小型共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)方案

1 引言
　　自從2002年2月美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將3.1-10.6GHz頻段劃歸超寬帶（UWB）的民用頻段，UWB無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用便成為了無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)也成為了科學(xué)界和工程界的熱門(mén)研究課題。與以往的天線(xiàn)設(shè)計(jì)要求相比，UWB通信系統(tǒng)不僅要求天線(xiàn)具有很小的體積、較寬的帶寬、一定的輻射效率和全向輻射特性，還要具備較好的脈沖信號(hào)保真度。
　　近年來(lái)已經(jīng)有許多各種各樣的UWB天線(xiàn)相繼被提出。雖然這些天線(xiàn)具有較大的阻抗帶寬和良好的輻射方向圖，但是尺寸大部分都比較大，難于制造并與射頻前端集成。因此，小型UWB 天線(xiàn)設(shè)計(jì)成為近年來(lái)實(shí)驗(yàn)研究的一大熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的大部分平面超寬帶天線(xiàn)尺寸一般介于25x25 mm2至40x50 mm2之間，也有尺寸大小為18x30 mm2的超寬帶天線(xiàn)被提出，但是很少能有尺寸更小的超寬帶天線(xiàn)，特別是共面波導(dǎo)饋電類(lèi)超寬帶天線(xiàn)。前段時(shí)間有一個(gè)尺寸僅為11x30 mm2的超寬帶天線(xiàn)被提出，但其-10 dB阻抗帶寬僅為3.1-4.8 GHz。
　　本文提出的小型超寬帶天線(xiàn)尺寸僅為13x30x1.6 mm3，而且天線(xiàn)與地板在介質(zhì)板的同一層，易于加工并與射頻電路集成。盡管尺寸很小，但是在3.1-10.6 GHz內(nèi)該天線(xiàn)仍然滿(mǎn)足VSWR 《 2，具有良好的寬帶阻抗匹配特性。該天線(xiàn)的H面方向圖在低頻時(shí)是全向的，隨著頻率的增加，全向性有一定的惡化，但仍然是接近全向的。由于尺寸太小，所以天線(xiàn)的增益較小，這對(duì)于應(yīng)用于短距通信（小于10米）影響不大。所以該天線(xiàn)非常適用于小型超寬帶系統(tǒng)，特別是手持超寬帶系統(tǒng)的使用。
　　2 天線(xiàn)設(shè)計(jì)
　　本文提出的小型共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線(xiàn)的平面尺寸為L(zhǎng)xW =13x30 mm2。其主要輻射單元是一個(gè)不對(duì)稱(chēng)且不規(guī)則的金屬片，通過(guò)在一個(gè)兩端不規(guī)則切角矩形片的一端開(kāi)槽，再在該槽右端附加一條L形的金屬帶，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)電流路徑的目的。共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)具有50om的特性阻抗，寬度為L(zhǎng)1= 4 mm，與地板之間的間隔為g=0.5 mm。該傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度僅有W9=6 mm。地板是由傳輸線(xiàn)兩端的兩條相同的經(jīng)過(guò)折疊彎曲后的窄金屬帶組成的?？拷伨€(xiàn)與天線(xiàn)的連接處的地板各切去了一個(gè)1x1mm的三角形，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的阻抗匹配。該天線(xiàn)被印制在相對(duì)介電常數(shù)為er=4.4，厚度為h=1.6 mm的FR4介質(zhì)板的同一側(cè)。這種共面結(jié)構(gòu)容易加工與集成，成本低廉，且與射頻電路之間的影響很小。天線(xiàn)的各個(gè)參數(shù)是通過(guò)使用Ansoft公司的HFSS軟件仿真優(yōu)化的結(jié)果，最優(yōu)的結(jié)果為：L=30 mm， W=13 mm， L1=4 mm， L2=2.5 mm， L3=3 mm， L4=5 mm， L5=1 mm， L6=7 mm， L7=1.5 mm， L8=4.8 mm， L9=10 mm， L10=22.7 mm， W1=3 mm， W2=6.1 mm， W3=3 mm， W4=2 mm， W5=1 mm， W6=5.8 mm， W7=1 mm， W8=1 mm， W9=6 mm， g=0.5 mm， h=1.6mm， L_slot=4 mm， W_slot=0.5 mm。天線(xiàn)的實(shí)物照片如圖2所示。