一种新型平面超宽带天线的设计概要

研究与开发研究与开发
提出了一种微带线馈电的新型平面超宽带单极天线。

该天线由带有弧边的金属贴片与开槽接地板构成
，通过等腰梯形与圆弧形相结合的方式对接地板进行开槽，将其等分为相互耦合的两部分，起到了阻抗匹配与拓宽带宽的效果。

仿真结果表明反射损耗在-10dB 以下的频率覆盖范围为3～11.8GHz ，并且在3.4～11.2GHz 频带驻波比在1.5以下，具有良好的全向辐射特性。

该天线结构简单，体积小，适合在UWB 通信中应用。

关键词
微带线馈电；平面超宽带单极天线；等腰梯形；圆弧；开槽
一种新型平面超宽带天线的设计*
赵红梅，田
向，路立平
（郑州轻工业学院电气信息工程学院郑州450002）
摘要
1引言
近年来，随着对无线通信需求的不断增加，超宽带技术
作为一种短距离高速率无线通信技术越来越受到人们的关注。

2002年美国FCC （federal communications commission ，联邦通信委员会）规定UWB 频段为3.1～10.6GHz ［1］，自此有许多技术针对这一频段展开研究。

作为超宽带通信技术的重要组成部分，UWB 天线应具有频带宽、全向辐射、辐射效率高等特点［2］；同时，为了适应电路集成化和小型化的发展趋势，超宽带印制单极天线在通信设备中被广泛采用［3～5］。

对于微带线印制单极天线，为实现其超宽带特性，应从天线辐射体与微带线两方面考虑，通过调整其结构和尺寸实现超宽带性能。

参考文献［6］采用了对地板开一个半圆形槽的方式，改善天线在5～8.2GHz 的辐射性能，并起到
在一定频带内稳定增益的效果，但并不能改善更低频带的辐射特性；参考文献［7］采用了渐变的叉状调谐枝节和对称的金属底板获得超宽带的频率性能，但天线尺寸较大；参考文献［8］采用具有矩形和圆形组合结构的馈电单元和辐射单元展宽天线工作带宽。

参考文献［9］提出具有渐变梯形接地面结构（A 型）和具有凹形接地面结构（B 型）两种印制天线，本文对B 型天线进行改进，将凹形开槽接地面调整为等腰梯形与半圆弧相结合的开槽接地面，同时将矩形辐射贴片的侧边改为弧状，从而大大减小了天线尺寸，结构简单，易于集成，成本低。

2天线结构和特性分析
根据参考文献［9］中提到的等效原理设计天线尺寸，并
通过HFSS 软件仿真对其尺寸进行调整，最终确定天线各尺寸的大小。

整个介质基片长L =30mm ，宽W =28mm ，采用厚度
H =1.6mm 、相对介电常数为4.4的FR4材料，根据微带线
*河南省科技攻关项目（No. 112102210188），河南省教育厅自然科学基金研究计划资助项目（No. 2010B140017）
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的特性阻抗计算公式，可以得出微带线宽度为3mm 。

微带线馈电的小型化超宽带天线及尺寸如图1所示。

对于小型化超宽带微带天线，最不易满足的就是低频带参数，随着天线尺寸的减小，其谐振频率点也相应地增大。

在天线尺寸一定小的情况下改善低频带性能，需要采取一定的方法间接地达到“增加”天线尺寸的目的。

本文提出的微带天线，通过调整辐射金属贴片两弧边的弧度变化改善中低频带的反射损耗，并通过在接地板开等腰梯形凹槽和半圆形槽拓宽带宽，同时在仿真中还发现，在一定范围内调整微带线的长度可以有效地将谐振点左移，从而改善低频带性能。

辐射贴片弧边的弧度对天线性能影响很大，改变其大小，可以改善微带线与辐射贴片之间的阻抗匹配以及辐射贴片上电流的流通路径，在天线其他各个参数不变的情况
下，通过调整辐射贴片弧边的弧度变化观察天线的反射特性。

椭圆长轴为
15mm 时，辐射贴片弧边的弧度为0.4、
0.3、0.2、0.1时对反射系数的影响如图2所示。

由图2可见，随着椭圆弧度的增加，两谐振频率点间距缩小，使3～6GHz 处的反射损耗变小，有效地拓展了低频带带宽，改善了低频带反射系数。

为了进一步改善天线的辐射特性，在其他各个参数不变的情况下，对地面四边形凹槽形状进行调整，通过天线表面的电场分布可以发现，微带线表面电场与其正下方接地面表面电场形成强耦合，耦合电场与微带线表面电场大小成正比，相位相反。

在电场沿着微带线流入辐射贴片进行辐射的同时，微带线正下方接地面表面形成的强耦合电场也顺着微带线流向辐射贴片方向，并在接地面截断处向两边扩散。

通过对微带线上频率为3GHz 处场强及接地面耦合场强强度的分析发现，当在接地面中间开等腰梯形凹槽时，微带线上流入辐射贴片的电场强度减弱，但耦合到
接地面的场强却增强，使得大部分3GHz 处的电场强度通过接地面辐射出去，有效地减小了反射系数。

顶边为1mm 、底边为0.2mm 、高为10.5mm 的等腰梯形凹槽和宽
0.2mm 、高10.5mm 的矩形凹槽与无矩形和等腰梯形凹
槽3种情况对天线性能的影响如图3所示。

由图3可见，在地面开槽可以使谐振频率点左移，使低频性能变优；同时发现渐变的等腰梯形凹槽效果要好于矩形槽。

通过观察频率为3GHz 处接地面耦合电场分布，发现半圆形槽可以有效地将电场平滑地引流到接地面两侧，使得在3GHz 附近的反射系数降低，调整接地板上的半圆形槽的圆心位置观察天线特性的变化。

圆心距接地面
0.8mm 、1.2mm 、1.6mm （即没有圆弧凹槽），半径为1.6
mm
图1
微带馈电印制单极天线结构（单位：mm
）
图2辐射贴片弧边的弧度对天线反射系数的影响75
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的圆所形成的圆弧形凹槽对天线性能的影响如图4所示。

由图4可见，随着地面圆弧切口的增大，低频谐振频率点性能变优，为了满足低频处3.1GHz 最小频点的性能要求，应选择较大的圆弧切口。

微带线长度是接地面长度和接地面与辐射贴片之间的缝隙宽度之和。

通过参考文献［9］可知，间隙和接地面都
作为振子体的一部分产生辐射作用，对其进行调整可以改变馈入电抗成分和振子结构，增加辐射体尺寸，改善低频谐振频率。

当间隙调整到1.5mm 时性能最优，在间隙不变的情况下，适当地调整微带线的长度观察天线性能的变化。

微带线长度对天线性能的影响如图5所示。

由图5可知，随着微带线长度的增加，谐振频率点
左
图3
天线接地面四边形凹槽对天线性能的影响
图4
天线接地面圆弧形凹槽对天线性能的影响
图5微带线长度对天线性能的影响
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移，但谐振点间距不变。

3实验结果及讨论
对于优化后的天线，因其在接地面上引入等腰梯
形和圆弧形凹槽，在辐射贴片与接地面之间引入的电抗成分增加，减小了因频率变化而引起的阻抗偏移，使其反射系数在很宽的频率范围内都能满足要求，如图6所示。

由图6可见，在3～11.8GHz 反射损耗都在-10dB 以下，在3.4～11.2GHz 频带驻波比保持在1.5以下。

对于不同频率的天线方向，仿真结果如图7、8所示，它们分别是频率为
3GHz 、6GHz 、9GHz 处的天线
xOz 面与y O z 面的方向图，在3GHz 时天线增益保持较
好的全向性，但随着频率的增加，部分方向上的增益变化很大。

由天线在x O z 平面的方向图可见，随着频率的增加，增益在30°、90°（+x ）、180°（-z ）、270°（-x ）4个方向附近下降比较快，而对于y O z 面，主要在0°（+z ）、90°（+y ）、180°
（-z ）方向增益下降。

观察x O z 辐射方向图，可以发现在±x 方向辐射并不对称，尤其是频率在
9GHz 时表现最为明显，此现象也可以通过天线表面电场强度分布情况看出，其主要原因是电场通过微带线进入辐射贴片过程中，一部分耦合到了接地面，并通过接地面向空间辐射，随着频率的增加，耦合到接地面的电场强度明显小于“流入”辐射贴片的电场强度，因此才出现±x 方向辐射不对称的情况。

在x O z 与y O z 方向图中也可以发现，±z 方向的增益也不对称，其主要是由于在辐射面两侧介质不同而造成的；随着频率的增加，-z 方向的增益衰减明显大
于+z 方向，这说明介质的介电常数越大，储存到介质中的电场能量越大［10］，增益衰减将会越大。

4结束语
通过对参考文献［9］中B 型天线各尺寸进行调整，并
对接地板和辐射贴片进行改进，从而提出一种新型的超宽带微带单极子天线，其尺寸为28mm ×30mm ，相对于原来
的31.5mm ×38.2mm ，尺寸明显减小，阻抗带宽为3～11.8GHz
，
图6
天线反射损耗仿真结果
图7
x O z
平面方向图
图8y Oz 平面方向图
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满足FCC 规定的超宽带带宽3.1～10.6GHz 的要求，并且在3.4～11.2GHz 内驻波比都保持在1.5以下，具有很好的全向辐射特性：采用介电常数为4.4的FR4介质，价格便宜，易于制作和集成。

但还需要做进一步研究，一方面进一步减小其体积，另一方面使其在5.15～5.825GHz ［11，12］
具有
带阻特性，以遏制与其他通信频段的相互干扰。

参考文献
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12Seyed M R Razavizadeh. A band -notched UWB microstrip
antenna with a resonance back C -shaped ring. In：Second International Conference on Advances in Satellite and Space Communications，Athens，Greece，2010［作者简介］
赵红梅，博士，副教授，主要研究方向为微波射
频天线技术、超宽带无线通信技术；田向，郑州轻工业学院硕士研究生，主要研究方向为小型化超宽带微带天线；路立平，硕士，副教授，主要研究方向为传感器、电子测量和检测控制等。

Design of a Novel Planar Ultra -Wideband Antenna
Zhao Hongmei，Tian Xiang，Lu Liping
（College of Electric and Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China）Abstract A microstrip -fed novel planar ultra -wideband monopole antenna with a metal patch of arc side and a notched ground plate is proposed. A notch of semicircle unite isosceles trapezoid structure divided the ground into two coupled parts，the antenna impedance matching and bandwidth have been enhanced. The simulation results show that return loss＜-10dB bandwidth covers a frequency range between 3GHz and 11.8GHz. And the frequency range that VSWR ＜1.5is between 3.4GHz and 11.2GHz，with good omni -directional radiation performance. This type of antenna is simple in structure，small in size，suitable for UWB communications.
Key words microstrip -fed，planar ultra -wideband monopole antenna，isosceles trapezoid，arc，notch
（收稿日期：2011-05-23）
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