文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2013)01-0090-03
近年来，随着对无线通信需求的不断增加，超宽带技术作为一种短距离高速率无线通信技术越来越受到人们的关注，因此设计一种结构简单、性能良好的超宽带天线具有重大的现实意义。2002年美国FFC（Federal Communications Commission)规定UWB频段为3.1 GHz~10.6 GHz，小型化超宽带天线引起国内外学术界的广泛关注。为了实现微带印刷偶极子天线宽带性能，国内外学者提出了多种多样的天线结构[6-8]，U槽贴片天线、蝴蝶结形、单极子天线等被广泛应用于UWB通信，但是目前这些天线体积较大。参考文献[4]设计的天线采用的是将等腰梯形与圆弧形相结合的方式对接地板进行开槽实现带宽（VSWR<2）为3 GHz~11.8 GHz。出于实际制作和应用的考虑，本文在微带贴片辐射元上开缝，设计一种能满足UWB通信的小型化超宽带天线，便于与射频电路集成，并利用仿真软件HFSS 对天线进行建模和优化。实验表明，所设计的天线能很好地满足超宽带应用的需求。
1 天线结构设计
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，它利用微带线或者同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，而馈电网络又可与天线结构一起制成，剖面薄，体积小，从而实现了小型化。微带导体贴片一般采用规则形状的面积单元,如矩形、圆形或圆形环薄片的微带贴片。在相同的频率工作时，矩形贴片可获得比圆形贴片稍高的效率、增益及更宽的频带。增大天线带宽的方法有：多贴片、缝隙加载、集总元件加载(包括短路针)以及双馈点等。这些方式各有利弊，如：多贴片和集总元件加载都会使天线的结构变复杂，而双馈点时谐振频率调谐范围受到一定的限制、开槽可能改变谐振频点等。因此，在设计时，必须综合考虑，使得相应的参数满足设计要求。本文设计的天线的基本结构如图1所示，该天线印刷在覆铜介质基板上,由接地面、缝隙贴片单元、馈电结构组成。介质基板尺寸为30 mm×35 mm×1.5 mm,接地面的尺寸为30 mm×11.5 mm,缝隙的宽度都是0.5 mm。材料是介电常数为4.4的FR4介质，采用缝隙贴片单元与接地面进行馈电。其实影响天线辐射性能的因素有很多，主要是由辐射贴片的尺寸、几何形状和缝隙的尺寸决定，在HFSS 中建立模型，对天线几何尺寸进行优化。
2 天线的分析与仿真
天线的辐射主要是由辐射贴片尺寸、开缝的尺寸和位置决定的，通过在辐射贴片上开缝可以实现超宽带带宽（回波损耗S11≤-10 dB）为2.5 GHz~11.5 GHz，相对带宽为128%，如图2所示。
天线的阻抗带宽不足以说明天线的性能，该天线在实现超宽带性能的同时，具有对称的方向图和良好的增益。图4(a)、(b)所示为天线在2.0、4.5和8.0 GHz下的仿真辐射方向图。该天线在低频率点H面方向图在工作频段内呈全向辐射，在φ=0和φ=π时辐射最强，E面方向图主要波瓣在θ=0和θ=π；在较高频率点主波方向稍有改变，H面在φ=-π/2时辐射为零。
该天线在超宽带频段内有良好的增益，仿真增益如图5所示, 在2.5 GHz~11.5 GHz全频带内, 增益大于3.6 dBi。天线的仿真增益在3.6 dB~8.05 dB左右范围内波动。最大增益为8.05 dBi，比一般的微带天线的增益要大。从图5中可以看出，天线的增益随着频率的增高而逐渐增大，最大达到8.05 dBi，频率高于4.5 GHz时，天线的增益处于一个比较平坦趋势，天线在高频段的增益较高是因为天线匹配较好。因此可知此天线能达到很好的性能，满足UWB通信的需求。
表1给出了本研究与参考文献[5-8]天线的参数，对比后可以看出本研究设计的天线在带宽和尺寸上都有明显的优势，证明了在辐射贴片上开缝能够有效地展宽天线的阻抗频带。
3 天线制作
为了验证所设计的天线的实用性和有效性，利用HFSS对其进行了综合优化,优化后的尺寸为:W=30 mm, W1=15 mm,W2=1.5 mm,W3=1.5 mm,W4=5.25 mm, H=12.5 mm,H1=1 mm,H2=1.5 mm,L=35 mm,L1=27 mm,L2=5.25 mm,S=5.85 mm,S1=0.5 mm。根据优化后得到的尺寸，对该天线进行实际加工和测试,并利用AV3620矢量网络分析仪对天线实物进行测试,实物图和测试的反射系数如图6所示。
从图6可以看出，仿真的天线回波损耗和实际测试的回波损耗基本上吻合，只是在2.8 GHz~10 GHz之间稍有偏差。出现这种误差的原因主要是由介质板的厚度、开缝的尺寸和位置等因素造成的。但实测的结果基本上能满足超宽带的要求。
本文提出了一种简单的开缝实现超宽带工作的微带天线，分析了不同尺寸的辐射贴片对天线带宽的影响。此天线的结构能产生超宽带，并且大大缩减了天线尺寸，其原理就是通过使用这种贴片与开缝的结构，减少了电流的突变，起到改变天线面上电流分布的作用，改善了天线的阻抗特性，并且减少了电阻和电抗的波动幅度，使之形成良好的匹配。此天线具有良好的方向性能和增益性能。通过对天线参数的优化，该微带馈电的天线可以工作在2.6 GHz~11.5 GHz的频带范围内。该天线结构简单、易于加工制作，满足目前超宽带通信需求。
参考文献
[1] 李存龙, 史小卫, 徐乐，等.一种开双C型槽的新型宽带微带天线设计[J]. 现代电子技术, 2010,33(5): 70-72.
[2] 车仁信, 纪颖, 刘广生，等. 一种U型宽带微带天线的设计与制作[J].大连交通大学学报,2007, 28(1):54-57.
[3] 周超, 曹海林, 杨力生. 一种改进的共面波导馈电超宽带天线设计[J]. 重庆邮电大学学报：自然科学版, 2008,20(1): 39-41.
[4] 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.
[5] 赵红梅, 田向, 路立平. 一种新型平面超宽带天线的设计[J].电信科学, 2011,27(8):74-78.
[6] REN Y J, CHANG K. An annual ring antenna for UWB communications[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, 2006,5(5):274-276.
[7] CHEN Y L, RUAN C L, PEG L. A novel ultra-wideband bow-tie slot antenna in wireless communication systems[J]. Progress In Electromagnetics Research Letters, 2008,1(5):101-108.
[8] 廖昆明, 吴毅强, 陈力. 超宽频单极子陶瓷介质谐振器天线设计与仿真[J].电子元件与材料,2011,30(9):50-52.