一種改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線

摘要：為了優(yōu)化超寬帶天線的阻抗帶寬，提出了一種改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線，通過增加階梯形缺口及采用部分接地面從而改善超寬帶阻抗匹配。測(cè)量結(jié)果表明，天線的輸入阻抗帶寬達(dá)74．7％(3．45～7．56 GHz)，同時(shí)數(shù)值仿真表明在y-z和x-z平面方向圖呈對(duì)稱分布。
關(guān)鍵詞：超寬帶天線；杠鈴形天線；部分接地面；數(shù)值仿真；方向圖

0 引言
    超寬帶(UWB)技術(shù)作為一種無線通信技術(shù)，在短距離室內(nèi)高速無線通信方面也受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。根據(jù)FCC規(guī)定，將3．1～10．6 GHz之間的7．5 GHz頻段分配給超寬帶通信業(yè)務(wù)使用。在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶天線是關(guān)鍵部件，因此，相當(dāng)多的研究者致力于超寬帶天線的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)高的數(shù)據(jù)傳輸速率、低功耗、簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)，如射頻識(shí)別、傳感器網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)、定位跟蹤等。
    近來許多研究集中在分形天線，分形天線的優(yōu)點(diǎn)如尺寸小、重量輕、厚度薄正好滿足手持設(shè)備的要求，采用分形概念是天線原理與設(shè)計(jì)很有前景的研究方向之一，許多研究者對(duì)分形天線做出了積極的研究，如帶有分形雙枝樹縫隙的雙波段開槽共面波導(dǎo)饋電天線，采用分形概念的樹形超寬帶天線和超寬帶杠鈴形天線，Sierpinski分形天線和snowflake分形天線等。這些天線通過采用不同結(jié)構(gòu)的分形特性，能得到更好的阻抗匹配帶寬和輻射方向圖。
    本文在超寬帶杠鈴形天線基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)措施，從而獲得更好的阻抗帶寬，天線采用部分接地技術(shù)和分形概念。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    杠鈴形及改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，圖中給出了天線的頂視和側(cè)視圖，輻射單元長(zhǎng)度為Wo，寬度為L(zhǎng)o，饋線寬度Wf，長(zhǎng)度為L(zhǎng)f，輻射單元蝕刻在FR4基板上(厚度h=1.5mm，εr=4.4)，基板尺寸為L(zhǎng)sub×Wsub，天線背面有部分接地面，尺寸為L(zhǎng)g×Wsub。改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線是在圖1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上蝕刻出臺(tái)階形缺口，對(duì)應(yīng)缺口的尺寸為W1，W2，…，W5和L1，L2，…，L5，天線輻射單元位于x-y平面，輻射單元厚度方向?qū)?yīng)x-z平面。

2 天線仿真
    按照?qǐng)D1和圖2尺寸采用HFSS 10．0進(jìn)行了仿真，回波損耗仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鰣D2的回波損耗低于圖1，圖2天線回波損耗小于-10 dB帶寬為72．6％(3．48～7．45 GHz)；按照?qǐng)D2結(jié)構(gòu)加工出改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線，饋電采用50 Ω同軸側(cè)饋，回波損耗實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示，回波損耗小于-10 dB，帶寬為74．7％(3．45～7．56 GHz)。
    圖4和圖5分別為圖1，圖2結(jié)構(gòu)時(shí)天線在x-z，y-z平面方向圖(對(duì)應(yīng)頻率4 GHz，5 GHz和6 GHz)，可以看出兩種結(jié)構(gòu)的天線Eθ基本重合，而Eφ的大小在-20～-15 dB以下，從圖中可看出兩種結(jié)構(gòu)天線方向圖基本一致。

    從圖4和圖5方向圖可以看出，在z軸(θ=0°)和-z軸(θ=180°)近似為零點(diǎn)，而最大輻射方向不在θ=90°方向。

    圖6為對(duì)應(yīng)頻率f=4 GHz，6 GHz時(shí)的三維方向圖及加工的實(shí)物照片，頻率為5 GHz及4 GHz時(shí)方向圖相似，頻率為4 GHz時(shí)，增益為3．47 dB，頻率為6 GHz時(shí)，增益為3．15 dB。

3 結(jié)論
    提出了一種改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線，通過在杠鈴形天線上增加階梯形缺口，使天線回波損耗更小，而天線方向圖與原杠鈴形天線基本一致，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，改進(jìn)的杠鈴形超寬帶天線回波損耗小于-10 dB，帶寬達(dá)74．7％(3．45～7．56 GHz)。