平面单极子范文（精选6篇）
平面单极子 第1篇
随着射频无线通信技术的迅猛发展,特别是一些可携带移动通信设备的需求日益增强,小型化超宽带印刷微带天线的研究技术得到快速发展。美国通信委员会于2002年将3.11～10.16 GHz频段作为超宽通信使用,使超宽天线技术的研究成为一个新的研究热点。
大量的不同类型超宽带平面微带单极子天线出现在相关文献中[1,2,3,4,5,6],如矩形、椭圆形、圆形和多面形等。文献[7,8,9,10,11,12]提出了各种宽频天线设计,并已应用在无线宽频通信中。在此提出了一种简单实用新型酒杯结构单极子微带天线,通过对整体结构的优化设计,使带宽在3.10～11.45 GHz工作频段内。特别是对地做切角处理,提高了天线的辐射方向图稳定性,而未对阻抗带宽形成较大影响。利用电磁高频仿真软件HFSS进行了仿真,天线结构在UWB频段内,其H面方向图具有良好的全向性,并且E面方向图具有类偶极子辐射特性,其辐射特性有较好的稳定性。
1天线结构
天线结构如图1所示。天线制作在长宽为LW、介电常数为2.2、厚度为0.74 mm的聚四氟乙烯环氧树脂基板上,介质板正面是椭圆和矩形组成的酒杯薄片,背面是被切角的矩形接地板,接地板与椭圆贴片的间距为h,天线采用特性阻抗为50 Ω的微带线馈电。经HFSS软件仿真优化天线尺寸如下:天线基片长L=28 mm,宽W=32 mm,单极子椭圆短轴长r0=9 mm,椭圆比k=1.2,矩形部分长L1=10 mm,接地板切角a和b分别为1.5 mm和2 mm,h=0.3 mm,馈线宽度W1=2.5 mm。
2仿真结果
天线端口S参数反射系数曲线如图2所示,小于-10 dB的端口反射系数带宽为2.5～10.7 GHz,包含UWB工作频段,其对应的驻波比为ρ<2。
天线在4 GHz和10 GHz频率下远场辐射如图3所示。从2种频率下辐射方向图可知,E面图与偶极子辐射图分布趋势相同,随频率增加发生畸变,但分布趋势基本相同;而H面方向图保持全向分布,但随着频率升高略有畸变。整个UWB频段基本保持方向图分布的稳定,满足宽频天线设计要求。
3天线参数性能分析
切口 b(或a)变化与反射系数的关系曲线如图4所示。由图4可知接地板切角b(或a)影响频段高频扩展,越小高频衰减越大,所以可以控制高频的带宽扩展范围。
辐射贴片r0变化与反射系数的关系曲线如图5所示。由图5可知椭圆半经影响高频段扩展,r0越大越向高频扩展,所以通过调整r0可控制高频端。
基板宽度W变化与反射系数的关系曲线如图6所示。由图6可知随着基板宽度W增加,将同时向低频和高频扩展,同时反射系数减小,所以通过改变W长度控制整个频带范围。
辐射贴片L1长度变化与反射系数关系曲线如图7所示。由图7可知随辐射贴片长度L1增加,整个频段向低频移动,通过改变L1长度可以调整低频范围。
4结束语
上述超宽带单极子天线,通过椭圆与矩形结合形成的酒杯形天线实现了超宽带要求。借助软件HFSS进行仿真与优化,天线在S11-10 dB下阻抗带宽可到达为3.10～11.45 GHz。天线具有结构简单、超宽带优势,同时在整个UWB频段内,有良好的驻波比特性和全向辐射方向图,在最大辐射方向可达5.36 dB的增益,可以实现无线宽频通信要求。
参考文献
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平面单极子 第2篇
超宽带技术是二十世纪90年代发展起来的无线通信技术, 美国通信委员会于2002年将3.11～10.16GHz频段作为超宽通信使用, 由于宽频技术应用的诸多优点, 使得宽频天线研究成为热点, 而平面宽频天线由于小巧, 得到广泛应用。
针对大量的不同类型超宽带平面微带单极子天线研究, 相关文献提出大量宽频天线设计[1,2,3,4,5,6], 并已应用在无线宽频通信中。在此提出了一种简单实用新型酒杯结构单极子微带天线, 特别是对地做切角处理, 提高了天线的辐射方向图稳定性, 同时对辐射贴片进行了曲流处理, 使天线尺寸进一步缩小。利用电磁高频仿真软件HFSS进行了仿真和优化设计, 使端口反射带宽在3.08～11.18GHz工作频段内, 此天线结构在UWB频段内, 其H面方向图具有良好的全向性, E面方向图具有类偶极子辐射特性, 其辐射特性稳定性较好。
1 天线结构
天线的结构如图1所示, 天线制作在长宽为LW, 介电常数为2.2, 厚度为S=0.74mm的聚四氟乙烯环氧树脂基板上, 介质板正面是椭圆和矩形组成的酒杯薄片, 背面是被切角的矩形接地板, 接地板与椭圆贴片的间距为h, 天线采用特性阻抗为50的微带线馈电。经HFSS软件仿真优化天线尺寸如下:天线基片长L=26mm, 宽W=33mm, 单极子椭圆短轴长r0=8.5mm, 椭圆比k=1.2, 矩形部分长L1=10mm, 接地板切角a和b分别为1.5mm和2mm, h=0.3mm, 馈线宽度W1=2.5mm。曲流缝隙间距d=1mm, 缝宽0.5mm, 缝长t=4mm。
2 仿真结果
天线端口S参数反射系数曲线如图2, 小于-10dB的端口反射系数带宽为3.08～11.18GHz, 包含UWB工作频段, 其对应的驻波比也在<2内。
天线在4GHz和10GHz频率下远场辐射如图3, 从两种频率下辐射方向图可知E面图与偶极子辐射图分布趋势相同, 随频率增加分布趋势基本相同;而H面方向图保持全向分布, 但随着频率升高略有畸变。整个UWB频段基本保持方向图分布的稳定, 满足宽频天线设计要求。
3 天线参数性能分析
3.1 切角b尺寸对天线性能影响
如图4, 接地板切角b (或a) 影响高频频段扩展, 越小高频衰减越大, 所以可以控制高频的带宽扩展范围。
3.2 椭圆辐射贴片短轴半径r0对天线性能影响
如图5, 可知椭圆半经影响高频段扩展, r0越大越向高频扩展, 所以通过调整r0可控制高频端, 同时影响整个频段的衰减幅度。
3.3 W宽度变化对天线性能影响
如图6, 随着基板宽度W增加, 将同时向低频扩展, 同时反射系数减小, 所以通过改变W长度控制整个频带范围。
3.4 曲流缝长t变化对天线性能影响
如图7, 随曲流长度增加, 高频端像低频端移动, 通过改变t长度可以调整高频扩展范围, 同时也影响整个频段的衰减幅度。
4 结语
通过对酒杯型超宽带单极子天线设计, 实现了超宽带各指标要求。借助软件HFSS对天线进行相应切角和曲流处理, 并进行仿真与优化, 缩小了天线尺寸, 实现了天线在反射系数S11-10dB下阻抗带宽可达到3.08～11.18GHz范围。在整个UWB频段内, 有良好的驻波比特性和全向辐射方向图, 在最大辐射方向可达4.39dB的增益, 基本满足无线宽频通信要求。
摘要：首先提出了一种小型超宽带酒杯形单极子天线结构, 采用对接地板做切角处理和辐射贴片的曲流处理, 提高了宽频天线性能。通过HFSS数值模拟仿真, 该天线主抗带宽为3.08～11.18GHz, 覆盖了FCC建议的频段。在整个频段内辐射方向图E面和H面具有良好方向图稳定性, 满足了超宽带通信对天线的要求。
关键词：酒杯型天线,曲流,超宽带,辐射图
参考文献
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一种多频带印刷单极子天线的设计 第3篇
现今的无线通信设备种类繁多,集成了多种系统模块,并能稳定、高效地工作［1 －3］。因此,如何使终端天线能够在这些网络频带范围内工作,减少天线间的干扰,降低制作成本,实现多系统共用以及收发共用成为主要研究方向［4 －6］。
本文提出了一种可用于WLAN和WiMax无线通信系统的三频带印刷单极子天线。通过在微带板上蚀刻的双“G”形辐射贴片,使得天线覆盖2. 4/5. 2/ 5. 8 GHz WLAN和3. 5 /5. 5 GHz WiMax频带,并在带内具有较好的全向辐射特性。
1 天线的设计与结构
三频带印刷单极子天线的结构如图1 所示。天线印刷在相对介电常数为4. 4,厚度为1 mm的FR4 介质基板上,整体尺寸为37 mm × 18 mm。馈电部分是50 Ω的微带线,其中微带线宽度为2 mm,并与SMA型同轴连接器相连。天线正面是对称的双“G”形辐射贴片,背面全部为介质。通过调节辐射贴片臂B1、B2、B3的长度,可使得天线工作在2. 4/5. 2/5. 8 GHz WLAN和5. 5 GHz WiMax频带。同时,为使得天线获得较好的辐射性能和增益,天线辐射贴片的臂均为完全对称结构［7 －9］。
为考察结构尺寸对天线电性能的影响,采用Ansoft HFSS V13 对设计的天线进行了仿真,经过加工调试, 天线的尺寸如下: L =37 mm,L1= 18 mm,L2= 15 mm, L3= 11 mm,L4= 14 mm,L5= 16 mm,L6= 15 mm,W = 18 mm,W1= 2 mm,W2= 3 mm,W3= 2 mm,W4= 3 mm, H = 1 mm。
2 结果分析
图2 ~ 图4 分别给出了参数L2、L3和L5取不同值时,天线回波损耗的仿真结果,可以看出分别调节双 “G”形辐射贴片的臂长即更改参数L2、L3和L5的取值可以改变天线相对应谐振频带的位置,且基本不会影响其他频段的工作带宽。因此,通过调节辐射贴片的臂长,可以使得天线覆盖2. 4/5. 2/5. 8 GHz WLAN和3. 5 /5. 5 GHz WiMax频带。
为验证辐射贴片对天线性能的影响,图5 给出了包含不同辐射贴片臂时,天线回波损耗的仿真结果。 可以看出,引入3 个辐射贴片臂后,天线可以获得3 个工作频带,并且不同臂彼此之间影响比较小。
利用矢量网络分析仪Agilent - E5071B对加工后的天线模型进行了测试。天线回波损耗的实测和仿真结果对比如图6 所示。天线回波损耗的实测与仿真结果基本吻合,之间的差异主要是在高频段,应该是由于加工误差和测量环境等引起的。测试结果表明,天线模型回波损耗< -10 dB的工作频带为2. 3 ~2. 50 GHz、 3. 17 ~ 4. 11 GHz和4. 82 ~ 7. 14 GHz,满足2. 4 /5. 2 / 5. 8 GHz WLAN和3. 5 /5. 5 GHz WiMax对工作带宽的基本要求。
图7 分别给出了2. 45 GHz、3. 5GHz和5. 5 GHz频点处的实测远场方向图。在y - z平面内( E面) ,天线辐射方向图具有类似单极子天线的方向图; 在x - y面( H面) 内,天线辐射方向图接近全向。
图8 给出了天线在工作频带内的实测增益曲线。 如图所示,天线在2. 45 GHz、3. 5 GHz、5. 5 GHz的峰值增益分别是2. 12 dB、2. 44 dB和3. 44 dB,带内增益满足WLAN和WiMax通信的要求。
3 结束语
本文提出了一种小型化的用于WLAN/WiMax通信系统的多频带印刷单极子天线。利用双“G”形的辐射贴片,使得天线形成3 个谐振频带,即2. 4 GHz、3. 5 GHz和5 GHz。 实测结果表明天线满足2. 4 /5. 2 /5. 8 GHz WLAN和3. 5 /5. 5 GHz WiMax频带的阻抗带宽,并具有良好的全向辐射特性,该天线可以应用在无线多频带通信系统中。
摘要：提出了一种小型化的用于WLAN/WiMax通信系统的多频带印刷单极子天线。通过改进双“G”形的振子结构,使天线能在2.4 GHz,3.5 GHz和5.5 GHz谐振,实现2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMax频带的覆盖。对加工后的天线模型测试表明,天线在工作频带内具有较宽的阻抗带宽和较好的辐射特性。因此,该天线可以应用在多频带无线通信系统中。
一种双陷波超宽带单极子天线的设计 第4篇
关键词：超宽带天线,单极子天线,无线通信,陷波特性
20世纪90年代，超宽带技术已经应用于军事领域。随着短距离无线通信的发展，2002年美国联邦通信委员会划分3.1～10.6 GHz频段用于商用的超宽带通信系统，从此UWB技术进入了高速发展时期。
由于在超宽带的频率范围与现有的无线通信系统频率相重叠如:WIMAX(3.4～3.6 GHz)、WLAN(2.4～2.484 GHz,5.15～5.35 GHz,5.725～5.825 GHz)、HIPERLAN/2(5.15～5.35 GHz,5.47～5.725 GHz)等。为了避免超宽带通信系统中的其他频段的相互干扰，具有陷波特性的超宽带天线得到了广泛的设计与研究[1,2,3]。
近年来，天线工程师开始将谐振结构直接蚀刻在超宽带天线的辐射贴片上或贴片周围，使天线在干扰频段内具有陷波特性。通常使用的陷波结构为“C”或“U”形缝隙或金属条带。然而很多设计不仅结构复杂而且大部分只是单陷波特性[4,5,6,7]。
本文提出了一种具有双陷波特性的微带馈电的超宽带天线。通过在锥形辐射贴片上腐蚀两个锥形缝隙，可以使天线在3.5 GHz和5.5 GHz获得陷波特性。测试结果表明天线电压驻波比小于2的阻抗带宽是2.56～10.61 GHz，，并且在带内具有较好的双陷波和全向辐射特性。
1 天线的设计与结构
图1给出了采用锥形缝隙的双陷波超宽带印刷天线的结构图。天线蚀刻在相对介电常数εr为4.4，厚度H为1.52 mm的FR4介质基板上，整体尺寸为35 mm×30 mm，地板大小为30 mm×13.5 mm。馈电部分是50Ω的微带线，其中微带线宽度为2 mm，并与SMA型同轴连接器相连。天线正面是锥形的辐射贴片，选取合适的尺寸，可以使天线得到超宽带性能。通过在辐射贴片上引入上、下两个锥形缝隙，可以使天线在3.5 GHz和5.5 GHz处实现双陷波特性。
为分析改进结构对天线电性能的影响，采用3D电磁仿真软件Ansoft HFSS V13对设计的天线进行了仿真优化分析。经过仿真实验及加工调试后确定的天线尺寸如下:L=35 mm,L1=15 mm,L2=6.5 mm,L3=5.5 mm,L4=1.5 mm,L5=13.5 mm,W=30 mm,W1=2 mm,W2=4 mm,W3=29 mm,S1=2 mm,S2=1.5 mm,H=1.52 mm。上下两个缝隙的长度分别为
2 结果分析
图2给出了天线在频率为3.5 GHz、5.5 GHz时的仿真表面电流分布。可以看出，天线工作在3.5 GHz时，表面电流主要集中在上面的锥形缝隙周围;工作在5.5 GHz时，表面电流主要集中在下面的锥形缝隙周围。此时缝隙上下两侧的电流方向相反，天线工作于准传输线模式。由于缝隙长度约为1/4波长，此模式将缝隙上侧的高阻抗转变为下侧的零阻抗，导致天线的阻抗失配，造成天线不能向外辐射，也就形成了天线的陷波特性。
图3和图4分别给出了缝隙长度p1和p2取不同值时，天线电压驻波比的仿真结果。如图所示，可以看出调节锥形缝隙的长度可以改变陷波频带的位置，且基本不会影响其他的工作频带。
利用矢量网络分析仪Agilent-E5071B对加工后的天线模型进行了测试，图5给出了有无锥形缝隙时，天线电压驻波比的仿真和实测结果。可以看出，天线电压驻波比的实测曲线与仿真结果基本吻合，在频段内的差异可能是由于加工误差和测量环境引起的。引入锥形缝隙后，天线明显产生两个陷波频带(3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz)。实测结果表明，天线模型的电压驻波比<2的工作频带为2.56～10.61 GHz，满足了UWB通信系统对工作带宽的基本要求。
图6分别给出了3.1 GHz、4 GHz和8 GHz频点处的实测远场方向图。在y-z平面内(E面)，天线辐射方向图具有类似单极子天线的方向图;在x-y面(H面)内，天线辐射方向图近似全向。
图7给出了天线在工作频带内的实测增益曲线。如图所示，天线增益在3.5 GHz、5.5 GHz频带内有明显下降，说明该天线具有良好的双陷波特性。
3 结束语
本文提出了一种新型的用于UWB通信系统的双陷波超宽带印刷单极子天线。利用改进的锥形辐射贴片和锥形缝隙，使得天线形成带有双陷波特性的超宽带天线。实测结果表明，天线满足UWB通信的阻抗带宽，并具有良好的双陷波特性和全向辐射特性。因此，该天线在无线超频带通信系统中有较好的应用前景。
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平面单极子 第5篇
解耦是天线研究领域的一个重要分支，天线阵单元间由于近场效应和表面波的相互作用不可避免的会产生耦合[1,2]。天线间的互耦可以导致阵元与馈电网络之间阻抗失配、副瓣电平增大、阵元方向图畸变以及扫描盲点等一系列恶劣结果。通常在设计制作天线阵时，天线单元间距需要控制在λ02以上来确保单元间合适的隔离度和低相关性。然而，这势必会造成天线阵信道容量下降，并且与现代无线通信设备日益增长的高集成化和小型化的发展趋势相违背。
常用的解耦方法有在多天线单元之间加入谐振槽或缺陷地结构[3]、电磁带隙结构[4]、频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS)[5]、单负超材料[6]等各类填充结构，利用它们的带阻特性在天线工作频率范围内形成频率禁带，从而实现降低天线单元间互耦和提升天线阵性能的目的。
本文研究分析了一种小型化频率选择表面，采用CST软件对FSS的频率响应特性进行了系统的分析和讨论，其具有良好的阻带特性以及角度和极化稳定性。利用FSS的频率选择特性设计了一款弱耦合紧凑型二元单极子天线阵，通过在天线间加载频率选择表面，天线间互耦下降了9.7 dB，解耦效果显著，并且天线单元的远场辐射特性得到优化。
1 小型化FSS单元的结构与电磁特性
图1是根据文献[7]改进设计的小型化FSS单元结构图，通过在方形金属贴片上构造大量缝隙和环，极大地增加了FSS单元的谐振周长，根据MUNK理论[8,9]，方环贴片型FSS的谐振频率由式（1）确定：
式中：p是FSS单元的周长；c是自由空间中的光速。由此判断，当FSS单元的面积不变，谐振长度显著增加时，其谐振频率下降，将有效的实现小型化。图1中FSS单元的结构尺寸如表1所示，其中介质板的介电常数为4.3。
mm
采用CST电磁仿真软件对该FSS单元的电磁特性进行了分析研究，图2是FSS单元在TE波垂直入射时的传输系数曲线图。图中显示其在1.9 GHz处存在一个传输阻带，-10 dB阻带范围为1.69～2.02 GHz，相对带宽为17.4%，且在中心频点处衰减达到-53.7 dB。该FSS单元的电尺寸极小，仅为0.063λ0×0.063λ0。与文献[10]提出的小型化FSS相比，本文中的FSS尺寸缩小了69.7%，与文献[11]提出的小型化FSS相比，本文中的FSS尺寸缩小了39.4%。因此，本文中的FSS单元具有小型化程度高、带阻特性好等优点，并且通过调整FSS的物理尺寸可以使其工作在不同频段。
由于该FSS单元具有高度的结构对称性，所以其工作稳定性很好。图3给出了FSS单元分别以不同角度的TE,TM波入射时的传输系数曲线，可以发现FSS在不同角度入射时传输系数曲线吻合很好，图中θ是入射波与FSS所在平面法线的夹角。表2和表3分别给出了FSS单元在不同角度TE,TM波入射时的频率响应数据，其中TE波的中心频点偏移量为0.18%，而TM波的中心频点偏移量为0，并且-10 dB阻带带宽基本没有发生变化，说明该FSS单元具有极好的角度稳定性。
GHz
GHz
图4给出了以不同极化方式在垂直入射和45°入射FSS时的传输系数曲线图，其中垂直入射时TE波和TM波的传输系数曲线几乎完全重合，45°入射时TM波的-10 dB带宽较窄，但对FSS整体性能影响不大，所以该FSS对入射波的极化特性表现不敏感，具有较好的极化稳定性。综上，本文中的FSS具有带阻特性好、小型化程度高、稳定性好等优点，可以应用于设计高性能微波器件。
2 基于FSS的弱耦合二元单极子天线阵设计
利用频率选择表面的电磁滤波特性，通过在天线阵单元间加载频率选择表面可以抑制天线间的耦合，从而缩小天线单元间距并提高天线阵性能。基于这一思想，本节设计了一款小间距低耦合的二元单极子天线阵，其结构如图5所示。两天线间加载的是一块4×3的FSS阵列，其中FSS采用的是上一节所设计的工作在1.9 GHz的频率选择表面。金属地板的面积为60 mm×60 mm，介质环采用的是介电常数为2.65，厚度为3 mm的介质材料，通过参数优化设计使天线阵与频率选择表面的工作频点相一致，均为1.9 GHz。天线阵的结构参数如表4所示。
mm
为了验证频率选择表面的解耦效果，对未加载FSS的参考天线阵和加载FSS的天线阵进行了加工制作和测试，天线实物如图6所示，这里参考天线阵所取的物理参数与所设计的FSS加载天线阵完全相同。采用矢量网络分析仪N5230C对天线阵的二端口S参数进行测试，仿真和测试结果如图7所示。从图7中可以看出，仿真和测试结果吻合较好，加载FSS的天线阵与参考天线阵的S11在工作频段均优于-15 dB并且谐振频点无偏移，说明频率选择表面的引入并未影响天线阵的阻抗匹配。测试结果显示，通过加载FSS，天线阵的S21峰值从-9.3 dB下降到-19 dB，降幅达到9.7 dB，说明天线间的互耦得到显著抑制，这正是因为FSS的空间滤波特性，使得电磁能量在两天线间无法传递，从而减小了天线间的耦合作用。
为了研究FSS的引入对天线阵远场辐射特性的影响，在微波暗室中对天线阵的辐射方向图进行了测试，测试时其中一个天线单元馈电，另外一个加载50Ω匹配负载，这样测得的便是阵元的方向图。图8(a）是天线阵在1.9 GHz处的H面方向图，它位于图5中的xOy平面。FSS加载天线阵的电磁能量更集中于某一特定区域，这样其方向性和增益更好，结果显示加载FSS后天线阵的增益从1.08 dB增加到3.09 dB。图8(b）是E面方向图，它位于图5中的xOz平面，同样显示其前向增益提高并且方向性更好。另外值得一提的是两天线相距很近，l2=λ08，这对于设计小型化天线阵具有重要意义。
3 结语
本文研究了一种小型化频率选择表面，分析了其电磁特性，验证了其具有带阻特性好、小型化程度高、稳定性好等优点。基于该FSS的频率选择特性设计了一款二元单极子天线阵，通过在天线间加载频率选择表面，天线间耦合下降了9.7 dB，并且天线的增益提高、方向性变好。这些都说明该FSS在设计小型化、高性能天线阵中具有很好的应用价值。
摘要：通过在方形金属贴片上构造大量缝隙和环,改进设计了一种小型化频率选择表面结构,其电尺寸极小,仅为0.063λ0×0.063λ0(λ0是天线在自由空间工作波长)。采用CST软件对这种结构的频率响应特性进行了系统的分析和讨论,其具有良好的阻带特性以及角度和极化稳定性。基于该频率选择表面的频率选择特性设计了一款二元单极子天线阵,通过在天线间加载频率选择表面,有效地抑制了天线间的空间波耦合,使天线间互耦下降了9.7 d B,并且天线增益提高、方向性变好。因此,该频率选择表面在设计高性能天线阵方面具有广阔的应用前景。
关键词：频率选择表面,单极子天线阵,解耦,电磁特性
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平面单极子 第6篇
为了解决上述问题,提出并设计了一款紧凑的印刷单极天线,它可以同时克服WLAN和WiMAX频段的干扰。通过调节辐射贴片上双矩形槽的尺寸,可以方便地获得双阻带特性。同时,天线具有良好的阻抗匹配特性,可以同时覆盖2.4～2.5GHz和超宽带频段。由于采用了微带线馈电,天线易于集成和小型化。利用Ansoft-HFSS对天线进行仿真,并详细分析了天线尺寸参数对天线性能的影响。
1 天线设计与结构
天线结构如图1(a)所示,尺寸为37mm×42mm×1.5mm。
圆盘的半径为R=10mm。为了引入双阻带,在圆盘辐射单元上蚀刻了双同心矩形槽,矩形槽的宽度T都是0.5mm,如图1(b)所示。矩形槽的长度在很大程度上决定了阻带的中心频率。外槽的尺寸为L1,L2和W1,内槽的尺寸为LL1,LL2和W2。在内矩形槽的两臂上有两个对称枝节,其长度为Wg。同时,为了扩展阻带带宽,内矩形槽延伸到了外矩形槽两臂的间隙之间。
微带馈线宽度为2.6mm,特性阻抗50Ψ。微带线与其他器件采用SMA连接器进行连结。采用缺陷地板结构(DGS)可以很好地实现阻抗匹配以覆盖2.4GHz和UWB频段,辐射贴片单元与地板的间隙为0.3mm。
利用商业仿真软件Ansoft-HFSS对天线进行了仿真优化。优化后的天线尺寸为L1=15mm,L2=2mm,W1=3.5mm,LL1=8mm,LL2=3mm,W2=2.6mm,Wg=1.4mm。天线设计在1.5mm厚的FR 4介质板上,相对介电常数为4.4。图2是设计天线的实物图,如图3所示,电压驻波比(VSWR)的测量值与仿真值吻合良好。
2 分析设计与结果
用基于有限元的电磁仿真软件Ansoft-HFSS对天线进行仿真,用安捷伦网络分析仪测量天线的电压驻波比测量和仿真的电压驻波比如图所示可以看出,测量和仿真结果吻合良好。阻抗带宽(VSWR≤2)覆盖2.3～15GHz,完全覆盖了2.4～2.5GHz和超宽带频段,并且在3.2～3.8GHz和5.1～5.9GHz的频带上具有良好的阻带特性。
设计中,首先研究了如图4所示的单极子天线[5],它采用矩形接地板,具有良好的宽带特性,但是体积较大为50mm×42mm。为了减小天线尺寸,而保持其超宽带特性,采用缺陷地板结构[13]如图5所示。图6所示的文献[5]中天线和采用缺陷地板结构天线的驻波特性,比较可以看出,文献[5]中的天线具有较好的超宽带特性,但是采用缺陷地板结构的天线具有更好的阻抗匹配,天线带宽可以覆盖2.4GHz和整个超宽带频带(3.1～10.6GHz),甚至可以达到15GHz。
为了获得阻带特性,在圆盘单极子天线中引入矩形槽,槽的尺寸L1=15mm,L2=2mm,W1=3.5mm,天线的电压驻波比随频率的变化情况如图8所示,可以看出天线在WiMAX频段(3.4～3.7GHz)具有较好的阻带特性。为了避免WLAN频段(5.2/5.8GHz)的干扰,需在超宽带中引入双阻带。因此,在圆盘单极子天线的矩形槽中引入第2个矩形槽,其尺寸为LL1=8mm,LL2=3mm,W1=2.6mm,Wg=1.4mm,并且将内槽延伸到外槽两臂的间隙之间如图9所示。双矩形槽圆盘单极子天线的驻波特性随频率的变化情况如图10所示,可以看出,在2.3～15GHz的频段内具有良好的驻波特性,并且在WiMAX(3.2～3.8GHz)和WLAN(5.1～5.9GHz)频段具有阻带特性。
为了进一步研究天线的结构,对天线参数进行了分析。阻带特性主要由W1,Wg,LL1,W2决定,各种不同的阻带可以通过适当的改变双矩形槽的尺寸来获得。图11所示的天线辐射单元在不同频率的电流分布,可以看出,第一(3.5GHz)和第二(5.5GHz)阻带分别与外槽,内槽的尺寸有关系,即外槽改变了天线低频的电流分布状况,形成低频阻带;而内槽改变了天线高频的电流分布形成高频阻带如图12所示,在其他参数不变时,随着W1从2.5mm增大到4.5mm,第一阻带想低频移动。参数Wg,W2主要决定第二阻带,如图13,14所示Wg和W2对天线性能的影响。在其他参数不变的情况下,随着Wg和W2的减小,第二阻带分别向低频和高频移动。图15表明,LL1对天线的第二阻带的带宽具有重要影响。因此,双矩形槽的尺寸对改变天线阻带的位置和阻带带宽具有重要的意义。通过改变双矩形槽的尺寸可以方便地在不同的频带内实现阻带和改变阻带带宽。
最后,研究了天线的远场辐射方向图。图16分别给出了天线在3GHz,6GHz,9GHz时的远场增益方向图,表明设计的天线在H面(yoz面)具有全向辐射特性,并且所有的方向图变化相对较小。
3 结束语
设计并制作了一副紧凑的印刷圆盘单极子超宽带天线,它可以完全覆盖2.4GHz和超宽带频段,并且在WiMAX(3.2～3.8GHz)和WLAN(5.1～5.9GHz)频段具有双阻带特性。天线的驻波特性和远场辐射方向图表现出良好的特性。仿真和测量结果具有较好的一致性吻合良好因此所设计的天线在超宽带通信系统中具有一定的实用价值。
摘要：设计了一款微带馈电的具有3.4/5.5 GHz双阻带特性的圆盘单极子天线。由于采用具有缺陷结构的地板,天线具有良好的阻抗特性。在2.38～15 GHz的频带内电压驻波比VSWR≤2,可以同时覆盖WLAN(2.4 GHz)和UWB(3.1～10.6 GHz)。同时引入双矩形谐振槽,实现在WiMAX(3.4 GHz)和WLAN(5.2/5.8 GHz)的双阻带。仿真结果和实验结果匹配良好,具有一定的实用价值。
