一种蝶形平面超宽带(UWB)天线的设计

摘要：超宽带无线通信技术以其低功耗、高带宽、低复杂度等优点而倍受重视，使用蝶形结构设计了一种新的平面超宽带天线。该天线由同轴馈电，天线的制作是通过在介质基板上下面上分别印刷一个半圆形金属，在上层刻蚀掉2个正方形图案，下层刻蚀掉2个半圆形图案实现。仿真和实物实测结果都可以证实，天线的工作频带为3．1～10．6 GHz，有很好的全向辐射方向图和良好的线性相位响应。因此，该天线的特性能够满足超宽带的要求，可用于无载波超宽带无线数据通信系统。
关键词：平面天线；超宽带天线；全向天线；天线测量；蝶形

    联邦通信委员会(FCC)分配了3．1～10．6 GHz的频谱资源给超宽带无线通信应用，在学术和工业领域内引起了超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)天线的研究热潮。与其他系统的天线相比，一个性能优良的UWB超宽带应用天线，除了具有很宽的频带外，还要有近似全向的辐射方向图和良好的色散特性。
    尽管一个传统的单极子天线，例如椭圆形单极子天线，具有很好的超宽带特性，但是在超宽带系统中使用这样的天线，非平面结构是其主要的缺点。平面单极子天线通常由微带线或者各种形状的波导(Coplanar Waveguide，CPW)馈电，这些馈电方式之所以如此受关注，是因为这些馈电方式适合于超宽带应用，具有很多优点，例如：低剖面，重量轻和易于制作。但是设计人员就必须更关注于馈电线的设计，这样使得设计变得较为复杂。
    文中提出了一种新型的平面超宽带天线，使用了蝶形结构，同轴馈电，设计过程非常简单，无需考虑馈电线。天线结构是通过在介质基板的2面分别印刷上一个半圆形金属，在辐射面上刻蚀掉2个对称的正方形和在接地面上刻蚀掉2个半圆形图案实现的。

1 天线的设计
    文中所提出的超宽带天线由同轴馈电，馈电位置如图1所示。天线制作在FR-4环氧树脂介质基板上，板层厚度为1．6 mm，相对介电常数εr=4．4，损耗正切tanδ=0．02。该天线的几何结构和参数如图1所示。天线结构的辐射面是在介质板上层面印刷了一个半圆形金属平面，在半圆的两边对称地刻蚀掉2个正方形平面，如图1(a)所示：天线接地板同样是在介质板下层面印制了一个半圆形金属平面，左右两边对称地刻蚀掉了2个半圆形平面，如图1(b)所示。天线最后的优化参数为a=30 mm，b=4 mm和R=8 mm。

2 仿真和测试结果
    该天线的设计和分析是基于有限元算法的商用化软件Ansoft HFSS11进行的，并利用该软件获得了仿真结果。除此之外，作者还根据仿真模型制作了一款实物天线，如图2所示。使用Agilent公司生产的E8363B矢量网络分析仪对实物天线进行了测量。
    下面为了讨论天线辐射片上切掉的两个对称的正方形面和接地面上切掉的两个对称的半圆形面的影响，利用仿真软件分别对正方形面的边长b和半圆形面直径R对于反射损耗的影响进行了分析。

    不同的边长b对天线性能的影响如图3所示。由图可以看出，尺寸b不同时，天线的第1个谐振点基本上保持不变，这是因为天线的主要频带是由天线的辐射面大小决定的。当b值小于5 mm时天线反射损耗表现为在带内的幅度和频点的微小波动，当b值大于5 mm时天线回波损耗曲线出现了两个较深的谐振点，随着b值增大第一个频点的深度逐渐加深，第2个频点的频率逐渐增大，深度加深。

    不同的R值对天线特性的影响如图4所示。因为R值改变的是接地板的形状，相对于b值的影响，直径R的影响要小的多，不同的R值，基本上不改变天线的频带特性，只是影响带内不同频点的反射深度。
    通过以上讨论获得了天线性能的优化模型，以下对该优化模型结果进行分析。
    天线的驻波比(VSWR)结果如图5所示。由图可以看出，在超过预设频带3．1～10．6 GHz的范围内，该天线的VSWR≤2。

    天线在不同频点4．7和10 GHz的x-z和y-z面的仿真辐射图如图6，7和8所示。由图可以看出，在x-z面，该超宽带天线较低频段(3～7 GHz)具有较好的全向辐射特性；在x-z面，频率为10 GHz时，辐射方向图几乎为全向。

    最后，文中讨论天线在无失真情况下发送和接收脉冲的特性。由于超宽带系统使用脉冲传输，一个重要的问题是天线脉冲失真。理想情况下，希望是一个线性相位响应(不变群延迟)。在此情况下，我们先测量2天线间的频域传输系数，然后转化为时域结果。2天线间隔30 cm，其群时延结果如图9所示。该天线在大于超宽带天线频带的范围内群延迟变化小于0．8 ns。群延迟特性表明，该天线相位线性超过了超宽带频段。

3 结论
    文中成功设计了一个由同轴馈电的平面超宽带天线。天线的设计简单，仿真和测量结果表明，所设计的天线覆盖UWB系统的3．1～10．6 GHz频段，天线具有很好的全向辐射特性和良好的线性相位响应。因此，该天线能够适用于一定的UWB应用。