一种新型高增益超宽带(UWB)宽槽天线阵的设计要点

一种新型高增益超宽带（UWB）宽槽天线阵的设计

陈董黄晓东程崇虎

（南京邮电大学电子科学与工程学院，南京210003）

摘要：设计了一种新型高增益超宽带（UWB）宽槽天线阵。该天线阵采用了一种新型的组阵方式，将两个超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面，再用微带线进行反相馈电。这种新型的组阵方式在宽频带内保持了两个天线阵元的同相和对称，用电磁仿真软件IE3D对该天线阵的特性进行了仿真计算。仿真结果表明，该天线阵带宽为101.7%（|S11|≤-10dB），增益5dBi～7dBi，比单个宽槽增益提高了约3dBi。关键词：高增益天线，宽槽天线，天线阵，超宽带

A Novel High-Gain Ultra-wideband (UWB) Wide Slot Antenna Array Design

Chen Dong Huang Xiaodong Cheng Chonghu

(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003)

Abstract:A novel high-gain ultra-wideband (UWB) wide slot antenna array is presented in this paper. A couple of UWB wide slot antennas are fabricated on the opposite sides of the substrate and fed by microstrip line. The commercial electromagnetic simulator IE3D is employed to optimize the performance of the antenna array. This method keeps the couple of antennas in-phase and symmetrical over a wideband frequency range. The simulated results show that the impedance bandwidth of the antenna array is around 101.7 %（|S11|≤-10dB）. The gain is from 5dBi to 7dBi, which is 3dBi higher than that of a single wide slot antenna.

Keywords:High-gain antenna; Wide slot antenna; Antenna array; Ultra-wideband (UWB)

1 引言

随着无线通信技术的发展，特别是2002年美国通信委员会（FCC）将3.1~10.6 GHz频段作为超宽带（UWB）通信使用[1]，使超宽带天线技术的研究成为一个新的研究热点。

在众多的宽带天线结构中，微带宽槽天线因其带宽（|S11|≤-10dB）宽，制造公差要求低等优点而得到了广泛的研究，已经有大量宽槽结构的超宽带天线出现在相关的文献中，如矩形[2-4]，三角形和半圆形[5,6]，锥形[7]等。在通信领域中，为了达到一定覆盖范围和信号强度，又要求天线具有较高的增益，而当单个天线达不到增益要求时，组阵是提高增益的一种常见方法。传统的并联馈电组阵方式[8]如图

基金项目：教育部博士点基金（200802930002）1(a)和(b)所示，除了馈电结构复杂，占用较大的电路面积外，而且还存在着以下问题：1、如图1(a)所示的组阵方式无法做到在水平面或垂直面内全向辐射；2、对于宽槽结构的超宽带天线，其接地面的大小对天线性能也有着一定的影响，在采用图1(b)的并联馈电的组阵方式后，由于天线阵元的排列方式不是关于y轴对称，一个阵元的等效接地面会受到另一个阵元的影响，两个阵元的电流分布是非对称的，从而造成天线阵的最大辐射方向与单个阵元的最大辐射方向不一致。

针对上述问题，本文设计了一种新型高增益超宽带宽槽天线阵。该天线阵采用了一种新型的组阵方式，将两个超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面，再用微带线进行反相馈电。这种新型的组阵方式在宽频带内保持了两个天线阵元的同相和对称，用电磁仿真软件IE3D对该天线阵的特性

·1·

·2·

进行了仿真计算。仿真结果表明，该天线阵带宽为101.7%（|S 11|≤-10dB ），增益5dBi ～7dBi ，比单个宽槽增益提高了约3dBi ，而且结构紧凑，制作方便。

图1 传统宽槽天线组阵方式

2 天线结构与性能

图2 (a)所示为超宽带宽槽天线阵阵元的结构图[6]，图1(b)和(c)分别为阵元天线的反射系数与增益测量值。

图2

图3所示为超宽带宽槽天线阵的结构图。该天线阵将两个图1(a)中所示的超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面，再用微带线进行反相馈电，这样就能在宽频带内保持两个天线阵元的同相和对称。用电磁仿真软件IE3D 对该天线阵的特性进行了仿真计算。图4所示为仿真的天线阵反射系数，从图中可以看出从2.8GHz 到8.6GHz ，天线阵的反射系数都在-10dB 以下，相对带宽为101.7%。图5所示为仿真天线阵增益，仿真结果表明天线阵的增益为5dBi ～7dBi ，比单个宽槽增益提高约3dBi 。

图3 超宽带宽槽天线阵结构图

图4 天线阵反射系数

·3·

G a i n (d B i )

Frequency (GHz)

图5 天线阵增益

3 结束语

本文设计了一种新型高增益超宽带宽槽天线阵。该天线阵采用了一种新型的组阵方式，将两个超宽带宽槽天线正反相对的制作在同一个介质基板的两面，再用微带线进行反相馈电。这种新型的组阵方式在宽频带内保持了两个天线阵元间的同相和对称。仿真结果表明，该天线阵带宽为101.7%（|S 11|≤-10dB ），天线阵增益为5dBi ～7dBi ，比单个宽槽增益提高了约3dBi ，而且结构紧凑，制作方便。

参 考 文 献

[1] Revision of Part 15 of the Communication’s Rules Regarding Ultra -Wideband Transmission Systems, Federal Communications

Commission, ET-Docket 98-153, FCC 02-48, 2002.

[2] Y . W. Jang, Broadband cross-shaped microstrip-fed slot antenna, Electron. Lett ., V ol. 36, 2056-2057, 2000.

[3] J. Y . Sze and K. L. Wong, Bandwidth enhancement of a microstrip-line-fed printed wide-slot antenna, IEEE Trans. Antennas

Propag ., V ol. 49, 1020-1024, 2001.

[4] Y . W. Jang, Experimental study of large bandwidth three-offset microstrip-fed slot antenna, IEEE Microwave Wireless Com. Lett .,

V ol. 11, 425-427, 2001.

[5] Y . F. Liu, K.L. Lau, Q. Xue, and C.H. Chan, Experimental studies of printed wide slot antenna for wide-band applications, IEEE

Antennas Wireless Propag. Lett ., V ol. 3, 273-275, 2004.

[6] D. Chen and C. H. Cheng, A novel ultra-wideband microstrip-line fed wide-slot antenna, Microwave and Optical Technology Lett.,

V ol. 48, 776-777, 2006

[7] S. Cheng, Paul Hallbjörner, and Anders Rydberg, Printed slot inverted cone antenna for ultrawideband applications, IEEE Antennas

Wireless Propag. Lett ., V ol. 7, 18-21, 2008.

[8] John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, 天线 [M]. 北京:电子工业出版社，2004

作者简介：

黄晓东，男，博士研究生，主要研究领域为微波无源电路，小型化宽带天线等。 陈董，男，博士研究生，主要研究领域为微波滤波器，射频电路等。 程崇虎，男，教授、博导，主要研究领域为微波无源电路，计算电磁学等。