一種基于DMS技術(shù)的UWB平面單極子天線設(shè)計(jì)

隨著無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣，超寬帶(UWB)無線通信技術(shù)受到了更多關(guān)注。FCC規(guī)定，將3．1～10．6 GHz之間的7．5 GHz的頻段分配給超寬帶無線通信業(yè)務(wù)使用。其中，UWB天線的設(shè)計(jì)與研究是超寬帶的關(guān)鍵技術(shù)之一。要求天線必須滿足在很寬的頻帶內(nèi)能實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，具有穩(wěn)定的增益和良好的輻射方向特性等，并要求天線具有工藝簡單、體積小、重量輕、加工成本低和便于集成等優(yōu)點(diǎn)。由于在UWB通信系統(tǒng)的頻帶內(nèi)還存在WLAN(無線局域網(wǎng)系統(tǒng))，其工作帶寬為5．15～5．825 GHz頻帶，從系統(tǒng)兼容的角度出發(fā)，為了抑制WLAN系統(tǒng)對(duì)UWB系統(tǒng)的干擾，通常需在UWB系統(tǒng)中加入帶阻濾波器，這勢必增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此設(shè)計(jì)具有陷波特性的UWB天線具有實(shí)際意義。
    印刷單極子天線已經(jīng)無數(shù)次被驗(yàn)證其超寬帶的良好特性。為了進(jìn)一步減小天線尺寸和改善頻帶帶寬,不少學(xué)者已經(jīng)做了許多的研究工作，比如采用不同形狀的輻射貼片單元和饋電技術(shù)，包括微帶和共面波導(dǎo)饋電，這些改進(jìn)的主要目的是為了進(jìn)一步展寬可用頻帶。文中通過采用有損微帶結(jié)構(gòu)(DMS)和斜角處理兩種技術(shù)，來展寬平面單極子天線的頻帶帶寬，主要的做法是通過拉低低頻端的頻率和增加高頻端的頻率來實(shí)現(xiàn)天線頻帶的展寬。以此設(shè)計(jì)的新型超寬帶平面單極天線，該天線在2～12 GHz內(nèi)反射系數(shù)均<-10 dB，增益最高可6．15 dB達(dá)同時(shí)，并通過在貼片上開L型槽來實(shí)現(xiàn)陷波特性，使天線在5～6 GHz頻帶范圍內(nèi)具有陷波特性。

1 天線的設(shè)計(jì)
    天線的介質(zhì)基板選取RT Duroid 5880，介電常數(shù)為2．17，厚度為1．27 mm。天線如圖1所示。設(shè)計(jì)同時(shí)采用了以下兩種不同的技術(shù)來改善天線在較寬的頻帶范圍上的VSWR值，(1)采用一種新型的微帶饋線結(jié)構(gòu)叫有損微帶結(jié)構(gòu)(DMS)，該平面結(jié)構(gòu)通過對(duì)微帶饋線的變形來降低低頻段的頻率，而對(duì)原天線的增益和輻射方向圖影響不大。(2)在地板上靠近輻射貼片的饋源端采用平滑的斜角處理，能較好地展寬高頻段的可用頻率。斜角處理使得共面波導(dǎo)到輻射貼片之間能實(shí)現(xiàn)較好的平滑轉(zhuǎn)換。讓地板與輻射貼片之間更好地互耦，而產(chǎn)生諧振，以實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍上的阻抗匹配。因?yàn)槲У牟贿B續(xù)性會(huì)導(dǎo)致近場不必要的反射，而反射引起的反射損耗會(huì)導(dǎo)致能量的損失，減弱了天線遠(yuǎn)場輻射。即地板上的平滑斜角處理有效地避免了連接處尖銳的突起和饋電端與地板之間的不連續(xù)性，同時(shí)也較好地實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)與輻射部分的阻抗匹配。

    天線輻射貼片上的斜角約取17．3°，地板上的斜角約取18．7°。仿真驗(yàn)證了該處理能使天線在較寬的頻帶范圍里實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，且VSWR<2。另一方面是對(duì)地板上的微帶饋線采用有損微帶技術(shù)(DMS)可較好地拉低低頻段的頻率，DMS技術(shù)在以往的UWB天線設(shè)計(jì)里有不同的程度的應(yīng)用，像減小天線的矩形輻射貼片的尺寸，將其作為微帶天線的一種調(diào)諧技術(shù)。
    文中DMS的主要作用是用來增加低頻段天線的電長度，使該結(jié)構(gòu)成為輻射貼片單元的一部分，而不僅僅是饋線的一部分。因此，該結(jié)構(gòu)起到了縫隙輻射的作用，以實(shí)現(xiàn)天線在更低的頻段上能產(chǎn)生諧振，也就是通過DMS結(jié)構(gòu)和輻射貼片的相互諧振來拉低整個(gè)天線低頻端的頻率，對(duì)比文獻(xiàn)中的單極子天線，本文設(shè)計(jì)的天線可展寬天線有效帶寬可超過1GHz，該有損結(jié)構(gòu)離微帶饋線的邊約為0.3mm，長約19mm，寬約0.25mm。輻射貼片長約29．5 mln、寬約32 mm，地板長約25 mm。
    同時(shí)為實(shí)現(xiàn)陷波特性而引入半波長的諧振結(jié)構(gòu)，在輻射貼片上開L形槽，其長度約為需要抑制頻率對(duì)應(yīng)波長的八分之一，使得天線在該點(diǎn)附近的阻抗失配，駐波比顯著增加。L形槽的關(guān)系可用式(1)表示
   
    其中，fnotched為陷波中心頻率；C為光速；Ls為L形槽的總長；εre為相對(duì)有效介電常數(shù)。通過式(1)可求出L形槽的初始尺寸，然后可在仿真中進(jìn)行優(yōu)化，寬約1．2 mm、長約26 mm。

2 結(jié)果
    仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)使用HFSS11軟件，通過優(yōu)化，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)低頻段的輻射特性主要取決于共面波導(dǎo)上的DMS的設(shè)計(jì)，見圖2所示，該圖為不同頻率下天線上的電流分布。文中天線的仿真分析集中在2．2 GHz、1O GHz一低一高的兩頻段。

    從圖2中可以看到，在2．2 GHz時(shí)DMS上的電流分布密度比在10 GHz時(shí)的更稠密，意味著該結(jié)構(gòu)在2．2 GHz時(shí)比10 GHz時(shí)輻射更為強(qiáng)烈。而且?guī)MS結(jié)構(gòu)的饋線遠(yuǎn)比輻射貼片上的電流密度稠密。所以，在改善天線低頻端特性上，饋線上的DMS結(jié)構(gòu)扮演著非常重要的角色，相當(dāng)于輻射貼片的一部分。
    在圖3中，天線的VSWR曲線在2～12 GHz的整個(gè)頻段上，除在4．9～5 GHz范圍外，整體數(shù)值在2以下，應(yīng)用頻帶較寬，L型槽起到了陷波的作用。在圖4中，為該天線的S11參數(shù)圖，從圖中可以明顯的看到整個(gè)頻段除4．9～5 GHz外，整條曲線都在-10 dB以下，與天線的VSWR曲線反映的較為一致。

    除了有較好的匹配外，帶DMS結(jié)構(gòu)和平滑斜角處理的UWB天線的輻射方向圖在諧振頻率上近似為全向橢圓，輻射方向圖相當(dāng)于全向天線。圖5為天線在2．2、10 GHz時(shí)的E面輻射方向圖和增益3D圖，從圖中可以看出天線在2．2 GHz時(shí)，VSWR值約為1．08，其增益可達(dá)4．09 dB；而在10 GHz時(shí)天線的VSWR值約1．4，其增益可達(dá)6．13 dB。天線VSWR值較低時(shí)，其天線增益也相對(duì)低一些；當(dāng)天線VSWR值稍高時(shí)，其對(duì)應(yīng)增益也就相應(yīng)的高一些。

3 結(jié)束語
    文中設(shè)計(jì)了一種新型的平面UWB單極子天線，該天線上通過采用了DMS技術(shù)來改善該天線頻帶的低頻段的特性，而且對(duì)天線原有的輻射方向圖和增益影響不大。該方法將DMS結(jié)構(gòu)作為輻射貼片的一部分，有效地增強(qiáng)了天線在低頻端的輻射效率，相當(dāng)于延展了天線在低頻端的電長度。另外，斜角處理技術(shù)則使輻射貼片在高頻段的更高頻率上更容易被匹配，以此來展寬其高頻端的頻率。使得整個(gè)天線的可用頻帶超過FCC規(guī)定的UWB頻段將近3 GHz，而且在輻射貼片上加載L型槽線，可實(shí)現(xiàn)陷波特性。該天線結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用頻帶寬，增益較高，有廣闊的應(yīng)用前景。