一种新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线设计

2007 年 2 月JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS February, 2007 文章编号：1007-0249 (2007) 01-0143-04一种新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线设计*李育红1,2，杨程1，周正1（1. 北京邮电大学无线网络实验室，北京 100876；2. 北京工商大学信息工程学院，北京 100037）摘要：近年来，超宽带（UWB）无线通信技术的发展日益引起人们的关注和兴趣，超宽带天线设计是一个具有挑战性的课题。

本文提出一种新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线设计，通过合理设计辐射贴片和介质基板的尺寸及形状，有效地展宽了天线带宽。

仿真结果显示其VSWR<2的频带范围较大，而且随着频率的增加，天线的增益有增大的趋势。

此外，这种天线成本较低廉，比较容易制作。

关键词：超宽带（UWB）；微带天线；辐射方向图；驻波比中图分类号：TN822 文献标识码：A1 引言超宽带（ultra-wideband：UWB）无线通信技术以其超高速、超大容量、低成本、低功耗、低系统复杂度、保密性好、抗多径衰落、节省频谱资源、能提供厘米级定位精度等诸多优点，特别适用于室内等密集多径场所的高速无线接入及军事通信应用，成为近年来迅速发展起来的新一代短距离无线通信系统的最强有力的候选技术。

而天线在UWB无线通信系统中起着关键作用，天线设计更是一个具有挑战性的课题。

传统天线不适合传输UWB信号及便携应用[1]，某些天线是色散的，如对数周期天线，不具备适合UWB信号传输所应具有的良好的冲激脉冲特性，因为从天线的不同部分辐射不同的频率成分；某些天线，如UWB的环形天线，具有较好的辐射波形，但反射大而且匹配较差；其它天线，如蝴蝶结天线虽然用阻抗负载获得了良好的匹配和较大的阻抗带宽，但辐射效率又太低。

满足UWB设计的天线应该具有大带宽、高辐射效率、低功耗、易制作并且对于UWB信号的激励响应是稳定的。

目前被H.G.Schantz等人[2~4]报道的较成功的UWB天线设计有：微带三角形偶极天线、微带圆形或椭圆形偶极天线、磁性缝隙天线及环形天线[5]等。

本文设计的新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线做为一种有益的探索和尝试,为超宽带天线的设计及微带天线的应用提供了一种新的思路。

通过合理地设计介质基板及辐射贴片的形状，有效地展宽了天线带宽，在天线输入端口不需要任何阻抗变换器,匹配良好，增益从 2.8GHz的7dBi到14GHz的17dBi，且具有较好的辐射方向图，易制作，成本低廉。

2 微带天线概述微带天线的概念早在1953年就已经被提出来了，但当时并未引起工程上的足够重视。

在五十年代和六十年代也只有一些零星的研究，真正的发展和推向实用是在70年代中期以后。

由于微波集成技术的发展以及各种低耗介质材料的出现，微带天线的制作得到了工艺保证；而空间技术的发展，又迫切需要低剖面的天线元。

1970年出现了第一批实用的微带天线。

这以后微带天线的研究有了迅猛的发展，新形式和新性能的微带天线不断涌现，发表了大量学术论文和研究报告，召开了专题会议和出版专集。

这些都表明微带天线以其重量轻、体积小、低成本、低剖面、易集成等显著优点已经成为天线研究中的一个重要课题[6]，受到了人们的广泛关注，吸引国内外广大学者研究和探讨。

甚至在微带天线处于其幼年时期就已经有许多成功和不同的应用，对于大多数的应用，它都可以取代常规的天线，实际设计中已经有的重要系统中使用微带天线的有：卫星通信、卫星导航接收机、导弹遥测、武器信管、指* 收稿日期：2004-04-06 修订日期：2004-12-14基金项目：国家863计划项目（2003AA123240）；国家自然科学基金项目（60372097）；教育部科学技术研究重点项目（03035）挥控制系统、多普勒及其它雷达、无线电测高计、便携装置、环境检测仪表和遥感、复杂天线中的馈电单元和生物医学辐射器等。

但这些也只是很有限的一部分，由于微带天线诸多优点及许多潜在的应用前景，对此进行研究具有重要的理论和现实意义，本文在设计中采用一种新型的超宽带楔形微带准喇叭天线就是一种有益的探索和尝试。

有理由相信随着各国科研人员对微带天线的进一步深入研究，微带天线会应用得更加广泛。

2.1 微带天线定义在带有金属导体接地板的介质基片上贴加导体辐射薄片就构成最简单的微带天线。

导体辐射薄片常为铜或金，其形状任意，但通常为简化分析及便于预测其性能，导体贴片常取规则形状，如：矩形、圆形等。

微带天线通常用同轴线或微带线馈电，在导体贴片和金属接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周和接地板间的缝隙向外辐射。

2.2 展宽微带天线频带的技术途径[6]事实上，微带天线（特别是微带贴片天线）突出而固有的缺点就是频带窄,但这些缺点并没有影响微带天线的发展和广泛应用。

因为微带贴片天线的窄频带特性是由其高Q 的谐振本性所决定的,即存储于天线结构中的能量比辐射和其它耗散能量大得多，这就是说当在谐振时实现了匹配,而当频率偏移谐振时电抗分量急剧变动使之失配。

微带贴片天线的Q 值和带宽公式如下：c d r T Q Q Q Q 1111++=，（其中σπµr c f h Q 0=，δtan 1=d Q ），S Q S BW T 1−=。

由以上公式可知，展宽频带可从降低总的T Q 值入手，目前展宽天线频带的方法有：采用厚基板、附加阻抗匹配网络、采用楔形或阶梯形基板[7]、采用非线性基板材料[8~10]、采用非线性调整元件[11,12]、采用对数周期结构[12]、采用附加无源贴片[13]、采用多层结构[14]、采用低剖面的折合振子天线[15,16]、采用行波辐射元[17,18]、采用在贴片或接地板“开窗”等很多种方法。

但所采用的方法的基本设计思想实质上都是从降低总的T Q 值的各个方面去考虑的。

本设计中采用的这种超宽带微带准喇叭天线也是基于此。

即：通过合理地设计介质基板和辐射贴片的形状来达到展宽天线带宽的目的。

3 超宽带楔形微带准喇叭天线基本原理及几何模型超宽带楔形微带准喇叭天线模型简图如图1所示。

它由接地板、楔形介质基片以及介质之上特殊设计的辐射贴片组成，介质上的导体面随着介质材料以适当的角度逐渐倾斜上升。

整个楔形微带准喇叭天线设计的基本思想是基于波沿着均匀微带传输线传播的原理，当上面导体和接地板之间的间距和波长相比非常小时，波的传播主要被限制在导体和接地板之间的介质材料里面，然而，随着导体和接地板之间的分离程度逐渐增大，间距达到或接近半个波长抑或是更大时，波就不再在导体面和地板之间引导，能量开始有效地向外辐射，这样整个结构完全相当于一个天线[19]。

天线的长度、导体及介质的轮廓决定宽带匹配。

图1中导体辐射贴片与接地板之间的距离用了一个简单的线性函数，辐射贴片在楔形介质基片上，用一个余弦平方函数表示。

其中h 1、h 2分别是天线输入口、输出口高度，天线采用微带传输线馈电，微带馈线的结构与尺寸如图2所示。

其中，中间介质材料的介电常数为1.5左右，模型的几何尺寸省略。

4 仿真结果及分析用Ansoft 公司的HFSS （high frequency structure simulator ）软件对此天线进行了仿真，图3(a)，图1 超宽带楔形微带准喇叭天线几何模型简图图2 微带馈线的结构与尺寸第1期 李育红等：一种新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线设计 145 (b)，(c)，(d)，(e)，(f)分别是在频点2.8GHz 、6GHz 、8GHz 、9GHz 、13GHz 和14GHz 仿真的E 面辐ZX (a) 频点2.8GHz 计算的E面辐射方向Z X (b) 频点6GHz 计算的E 面辐射方向图Z X (c) 频点8GHz 计算的E 面辐射方向图Z X (d) 频点9GHz 计算的E 面辐射方向图Z X (e) 频点13GHz 计算的E 面辐射方向图Z X(f) 频点14GHz 计算的E 面辐射方向图图3 频点2.8GHz 、6GHz 、8GHz 、9GHz 、13GHz 和14GHz 计算的E 面辐射方向图Y X (d) 频点9GHz 计算的H 面辐射方向图 X Y (e) 频点13GHz 计算的H 面辐射方向图Y X (f) 频点14GHz 计算的H 面辐射方向图XY(c) 频点8GHz 计算的H 面辐射方向图X Y (b) 频点6GHz 计算的H 面辐射方向图X Y (a) 频点2.8GHz 计算的H 面辐射方向图 图4 频点2.8GHz 、6GHz 、8GHz 、9GHz 、13GHz 和14GHz 计算的H 面辐射方向图射方向图，图4(a)，(b)，(c)，(d)，(e)，(f)分别是在频点2.8GHz 、6GHz 、8GHz 、9GHz 、13GHz 和14GHz 仿真的H 面辐射方向图。

从频点2.8GHz到14GHz 对应的增益从7dBi 到17dBi,随着频率的增加天线的增益变大。

电压驻波比（VSWR ）如图5所示，可以看出，其VSWR <2的频带很宽。

5 结论目前，随着超宽带无线通信技术的迅速发展，超宽带天线在民用和军事通信领域中应用日益广泛，地位日趋重要。

本文设计的基于微带传输线的新颖的超宽带楔形微带准喇叭天线，通过合理设计介质基板和辐射贴片的形状达到了有效展宽天线带宽的目的，具有较高增益和较宽的工作频带，匹配良好，成本低，容易制作。

而且随着频率的增大，增益有增大趋势。

仿真结果验证了设计方案的合理性及可行性，为新型超宽带天线设计提供了一种有实用价值的可选方案。

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