一种超宽带印刷天线的设计

万小凤，郑宏兴，王晓辉

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

随着无线通信技术的快速发展以及雷达、预警、导弹制导等军事技术的不断进步，工业界及军工系统对天线的结构类型、性能参数、装配方式以及尺寸大小等技术指标都提出了许多新的要求，高性能天线的潜在需求进一步推动了天线技术的发展[1]。传统的超宽带天线一般用平面金属板向外辐射，并带有与辐射板垂直的较大尺寸的接地板结构，其体积大、应用不方便[2]，而印刷超宽带天线兼具天线小型化优势，同时满足超宽带通信的特定要求[3]。超宽带天线的设计方法主要有3种[4]。①多谐振法：通过增加天线的谐振频率来展宽工作带宽。多谐振法是对窄带天线进行改进，通过引入多个不连续谐振点，改变天线边缘衍射场的相位分布关系，进而减小天线谐振时的品质因数，以此实现展宽天线带宽的目的[5]。②电小尺寸辐射法：在天线的结构中只允许有一个与波长相比物理尺寸很小的辐射区，在很宽的频率范围内产生相同的辐射区域。电小尺寸辐射法可以应用到不规则印刷天线的设计中，但其有一个缺点就是天线的增益和远场辐射特性会对频率有较强的依赖性。③相似辐射法：在很宽的频率范围内对天线进行相似辐射结构设计，天线辐射特性与频率无关，可以在很宽的频段内工作。本文对超宽带印刷天线设计进行讨论。

1 超宽带天线分析

超宽带天线的馈电方式一般有3类：共面波导馈电、微带馈电、同轴馈电，如图1所示。共面波导馈电将接地面和辐射单元放置在同一个面上，馈电的结构相当于对同轴线的平面化，同时接地面本身也可以看作是辐射体的一部分[6]。微带馈电又叫边馈[7]，这种馈电方式在介质板的两面都有金属，背面的金属主要是起到微带线地板的作用。同轴馈电[7]是超宽带单极天线早期常见的一种馈电方式，其结构比较简单，在较大的金属平面板上竖立起一块与其垂直的金属辐射单元，底部用同轴线馈电，它的H面方向图近似全向，E面方向图类似蝴蝶形状[6]。这类天线带宽性能好，增益也较大，全向性也较好，缺点就是体积比较大，不易集成化。采用共面波导和微带线馈电的超宽带天线具有体积小、易于系统集成等优点，本文采用的是微带线馈电。

图1 不同馈电类型的天线

超宽带印刷单极子天线的辐射贴片可以做成各种各样的形状，比如三角形[6]、圆形[8]、椭圆形[9]、矩形[10]、八边形[11]等，可以很方便地改变其阻抗带宽和辐射特性。以往的研究表明，提高超宽带印刷单极子天线的带宽有以下几种方法：一是通过采用渐变的馈线来增大天线的带宽[12]；二是通过改变辐射贴片的形状来增大天线带宽，可以用“U”形、铲形、梯形、阶梯形、圆形、水滴形等贴片形式；若采用十字形、U形或者蝴蝶形等结构，天线的驻波比带宽可增大到4∶1，若用圆形、扇形、椭圆形等，带宽会更宽。

2 超宽带天线设计

超宽带印刷单极子天线的正、反面结构图如图2所示，其中阴影部分表示金属。

图2 介质基片的金属片结构

采用微带线进行馈电，圆角矩形贴片和接地板分别印制在Lsub×Wsub×Hsub的介质基片的正反两面，介质基片选用介电常数为4.4的FR4基板，圆角矩形贴片长为L1，宽为L2，并且其4个角被剪切成半径为R的圆角，微带馈线长为L3，宽为W1，接地面长为L4，宽为Wsub，并且在接地板上开尺寸为L5×W1的矩形槽来扩展带宽。

本文采用商业仿真软件HFSS对天线性能进行仿真。首先对未开矩形槽时的天线进行仿真分析，其对应的S11及VSWR曲线如图3、图4中的虚线所示。

图3 开槽前、后天线的回波损耗

图4 开槽前、后天线的电压驻波比

从图中可以看出，天线在3.26～10.25 GHz频段内特性良好，但在10.25 GHz频段处出现了一个不可控的陷波，导致天线性能降低。

针对这种情况，采用在接地面上开矩形槽的方法来消除陷波，同时可以增加天线的带宽，调节矩形槽的尺寸并对其进行仿真，并将仿真结果用实线表示显示在图3、图4中。可以看到此时天线的带宽由原来的3.26～10.25 GHz扩展到了3.13～15.7 GHz，极大地展宽了天线带宽。

3 天线参数优化

下面对影响天线性能的主要参数进行优化。首先，对接地板的长度L4进行优化，分别取L4=12、12.5、13、13.5 mm，改变接地板的长度，实际就是改变辐射贴片与地板之间的距离，从图5的仿真结果可以看出接地板长度的变化主要影响天线的高频性能，对低频影响不大，并且当L4=12.5 mm时天线带宽最大，效果最好。其次，改变天线接地板上开槽的长度L5，观察其变化对天线性能的影响。其他参数保持不变，分别令L5=1、3、5 mm，比较结果如图6所示，通过对比可以发现，当开槽矩形的长度L5=3 mm时带宽最宽，效果最好。最后，对天线介质板的长度Lsub进行优化，令其取值分别为30、35、40 mm，其他参数不变，回波损耗随介质基片长度的变化趋势如图7所示。从图7中可以看出，介质基片长度等于40 mm时，天线的带宽最大。

图5 不同接地板长度对天线带宽的影响

图6 不同槽长对天线影响

图7 不同介质板长度对带宽影响

最终确定天线各部分的尺寸分别为：介质基片长度Lsub=40 mm，宽度Wsub=27 mm，厚度Hsub=1.6 mm；接地板的长度L4=12.5 mm，且接地面的上端开有矩形槽，矩形槽长度L5=3 mm，位于微带线的正下方，微带馈线长度L3=14 mm，宽度W1=2.9 mm，辐射贴片是边长L1=L2=14 mm的正方形，圆角半径为R=4 mm。

4 实验结果

图8 天线的远场辐射特性

根据最后的参数，设计了如图2的超宽带印刷单极子天线，并对天线的远场辐射特性进行仿真。选取工作频段内的 4 GHz、8 GHz、11 GHz和15 GHz作为参考频率点，观察天线的远场辐射特性，方向图如图8所示。从图8中可看出，当频率较低时，天线的方向图呈现良好的单极天线的特性。观察H平面，在低频范围内（4 GHz、8 GHz），辐射场的形状接近圆周，为近似全向辐射；而在高频范围内（11 GHz、15 GHz），辐射场曲线出现明显的不规则的凹凸，全向性有所降低。E面方向图在频率较低时可以获得接近“8“字形的指向性，具有较低的交叉极化电平；当频率较高时，天线的方向图产生一些变形，交叉极化电平也随之升高。总的来讲，天线在整个工作频段内具有良好的近似全向辐射特性。

根据上述优化结果，制作了天线的实物如图9所示。用矢量网络分析仪AV3620测量，结果显示与HFSS软件仿真结果相一致。

图9 天线实物

5 结束语

本文设计了一款微带线馈电的超宽带印刷单极子天线，天线辐射体采用圆角矩形辐射贴片，并通过在接地板上开矩形槽极大地增大了天线的带宽。天线结构简单，体积较小，性能优良，具有较高的应用价值。

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