模，分析复杂封闭机舱内射频通道的极化、传输及衰减特性，设计无线组网的信号计划方案和针对典型孔洞的信号衰减模型。常用的天线仿真工具有HFSS和CST，二者相比，HFSS的仿真精度較高，但CST仿真速度较快。由于机载环境下需要仿真的结构庞大，用HFSS仿真较慢，因而选用CST完成相关仿真工作。

2.1 设计参数

天线正反面结构分别如图1、图2所示，天线基板采用介电常数为4.4的FR4介质基板，板厚为1.6mm。

该天线模型的设计使用CST电磁仿真软件完成，在CST环境下优化的各项参数值如图1和图2所示，分别为：基板宽度W = 30mm，基板长度L = 35mm，如图1所示的正面带条尺寸参数：L1 = 16.9mm，L2 = 1.3mm，L3 = 5.2mm，W2 = 2.6mm，如图2所示的天线背面设计参数为：L4 = 16mm，L5 = 4mm，L6 = 3mm，L7 = 14mm，L8 = 3mm，W1 = 3mm， W3 = 1.5mm，W4 = 4mm，W5 = 1.5mm，W6 = 5mm。

如圖2所示，在接地面上刻蚀两个尺寸不同的背对背T形槽。在馈线的末端，应用了圆弧形的贴片辐射器，从而在整个工作频带上产生良好的阻抗匹配。

2.2 模式分析

文章设计的天线在3.5GHz、7GHz和10GHz三个频率下的表面电流分布如图3所示。可以发现，强表面电流沿馈线、馈线下方的T形槽以及扳手状辐射片流动，该结果证实设计的UWB天线的性能主要取决于馈线、接地平面上的T形槽和辐射贴片。

3 仿真结果

3.1 “钳”形天线的S参数仿真结果

图4给出了不同的R值对天线S11曲线的影响，可以看出，R值过大或过小，低频部分的匹配均较差，所以经优化最终取R = 4.2mm。

图5给出了天线的S11仿真曲线。仿真结果表明，该天线的-10dB阻抗带宽约为9 GHz（3GHz～12GHz），相对带宽约为120%。

3.2 “钳”形天线的辐射特性

“钳”形UWB天线在3GHz频率下E面和H面的方向图如图6所示。

该天线在6GHz频率下E面和H面的方向图如图7所示。

该天线在9 GHz频率下E面和H面的方向图如图8所示。由图6～图8对比可知，天线方向图在阻抗带宽范围内保持了较好的一致性，E面方向图均呈“8”字形，H面均近似为全向辐射，满足UWB天线全向性的要求。

图9为天线的增益曲线。由图9可知，天线增益在带宽范围内均大于3dBi，在约10GHz时有最大增益约为5.4dBi。

4 天线加工与测试结果

4.1天线加工实物

为了进一步验证设计的准确性，文章基于UWB天线设计原型制作了天线实物。如图10所示，天线印刷在一张整体尺寸为 35mm×30mm×1.6mm的 FR4 硬质电路板上，整体呈现矩形结构，一端焊接上 SMA 接头，以方便测试。

4.2 测试结果

文章所设计天线的测试使用Agilent公司N5247A矢量网络分析仪完成，测试结果如图11所示，为了方便测试仿真结果的差异，图11中用实线表示了天线的S11参数测试结果，虚线表示了仿真结果。

从图11中可以看出，该天线测试的 |S11| < ?10dB 的阻抗带宽为3GHz～12GHz，与仿真结果给出的2.95GHz～12.11GHz带宽略有缩小。可以从图11中看出，由于测试误差，曲线出现了不该有的毛刺，仿真结果和测试结果之间的差异是由于SMA接头、制造公差以及基板介电常数随频率变化而导致的。对比仿真和测试的反射系数结果可以发现，两曲线在谐振点上有较为一致的表现，在3.5GHz、7GHz和11GHz 处都表示出了类似的谐振特性。

5 结束语

5G时代的到来使无线通信技术在航空领域的应用越来越广泛。机载设备端到端的无线传输实现了装备减重、快速拆装、动态组网的功能，具有重大的战略意义。为了满足机载设备之间短距离高速数据传输的需求，需要研究支持高传输速率的超带宽技术。UWB天线作为射频模拟信号接收和发射装置，关系着系统的整体性能。

为了降低与共享频率资源的其他系统的干扰电平，本文提出了一种新型的“钳”形UWB天线设计，根据缝隙天线的馈电方式和辐射机理，给出了天线的设计思路，即采用线宽为3mm的50欧姆微带线馈电，通过在背面接地板刻蚀两个T形缝隙，实现了扩展阻抗带宽的作用。仿真和测试结果表明，该天线的-10dB阻抗带宽为9GHz（3GHz～12GHz），相对带宽为120%。天线增益在带宽范围内均大于3dBi，在约10GHz时有最大增益约为5.4dBi。

参考文献：

[1] Federal Communications Commission. Revision of Part 15 of the Commissions Rules Regarding Ultra Wideband Transmission Systems[R]. Washington， DC： ET-Docket， 2002， 98-153.

[2] Fereidoony F，Chamaani S，Mirtaheri S A.Systematic design of UWB monopole antennas with stable omnidirectional radiation pattern[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11：752-755.

[3] Zhao D S，Lan L T，Han Y F，et al.Optically controlled reconfigurable band-notched UWB antenna for cognitive radio applications[J].IEEE Photonics Technology Letters，2014，26（21）：2173-2176.

[4] Siddiqui J Y，Saha C，Antar Y M M.Compact SRR loaded UWB circular monopole antenna with frequency Notch characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（8）：4015-4020.

[5] Emadian S R，Ahmadi-Shokouh J.Very small dual band-notched rectangular slot antenna with enhanced impedance bandwidth[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（10）：4529-4534.

[6] Reddy G S，Kamma A，Kharche S，et al.Cross-configured directional UWB antennas for multidirectional pattern diversity characteristics[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（2）：853-858.

[7] Singhal S，Singh A K.Beveled monopole antenna with slot loaded semicircular like ground plane for UWB applications[J].Microwave and Optical Technology Letters，2015，57（6）：1289-1296.

[8] Liu H W，Ku C H，Wang T S，et al.Compactmonopole antenna with band-notched characteristic for UWB applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2010，9：397-400.

[9] Fan S T，Yin Y Z，Kang L，et al.Bandwidth enhancement of a coplanar waveguide-fed asymmetrical slot antenna with a rectangular patch[J].Microwave and Optical Technology Letters，2010，52（10）：2259-2261.

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

[11] Chen H D.Broadband CPW-fed square slot antennas with a widened tuning stub[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2003，51（8）：1982-1986.

[12] Li P C，Liang J X，Chen X D.Study of printed elliptical/circular slot antennas for ultra wideband applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54（6）：1670-1675.

[13] Li F，Jiao Y C，Ren L S，et al.Compact double T-shaped slots antenna with a rectangular patch for bandwidth enhancement[C]//Guangzhou： Proceedings of the 9th International Symposium on Antennas， Propagation and EM Theory， 2010.

[14] Ding T Y， Zhang L，Zhang S Q，et al.Adaptive high-level isolation between two closely placed copolarized antennas using tunable screen[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2017，16：1016-1019.

[15] Ding T Y，Zhang S Q，Zhang L，et al.Smart cylindrical dome antenna based on active frequency selective surface[J].International Journal of Antennas and Propagation， 2017：1-14.

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