【導讀】一直以來超寬帶無線通信技術(shù)都是熱議的焦點，因為其高寬帶、低功耗、低復雜度的優(yōu)點得到一致好評。本文使用蝶形結(jié)構(gòu)設(shè)計出一款新的平面超寬帶天線。該設(shè)計能夠滿足超寬帶的要求，能夠應用在無載波超寬帶無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。
該天線由同軸饋電，天線的制作是通過在介質(zhì)基板上下面上分別印刷一個半圓形金屬，在上層刻蝕掉2個正方形圖案，下層刻蝕掉2個半圓形圖案實現(xiàn)。仿真和實物 實測結(jié)果都可以證實，天線的工作頻帶為3.1～10.6 GHz，有很好的全向輻射方向圖和良好的線性相位響應。
聯(lián)邦通信委員會(FCC)分配了3.1～10.6 GHz的頻譜資源給超寬帶無線通信應用，在學術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)引起了超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)天線的研究熱潮。與其他系統(tǒng)的天線相比，一個性能優(yōu)良的UWB超寬帶應用天線，除了具有很寬的頻帶外，還要有近似全向的輻射方向圖和良 好的色散特性。
盡管一個傳統(tǒng)的單極子天線，例如橢圓形單極子天線，具有很好的超寬帶特性，但是在超寬帶系統(tǒng)中使用這樣的天線，非平面結(jié)構(gòu)是其主要的缺點。平面單極 子天線通常由微帶線或者各種形狀的波導(Coplanar Waveguide，CPW)饋電，這些饋電方式之所以如此受關(guān)注，是因為這些饋電方式適合于超寬帶應用，具有很多優(yōu)點，例如：低剖面，重量輕和易于制 作。但是設(shè)計人員就必須更關(guān)注于饋電線的設(shè)計，這樣使得設(shè)計變得較為復雜。
文中提出了一種新型的平面超寬帶天線，使用了蝶形結(jié)構(gòu)，同軸饋電，設(shè)計過程非常簡單，無需考慮饋電線。天線結(jié)構(gòu)是通過在介質(zhì)基板的2面分別印刷上一個半圓形金屬，在輻射面上刻蝕掉2個對稱的正方形和在接地面上刻蝕掉2個半圓形圖案實現(xiàn)的。
1 天線的設(shè)計
文中所提出的超寬帶天線由同軸饋電，饋電位置如圖1所示。天線制作在FR-4環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板上，板層厚度為1.6 mm，相對介電常數(shù)εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02。該天線的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1所示。天線結(jié)構(gòu)的輻射面是在介質(zhì)板上層面印刷了一個半圓形金 屬平面，在半圓的兩邊對稱地刻蝕掉2個正方形平面，如圖1(a)所示：天線接地板同樣是在介質(zhì)板下層面印制了一個半圓形金屬平面，左右兩邊對稱地刻蝕掉了2個半圓形平面，如圖1(b)所示。天線最后的優(yōu)化參數(shù)為a=30 mm，b=4 mm和R=8 mm。
圖2
2 仿真和測試結(jié)果
該天線的設(shè)計和分析是基于有限元算法的商用化軟件Ansoft HFSS11進行的，并利用該軟件獲得了仿真結(jié)果。除此之外，作者還根據(jù)仿真模型制作了一款實物天線，如圖2所示。使用Agilent公司生產(chǎn)的E8363B矢量網(wǎng)絡分析儀對實物天線進行了測量。
下面為了討論天線輻射片上切掉的兩個對稱的正方形面和接地面上切掉的兩個對稱的半圓形面的影響，利用仿真軟件分別對正方形面的邊長b和半圓形面直徑R對于反射損耗的影響進行了分析。
圖3
圖4
圖6
天線在不同頻點4.7和10 GHz的x-z和y-z面的仿真輻射圖如圖6，7和8所示。由圖可以看出，在x-z面，該超寬帶天線較低頻段(3～7 GHz)具有較好的全向輻射特性;在x-z面，頻率為10 GHz時，輻射方向圖幾乎為全向。
圖9
結(jié)語
文中成功設(shè)計了一個由同軸饋電的平面超寬帶天線。天線的設(shè)計簡單，仿真和測量結(jié)果表明，所設(shè)計的天線覆蓋UWB系統(tǒng)的3.1～10.6 GHz頻段，天線具有很好的全向輻射特性和良好的線性相位響應。
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