| 标题 | 一种改进的杠铃形超宽带天线 |
| 范文 | 袁海军, 马云辉 摘 要：为了优化超宽带天线的阻抗带宽，提出了一种改进的杠铃形超宽带天线，通过增加阶梯形缺口及采用部分接地面从而改善超宽带阻抗匹配。测量结果表明，天线的输入阻抗带宽达74.7%(3.45~7.56 GHz)，同时数值仿真表明在y-z和x-z平面方向图呈对称分布。 关键词：超宽带天线； 杠铃形天线； 部分接地面; 数值仿真; 方向图 中图分类号：TN822-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)09-0057-03 An Improved Barbell-shape UWB Antenna YUAN Hai-jun, MA Yun-hui (Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, China) Abstract： In order to optimize the impedance bandwidth of ultra-wide band (UWB) antenna, a kind of improved barbell-shape UWB antenna is proposed. The impedance matching of UWB is improved by adding the stepped appearance gaps and adopting the partial ground plane. The measured results shows that input impedance bandwidth of the improved antenna is up to 74.7% (3.45～7.56 GHz). The symmetrical distribution in the y-z and x-z planes of radiation patterns are obtained by numerical simulation. Keywords： UWB antenna; barbell-shape antenna; partial ground plane; numerical simulation; radiation pattern 0 引 言 超宽带(UWB)技术作为一种无线通信技术，在短距离室内高速无线通信方面也受到人们越来越多的关注。根据FCC规定，将3.1~10.6 GHz之间的7.5 GHz频段分配给超宽带通信业务使用。在超宽带系统中，超宽带天线是关键部件，因此，相当多的研究者致力于超宽带天线的发展，以实现高的数据传输速率、低功耗、简单的硬件结构，如射频识别、传感器网络、雷达、定位跟踪等［1］。 近来许多研究集中在分形天线，分形天线的优点如尺寸小、重量轻、厚度薄正好满足手持设备的要求，采用分形概念是天线原理与设计很有前景的研究方向之一［2］，许多研究者对分形天线做出了积极的研究，如带有分形双枝树缝隙的双波段开槽共面波导馈电天线［3］，采用分形概念的树形超宽带天线［4-5］和超宽带杠铃形天线［6］，Sierpinski分形天线［7-9］和snowflake分形天线［10］等。这些天线通过采用不同结构的分形特性，能得到更好的阻抗匹配带宽和辐射方向图。 本文在超宽带杠铃形天线基础上，提出了一种改进措施，从而获得更好的阻抗带宽，天线采用部分接地技术［11］和分形概念。 1 天线结构设计 杠铃形及改进的杠铃形超宽带天线结构如图1和图2所示，图中给出了天线的顶视和侧视图，辐射单元长度为W0，宽度为L0，馈线宽度Wf，长度为Lf，辐射单元蚀刻在FR4基板上(厚度h=1.5 mm，εr=4.4)，基板尺寸为Lsub×Wsub，天线背面有部分接地面，尺寸为Lg×Wsub。改进的杠铃形超宽带天线是在图1结构基础上蚀刻出台阶形缺口，对应缺口的尺寸为W1,W2,…,W5和L1,L2,…,L5，天线辐射单元位于x-y平面，辐射单元厚度方向对应x-z平面。 天线尺寸如下：W0=16 mm，L0=21 mm，Wf=2.8 mm，Lf=16 mm，Lsub=70 mm，Wsub=40 mm，Lg=9 mm。 对于图2，W1=10 mm,W2=8 mm,W3=6 mm,…,W5=2 mm，其依次按2 mm递减，L1=5 mm,L2=4 mm,L3=3 mm,…,L5=1 mm，其依次按1 mm尺寸递减，其他尺寸与图1相同。 2 天线仿真 按照图1和图2尺寸采用HFSS 10.0进行了仿真，回波损耗仿真结果如图3所示。可以看出图2的回波损耗低于图1，图2天线回波损耗小于-10 dB带宽为72.6%(3.48~7.45 GHz)；按照图2结构加工出改进的杠铃形超宽带天线，馈电采用50 Ω同轴侧馈，回波损耗实测结果如图3所示，回波损耗小于-10 dB,带宽为74.7%(3.45~7.56 GHz)。 图1 杠铃形超宽带天线(结构1) 图2 改进的杠铃形超宽带天线(结构2) 图3 |S11|仿真与测量结果 图4和图5分别为图1,图2结构时天线在x-z,y-z平面方向图(对应频率4 GHz,5 GHz和6 GHz)，可以看出两种结构的天线Eθ基本重合，而Eφ的大小在-20~-15 dB以下，从图中可看出两种结构天线方向图基本一致。 从图4和图5方向图可以看出，在z轴(θ=0°)和-z轴(θ=180°)近似为零点，而最大辐射方向不在θ=90°方向。 图6为对应频率f=4 GHz,6 GHz时的三维方向图及加工的实物照片，频率为5 GHz及4 GHz时方向图相似，频率为4 GHz时，增益为3.47 dB，频率为6 GHz时，增益为3.15 dB。 图4 两种结构天线在x-z平面方向图 图5 两种结构天线y-z平面方向图 图6 三维方向图及实物照片 3 结 论 提出了一种改进的杠铃形超宽带天线，通过在杠铃形天线上增加阶梯形缺口，使天线回波损耗更小，而天线方向图与原杠铃形天线基本一致，实测结果表明，改进的杠铃形超宽带天线回波损耗小于-10 dB，带宽达74.7%(3.45~7.56 GHz)。 参考文献 ［1］DENG Hong-wei, HE Xiao-xiang, YAO Bin-yan, et al. A compact square-ring printed monopole ultra wideband ante-nna [C]// Proceedings of ICMMT. [S.l.]: ICMMT, 2008:14-20. ［2］WERNER D H, GANGULY S. An overview of fractal antenna engineering research [J]. Antennas Propag. Mag., 2003, 45: 38-57. ［3］FALAHATI A, NAGHSHVARIAN-JAHROMI M, EDWARDS R M. Dual band-notch CPW-ground-fed UWB antenna by fractal binary tree slot [C]// Proceedings of 2009 Fifth International Conference on Wireless and Mobile Communication. [S.l.]: ICWMC, 2009: 385-390. ［4］SONG Hyo-Won, AN Hee-Soon, LEE Jung-Nam. Design of the tree-shaped UWB antenna using fractal concept [C]// Proceedings of 2007 Mirowave conference. Korea: KJMW, 2007: 73-76. ［5］RMILI H, MRABET O E, ELOC′h J M, et al. Study of an electrochemically-deposited 3-D random fractal tree-monopole antenna [J]. IEEE Transactions on Antenna and Pro-pagation, 2007, 55: 1045-1050. ［6］WANG Peng, WANG An-guo, DONG Jia-wei. Design of the UWB antenna using fractal concept [C]// Proceedings of 2008 8th Internation Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory. [S.l.]: ISAPEMT, 2008: 189-192. ［7］HWANG K C. A Modified sierpinski fractal antenna for multiband application [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2007,6: 357-360. ［8］KINGSLEY N, ANAGNOSTOU D E, TENTZERIS M, et al. RF MEMS sequentially reconfigurable sierpinski antenna on a flexible organic substrate with novel DC-biasing technique [J]. Microelectromechanical Systems, 2007, 16: 1185-1193. ［9］VEMAGIRI J, BALACHANDRAN M, AGARWAL M, et al. Development of compact half- Sierpinski fractal antenna for RFID application [J]. Electronics Letters, 2007, 43 (22): 1168-1169. ［10］MIRZAPOUR B, HASSANI H R. Size reduction and bandwidth enhancement of snowflake fractal antenna [J]. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2008, 2: 180-187. ［11］CHOI S H, PARK J K, KIM S K, et al. A new ultra-wideband antenna for UWB applications [J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2004, 40: 399-401. 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文 |
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