一种小型化超宽带共面波导馈电蘑菇形单极子天线

摘要：提出一种简单的尺寸为23 mmx25 mmx1 mm小型化超宽带共面波导馈电单板子天线，它由梯形槽口接地板、蘑菇形辐射贴片和RF4介质板构成。详细讨论了梯形槽口结构和矩形渐变结构对阻抗特性的影响，分析了天线的辐射特性和增益特性，获得该天线的回波损耗小于-10 dB的带宽为3～13 GHz，在3～11 GHz频段内具有全向性，增益变化范围是2．2～5 dB。
关键词：小型化；超宽带；共面波导；蘑菇形天线

0 引言
    2002年，美联邦通信委员会(FCC)通过决议，将3．1～10．6 GHz作为超宽带系统的工作频谱范围，并允许将其应用于一些民用无线通信领域。近几年来，无线通信技术得到了迅速发展，无线通信系统也对天线的结构和性能提出了更高的要求。因此易于和通信设备集成的共面波导馈电的单极子天线得到了广泛关注，而小型化超宽带天线更以其低剖面、低功耗、宽频带和结构简单等优点成为研究的重要对象。目前，国内外专家学者已经研究出了不少超宽带天线，文献提出了一种新型的平面印制单极子天线，此天线结构简单，全向性较好，但并没有达到超宽带低频的要求。文献的超宽带天线均采用共面波导馈电方式和宽缝隙结构，通过辐射贴片与宽缝隙之间的耦合形成了超宽带的性能。不足的是其尺寸较大或增益较小。文献中提出采用微带线结构的超宽带天线，在保证良好阻抗匹配的同时也存在着尺寸较大等问题，在某些无线移动通信设备应用中存在着一定程度上的局限性。
    本文提出一种采用共面波导馈电的蘑菇形辐射贴片与梯形槽口组合而成的超宽带单极子天线。使用仿真软件分析了该天线结构中的一些参数对天线阻抗特性的影响，并分析了天线的辐射特性及增益特性。

1 天线结构
    天线结构如图1所示，图1(a)为俯视图，图1(b)为侧视图。半径为R的半圆形辐射贴片下方加载两个适当尺寸的矩形带状贴片，形成类蘑菇形结构。梯形槽口的接地板和蘑菇形贴片印制在FR4基板的同一侧，基板相对介电常数为4．4，尺寸W=23 mm，L=25 mm，h=1 mm。为了获得更好的阻抗匹配，采用渐变共面波导结构，中间馈线宽度Wg=2．4 mm。部分天线尺寸如下：g=0．5 mm，L1=5 mm，L2=14．5 mm，L4=1 mm，L5=1 mm，W1=9．8 mm，W3=17 mm，W5=1．7 mm，R=4．2 mm。

2 仿真分析与结果
    为了获得更好的阻抗特性和辐射特性，这里讨论了槽口结构和矩形渐变结构尺寸对天线性能的影响。分析某一参数的影响时，其他参数保持不变。

2．1 参数分析
    该天线通过对接地板开梯形槽，并通过加载矩形带状贴片作为渐变结构来调整和改善天线的输入阻抗，因此接地板的槽口结构及辐射贴片的渐变结构对该天线的性能影响较大。下面将主要通过仿真分析s，W2，L3，W4等参数对天线阻抗带宽的影响，仿真结果如图2～图5所示。
    从图2可以看出参数s主要影响阻抗带宽的低频段和高频段。s值的大小代表共面波导结构的渐变程度，当参数s逐渐增加时，低频段回波损耗减小，低频段带宽得到扩展，但高频段回波损耗增大，当s=0．7 mm，13 GHz频点处S11参数已经不能满足小于-10 dB的要求。

    从图3可以看出参数W2几乎影响着阻抗带宽的整个频段。随着W2值的增大，第一个谐振点向低频移动，高频段回波损耗明显减小。槽越宽低频特性越好，天线带宽越宽。
    从图4可以看出，随着辐射贴片与共面波导地面之间距离L3的增加，天线的阻抗带宽大大增加。主要由于L3的增加使辐射贴片更靠近顶部的共面波导，与共面波导地面之间的激励增加，耦合增强，使得天线的阻抗带宽增加。
    在图5中，参数W4主要影响着阻抗带宽的低频段和谐振点的数目。主要原因是这些矩形带状线的引入不但增加了电流流过贴片路径的长度而且增强了辐射贴片的不连续性，因此能够实现更低频的阻抗匹配，产生额外谐振点。最终优化后的各参数值为s=0．4 mm，W2=9 mm，L3=1.5 mm，W4=1．3 mm。
    图6是优化后天线的回波损耗随频率变化曲线。由图6可知，天线满足回波损耗小于-10 dB的带宽为3～13 GHz，阻抗带宽达到10 GHz，符合超宽带的要求。因此，梯形槽口结构和加载的矩形带状贴片使天线有好的阻抗匹配特性。
2．2 辐射方向图与增益
    阻抗带宽不足以说明天线的实际带宽性能，下面将进一步考察天线在整个频段内的辐射方向图特性。本文选取了四个频率点对天线的辐射方向图进行分析。图7是天线在3 GHz，5 GHz，7 GHz和10 GHz频点的xOz平面归一化辐射方向图。从图7中可以看出，此天线的xOz平面方向图在四个频点下方向图变化不大，均为全向辐射。图8是天线在3 GHz，5 GHz，7 GHz和10 GHz频点的yOz平面方向图，从图中可以看出yOz平面方向图类似于单极子辐射方向图，且在不同的频率下基本保持不变，一致性较好。在高频段，虽然xOz平面和yOz平面方向图发生了一些畸变，但是变化较小，不足以对其应用构成威胁，因此，此天线具有稳定的辐射特性，能够满足UWB频段通信的要求。

    图9是在3～13 GHz带宽范围内得到的增益曲线图，可知该天线最小增益为2．2 dB，当频率超过11 GHz时，增益最高可达7 dB，适用于超宽带系统应用。

3 结论
    本文给出的共面波导馈电的小型化超宽带单极子天线，是由一个梯形槽口接地板和蘑菇形辐射贴片构成，这种结构的天线使贴片与槽口缝隙的阻抗随频率变化而形成互补，从而使得天线在很宽的频率范围内都能达到良好的匹配。通过优化梯形槽口尺寸，加载矩形带状贴片形成的渐变结构，从而实现了天线的小型化与超宽带。最终实现了回波损耗低于-10 dB的超宽带频段为3～13 GHz，而且几乎在整个频段上xOz平面辐射方向图都能保持稳定的全向性，增益保持在2．2 dB以上。该天线结构简单且具有低剖面特性，因此便于应用在各种无线超宽带移动通信设备中。