超宽带平面单极子天线的分析和设计说明

超宽带平面单极子天线的分析和设计

永志庭王伟光秋林王一笑旭

（中国航天科工集团8511研究所， 210007）

摘要：本文研究了一种应用于超宽频带的平面单极子天线。用传输线理论的等效电路方法分析了展宽平面

单极天线带宽的措施，即添加切角和短路枝节。设计出了一种实用的超宽频带平面单极子天线，并对该天线

进行了数值仿真。计算的电压驻波比和辐射方向图与实测结果吻合良好。

关键词：平面单极子天线，传输线理论，超宽带

Analysis and Design of the Ultra Wide Band Planar Monopole Antenna Sun Yongzhi Li Ting Wang Weiguang Chen Qiulin Wang Yixiao Zhao Xu (No.8511 Research Institute of China Aerospace Science Industry Corp of China, Nanjing 210007)

Abstract: In this paper, coordinate transformation method was used to analyze two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.And the electromagnetic dispersion equation of electromagnetic invisibility cloaking was given.The calculation results show that two-dimensional cylindrical electromagnetic invisibility cloaking.has good scattering Characteristics for the electromagnetic wave.

Keywords: Planar monopole antennas; Transmission line theory;Ultra Wide Band

1 引言

超宽带（Ultra Wide Band，缩写为UWB）是一种利用纳秒至微微秒级的非正弦窄脉冲传输数据的无载波通信技术，与传统通讯系统相比，所占用的频带宽度大大变宽。FCC（美国联邦通信委员会）对UWB系统给出明确规，规定3.1～10.6GHz为UWB系统占用频带，带信号辐射功率密度低于-41.3dBm/MHz，并且要求带反射系数S11小于-10dB[1]。

UWB系统不仅要求天线具有全向辐射特性，还要求天线在整个频带有良好的阻抗匹配特性和较高的辐射效率，并且还要考虑移动通讯设备对天线尺寸的要求。平面单极子天线及其变形，由于结构简单、制造成本低和频带宽等特性，已经成为近来UWB天线设计的研究热点。

本文主要讨论以平面单极子天线为基础的UWB 天线的分析与设计。定性分析了平面单极子天线的工作原理，讨论展宽天线阻抗带宽的措施。在此基础上，设计出了一种实用的平面单极子天线，测量的驻波比和方向图与仿真结果非常吻合。

2 平面单极子天线的基本原理

众所周知，直立细线单极子天线的阻抗带宽很窄。

现在有很多文献都在探索和研究展宽天线阻抗带宽的方法和技术，如在矩形平面单极子上添加切角和短路支节等[2]，如图1所示。定性分析与展宽天线阻抗带宽有关的参数及其作用，平面单极子天线的电流主要集中在天线的底部和左右边缘两侧，并且水平方向上的电流密度远大于垂直方向上的电流密度[3]。因此，我们不妨切除天线上几乎没有电流分布的区域，用U形或半圆形等来等效整个平面单极

子。

图1 带切角和短路支节平面单极子天线的结构

从传输线理论讲，切角可以等效为多段水平传输线，它们的特性阻抗随离开馈电的距离增加而增大。此时，天线就可看成是不同特性阻抗传输线的级联，根据传输线的宽带匹配思想，经过适当设计切角可以展宽平面单极天线的阻抗频带。

在单极子的一侧（如右侧）添加短路支节，此时对应等效电路模型，该侧的负载阻抗为近似为0。因此，短路支节构成另一谐振回路，如果设计合理，即可产生新的谐振频点，从而展宽天线带宽。

3 UWB平面单极子天线的仿真和测试结果及其分析

依据等效电路原理的设计思路，考虑到制作的可实现性，经过多次分析和仿真发现只添加切角不可能达到设计要求，最后，增加电路枝节后，我们得到满足设计要求的模型天线尺寸如下：

地板尺寸为92mm×76mm，平面单极子高度h=38mm，宽度w=54mm，馈电间隙h gap=1mm，馈电平面宽度w gap=3mm，短路枝节宽度w s=1mm，切角角度α=90。计算和测量电压驻波如图2所示。

基金项目：国家高技术研究发展计划（2007AA7）；

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

Simulated

Measured

V

S

W

R

Frequency, GHz

图2 电压驻波比测量与仿真结果比较

由图2可知在3.1-10.6GHz频带，UWB天线满足VSWR<1.925即是满足S11<-10dB。

平面单极天线结构对称，H平面辐射方向图是全向的。方向图在UWB3.1-10.6GHz带宽围H平面是全向性的。E面方向图随着频率的升高，发生了畸变，这是由于测量仪器动态围不够以及随着频率升高连接被测天线、参考天线与收发机的电缆衰减大大增加的缘故。仿真与测量方向图如图3所示。

E面3.5GHz E面4.5GH

E面5.5GHz E面6.5GHz

H面3.5GHz H面4.5GHz