小型共面波导馈电的超宽带天线设计

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1 引言

自从2002年2月美国联邦通信委员会（FCC）将3.1-10.6GHz频段划归超宽带（UWB）的民用频段，UWB无线通信系统的设计和应用便成为了无线通信领域激烈竞争的焦点。作为超宽带系统的重要组成部分，超宽带天线的设计也成为了科学界和工程界的热门研究课题。与以往的天线设计要求相比，UWB通信系统不仅要求天线具有很小的体积、较宽的带宽、一定的辐射效率和全向辐射特性，还要具备较好的脉冲信号保真度。

近年来已经有许多各种各样的UWB天线相继被提出。虽然这些天线具有较大的阻抗带宽和良好的辐射方向图，但是尺寸大部分都比较大，难于制造并与射频前端集成。因此，小型UWB 天线设计成为近年来实验研究的一大热点。现有的大部分平面超宽带天线尺寸一般介于25x25 mm²至40x50 mm²之间，也有尺寸大小为18x30 mm²的超宽带天线被提出，但是很少能有尺寸更小的超宽带天线，特别是共面波导馈电类超宽带天线。前段时间有一个尺寸仅为11x30 mm²的超宽带天线被提出，但其-10 dB阻抗带宽仅为3.1-4.8 GHz。

本文提出的小型超宽带天线尺寸仅为13x30x1.6 mm³，而且天线与地板在介质板的同一层，易于加工并与射频电路集成。尽管尺寸很小，但是在3.1-10.6 GHz内该天线仍然满足VSWR < 2，具有良好的宽带阻抗匹配特性。该天线的H面方向图在低频时是全向的，随着频率的增加，全向性有一定的恶化，但仍然是接近全向的。由于尺寸太小，所以天线的增益较小，这对于应用于短距通信（小于10米）影响不大。所以该天线非常适用于小型超宽带系统，特别是手持超宽带系统的使用。

2 天线设计

本文提出的小型共面波导馈电超宽带天线结构如图1所示，天线的平面尺寸为LxW =13x30 mm²。其主要辐射单元是一个不对称且不规则的金属片，通过在一个两端不规则切角矩形片的一端开槽，再在该槽右端附加一条L形的金属带，从而实现延长电流路径的目的。共面波导传输线具有50om的特性阻抗，宽度为L₁= 4 mm,与地板之间的间隔为g=0.5 mm。该传输线的长度仅有W₉=6 mm。地板是由传输线两端的两条相同的经过折叠弯曲后的窄金属带组成的。靠近馈线与天线的连接处的地板各切去了一个1x1mm的三角形，以此来实现更好的阻抗匹配。该天线被印制在相对介电常数为er=4.4，厚度为h=1.6 mm的FR4介质板的同一侧。这种共面结构容易加工与集成，成本低廉，且与射频电路之间的影响很小。天线的各个参数是通过使用Ansoft公司的HFSS软件仿真优化的结果，最优的结果为：L=30 mm, W=13 mm, L₁=4 mm, L₂=2.5 mm, L₃=3 mm, L₄=5 mm, L₅=1 mm, L₆=7 mm, L₇=1.5 mm, L₈=4.8 mm, L₉=10 mm, L₁₀=22.7 mm, W₁=3 mm, W₂=6.1 mm, W₃=3 mm, W₄=2 mm, W₅=1 mm, W₆=5.8 mm, W₇=1 mm, W₈=1 mm, W₉=6 mm, g=0.5 mm, h=1.6mm, L_slot=4 mm, W_slot=0.5 mm。天线的实物照片如图2所示。