基于共面波导馈电的超宽带天线研究与设计

周瑞城

摘要：为了更好的符合超宽带天线的性能要求，本文根据天线结构的特点进行设计，采用的材料为2.65的聚四氟乙烯，设计天线的尺寸为长35毫米，宽35毫米，高1.6毫米，并利用仿真软件HFSS对天线的参数进行仿真，然后对仿真结果进行分析，最后通过分析其参数得到优化尺寸。

关键词：共面波导馈电;超宽带天线;结构设计;HFSS仿真;参数优化

前言

在早期，人们使用微带天线，它的最大优势是体积小和重量轻，但受很窄频带的限制，不能起到很大的发挥作用。随着通信系统快速发展，其小型化和宽带化取得长远的进步。由微带天线过渡到小型化超宽带，简称为UWB。小型化超宽带之所以引起人们的广泛关注，是因为美国是第一个使用以3.1千兆赫兹到10.6千兆赫兹作为超宽带通信频段。小型化超宽带通信系统虽然具有体积小、宽带较宽、辐射效率良好等这些优势，但是不能更好的和射频设备集成加上制造困难。因此，研究小型化超宽带成为全球研究的重点和方向。

1天线结构设计

人们为了把微带天线的性能发挥到最大化，越来越多的研究者纷纷加入研究天线结构的队伍，还提出各种各样的天线结构的构想，有U糟贴片天线、蝴蝶结形等。周旺、李迎松和刘乘源这些研究者采用对称结构共面波导设计出天线，该天线可达到3.5千兆赫到11.0千兆赫，但该设计存在体积较大的缺陷。辐射贴片一般采用如矩形、圆形环薄片等规则形状的面积单元。相同的频率工作的条件，相对于圆形贴片，矩形贴片在效率、增益以及频带的方面上更有优势。增大天线宽带的方法比较多，如采用多贴片、集总元件加载、缝隙加载等。这些方法有优点也有缺点，比如采用多贴片和集总元件加载会导致天线的结构变得复杂。所以设计天线的过程中，需要从多方面思考，根据不同情况采取对应的方法。本文基于共面波导技术对天线进行设计，把天线放在单层覆铜介质基板上，有共面波导地面以及其非对称多边形槽、十字形贴片单元和共面波导馈电结构，其中，共面波导馈电结构包括馈电信号带和其两边的细缝。该电线馈电是通过十字形贴片单元和有限地共面波导进行的。本文设计的天线如图1所示：

2天线的仿真研究

为保障设计的效果与实用，本文考虑到两方面，一个是介质基板的厚度，另一个是有限地共面波导结构。根据其结构得出以下公式：

以上公式（1）～（4）主要是用在有限地的共面波导馈电阻抗的计算，由此可算出共面波导的信号带线的宽度和缝隙宽度。本文利用软件HFSS对该天线的关键参数进行方针与优化。

到现在为止，研究大多数针对对称共面波导，虽然共面波导是对称结构，但制作而成的大部分属于非对称。非对称结构的共面波导在实验设备与器件的应用方面上具有灵活性，有时候特殊情况会需要非对称结构的共面波导。所以，非对称结构的共面波导的研究较为普遍。从非对称多边形槽尺寸的优化可看出，多边形槽尺寸每次增大，该天线的抗组特性就越好，因为槽的尺寸得到增大，可以降低辐射贴片与共面波导接地面之间的谐振作用，进而使天线的阻抗带宽变好。本文还对该天线参数进行扫描且优化，由此可发现，辐射贴片越小，那么辐射能量随之越小，其宽带也同样越小。同理，辐射贴片越大，那么该天线的阻抗宽带随之越大。再者，馈电间隙越小，宽带也会跟着越小，因为缝隙每次减少，会引起耦合电容产生波动，进而使该天线阻抗宽带变窄。此外，本文设计的天线还具有良好的增益指标，通过仿真发现，当该天线处于2.2千兆赫到8.0千兆赫的频段内，其增益超过3分贝时，其增益会随之增大，频率超过4千兆赫时，其增益会处于稳定状态，可高达8.17分贝，也就是说与常见的微带天线相比，该天线的增益效果更好。

综上所述，相对于各天线，本文设计的超宽带天线在增益、重量还有体积方面上更具有优势，也方便了共面波导技术还有缺陷地结构的展开。

3结论

本文通过利用共面波导技术与缺陷地结构以来改善传统微带天线的缺陷，如体积大、窄频带等。经过优化处理的超宽带天线可以顺利的与射频设备集成，且所涉及的非对称结构共面波导馈电天线实现在2.2千兆赫到8.0千兆赫的频带范围内工作。在保障超宽带天线性能的前提下，该天线结构不复杂，也就是说加工制作容易，还具有增益及稳定性，较符合当前使用通信的需求。

参考文献

[1]李迎松，杨晓冬，刘乘源.共面波导馈电的超宽带天线研究[J].电子测量与仪器学报，2010，24（9）：819-823.

[2]何洪文，徐广臣，郝虎，et al.金属间化合物的形成引发Sn-Bi晶须的生长[J].稀有金属材料与工程，2016.

[3]周旺，李迎松，刘乘源.共面波导馈电的超宽带天线研究[J].微波学報，2010，26（8）：234-237.

[4]廖昆明，吴毅强，陈力.超宽频单极子陶瓷介质诺振器天线设计与仿真[J].电子元件与材料，2011，30（9）：50-52.