一種改進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。測量結(jié)果表明，天線的輸入阻抗帶寬達74．7％(3．45～7．56 GHz)，同時數(shù)值仿真表明在y-z和x-z平面方向圖呈對稱分布。
關鍵詞：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)技術作為一種無線通信技術，在短距離室內(nèi)高速無線通信方面也受到人們越來越多的關注。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)務使用。在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶天線是關鍵部件，因此，相當多的研究者致力于超寬帶天線的發(fā)展，以實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)傳輸速率、低功耗、簡單的硬件結(jié)構，如射頻識別、傳感器網(wǎng)絡、雷達、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)點如尺寸小、重量輕、厚度薄正好滿足手持設備的要求，采用分形概念是天線原理與設計很有前景的研究方向之一，許多研究者對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上，提出了一種改進措施，從而獲得更好的阻抗帶寬，天線采用部分接地技術和分形概念。

1 天線結(jié)構設計
    杠鈴形及改進的杠鈴形超寬帶天線結(jié)構如圖1和圖2所示，圖中給出了天線的頂視和側(cè)視圖，輻射單元長度為Wo，寬度為Lo，饋線寬度Wf，長度為Lf，輻射單元蝕刻在FR4基板上(厚度h=1.5mm，εr=4.4)，基板尺寸為Lsub×Wsub，天線背面有部分接地面，尺寸為Lg×Wsub。改進的杠鈴形超寬帶天線是在圖1結(jié)構基礎上蝕刻出臺階形缺口，對應缺口的尺寸為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)獂-z平面。

2 天線仿真
    按照圖1和圖2尺寸采用HFSS 10．0進行了仿真，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)；按照圖2結(jié)構加工出改進的杠鈴形超寬帶天線，饋電采用50 Ω同軸側(cè)饋，回波損耗實測結(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)構時天線在x-z，y-z平面方向圖(對應頻率4 GHz，5 GHz和6 GHz)，可以看出兩種結(jié)構的天線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，而最大輻射方向不在θ=90°方向。

    圖6為對應頻率f=4 GHz，6 GHz時的三維方向圖及加工的實物照片，頻率為5 GHz及4 GHz時方向圖相似，頻率為4 GHz時，增益為3．47 dB，頻率為6 GHz時，增益為3．15 dB。

3 結(jié)論
    提出了一種改進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，實測結(jié)果表明，改進的杠鈴形超寬帶天線回波損耗小于-10 dB，帶寬達74．7％(3．45～7．56 GHz)。