晁跃川，胡少文，周辉林，吴毅强*

(1.新疆博州公安消防支队，新疆博乐833400;2.南昌大学电子信息工程系，南昌330031)

目前，红外火焰探测器主要是靠室内红外线的辐射强度的变化来探测是否发生火灾，这种探测器的缺点就是工作灵敏度与可靠性很容易受到火场和水蒸气的影响。而光束感烟火探测器是利用烟雾对红外线辐射的强度衰减效应来被动地进行火灾探测。能否找到一种不易受恶劣环境条件干扰的主动式火灾探测方式，已经成为当今研究的热点。而微波辐射具有良好的穿透性，且不易受恶劣环境的影响。因此将微波技术应用于现代火灾探测将会是非常好的选择。然而微波技术应用于火灾探测的关键是要选择一副很好的探测天线。笔者主要是研究应用于火灾探测的超宽带天线。

随着无线通信行业的迅猛发展，小型化超宽带天线吸引了国内外许多研究者的广泛关注。微带共面波导馈电天线是由微带天线演变而来，由于具有尺寸小、频带宽、质量轻且易于加工与集成，其优越性在科研与实践中备受青睐，为了实现天线宽频带性能，国内外学者提出了多种多样的天线结构:U槽贴片天线，阵列结构，单极子天线等被广泛应用于UWB通信，但是目前这些天线都有不足之处。文献［1］设计的天线采用的是共面波导结构将圆弧形与等腰梯形相结合的方式对接地板进行开槽实现带宽(VSWR ＜2)为3.1 GHz～10.6 GHz，文献［2］设计的天线采用的是对称双梯形开缝微带结构结构，其尺寸较小，但是工作频率为5.6 GHz～11.3 GHz，文献［3］设计的天线通过在微带贴片上开圆环改变电流分布实现超宽带，但其相对带宽只有72.4%;综合以上考虑，笔者在共面波导接地面上刻蚀了一种新颖的对称结构的多边形槽，设计一种能满足超宽带无线通信的小型化超宽带天线，便于和微波射频电路集成，利用高频电磁仿真软件HFSS对所设计的天线进行建模仿真优化，并利用实验室的设备制作了天线实物，通过用矢量网络分析仪测试其所设计的天线，表明采用对称多边形槽可以很好地增加天线的阻抗带宽。

1 天线结构设计

本文设计的天线的基本几何结构如图1所示，该天线印刷在覆铜介质基板上，介质基板尺寸为18 mm×28.5 mm，厚度为d=1.6 mm，材料为介电常数εr=4.4的FR4，微带贴片、馈电与接地面被印刷在同一个平面上，容易集成化加工。辐射单元为一个大矩形贴片加一个小矩形贴片。采用的是共面波导馈电方式，接地面位于微带传输线的两侧，形成对称的阶梯型，在设计时需要考虑微带馈线输入阻抗匹配问题，采用共面波导微带馈电时，首先要计算微带的宽度、长度及与接地面之间的缝隙宽度，可以直接通过理论公式推导［8-11］，也可以利用现有的计算软件，只需要将基板的介电常数εr、损耗角tanσ、电导率δ、厚度d及需要仿真的频率f，如确定需要的微带长度，就可以通过工具软件计算出微带馈电的宽度Wf及与接地面之间的缝隙宽度W3，影响天线辐射性能的因素［12-14］有好多，主要是由辐射贴片的尺寸和几何形状、缝隙的尺寸决定，通过在HFSS软件中建立模型，对天线几何尺寸进行优化来得到最佳尺寸。表1为经过优化后的最佳设计尺寸。

图1 共面波导天线结构

表1 天线尺寸

2 天线的优化与仿真

为了保证设计的有效性和实用性，需要考虑介质基板的厚度和有限地共面波导结构，天线的馈电结构主要由式(1)～式(4)计算得出。

式(1)～式(4)主要是用在有限地的共面波导馈电阻抗的计算，式中h、εr、εeff、W、Wf、W3分别为介质基板的厚度、基板相对介电常数、基板有效介电常数、基板的宽度、共面波导馈电线的宽度、共面波导馈电线与地面之间的间隙。K(m)、K(n)、K'(m)、K'(n)为第一类完全椭圆积分函数和其补函数。利用以上公式可以计算出共面波导的信号带线的宽度Wf和缝隙宽度W3。

天线的性能主要由多边形槽和辐射贴片决定，通过仿真优化得到槽、贴片的最佳尺寸在HFSS中建立模型，最后制作实物天线和测试，从测试结果可以看出，所设计的天线能很好地满足超宽带应用的需求，同时证明了利用共面波导技术和地缺结构能够有效地展宽天线的阻抗带宽。

通过对辐射单元的长度L3的优化，辐射单元尺寸对天线阻抗带宽的特性影响如图2所示，当辐射单元较小时，其天线辐射的能量相对较小，因此天线的阻抗带宽相对较小，随着天线辐射单元的增大，天线的阻抗带宽增加。但是当天线的辐射单元增加到一定的时候，天线的阻抗带宽反而减小，主要是由于天线的辐射单元和共面波导接地面之间的耦合电容发生变化，引起其电流的分布发生了变化，从而引起天线阻抗带宽变窄。

从图3可以看出，随着对称多边形槽的长度的增大，天线的阻抗带宽特性变好，是因为多边形槽的增大使得天线的辐射单元与共面波导接地面直接的电容耦合降低，减小两者之间因激励引起的谐振，从而使天线的阻抗带宽特性变好。

图2 贴片对S11的影响

图3 槽对S11的影响

所设计的天线在实现阻抗超宽带性能的同时，也具有比较好的辐射方向图和增益。图4(a)、(b)所示为所设计的天线在4.0，8.0和12.0 GHz下的仿真辐射方向图，仿真增益如图4(c)所示，在3.4 GHz～17.4 GHz的频带内，最高增益可以达到17 dB，比一般的微带天线的增益效果要好很多，这种天线可用做收发天线。

图4 天线的辐射方向图和增益图

表2为所设计的天线与参考文献［4-7］中各天线相对应的参数，通过比较可以发现所设计的天线在阻抗带宽、增益和天线尺寸上都有明显的优势，说明通过采用共面波导馈电和刻蚀对称多边形槽结构能够很好地增加天线的阻抗带宽。

表2 天线参数比较

3 实测结果

图5所示为该设计天线的加工实物图，图6为天线回波损耗S11的实际测量值，实测的频带宽度为3.4 GHz～17.4 GHz，回波损耗曲线在频带范围内基本处于-10 dB以下，与仿真图能够很好地吻合，天线的实测结果与仿真值稍有些偏差，主要是由实验室加工制作工艺的误差所引起，此外射频SMA接头以及焊锡的散射效应也会对回波损耗产生影响。该天线具有较好的效能指标，能够满足无线通信的要求。

图5 天线实物图

图6 S11的实测值

4 结论

本文设计了一款结构简单的应用在火灾探测的共面波导馈电超宽带天线，利用共面波导技术和缺陷地结构有利于改善传统微带天线的频带窄、体积大等缺点，通过对天线参数的优化，所设计的对称结构共面波导馈电天线可以工作在3.4 GHz～17.4 GHz的频带范围内。该天线结构简单、易于加工制作，且具有稳定的辐射特性和增益，满足目前超宽带通信需求。

［1］Subbarao A，Raghavan S.A Novel Pot Shaped CPW-Fed Slot Antenna for Ultra Wideband Applications［J］.Emerging Trends in E-lectrical and Computer Technology，2011，23(24):1119-1122.

［2］Lu Wenjun，Cheng Yong，Zhu Hongbo.Design Concept of a Novel Balanced Ultra-Wideband(UWB)Antenna［C］//2010 IEEE International Conference on Ultra-Wideband(ICUWB)，2011，20(23):1-4.

［3］Shen Yizhu，Choi Look Law.A Microstrip-Fed Quasi-Spiral Circularly Polarized Ultra-Wideband Antenna［C］//2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation，2011，20(23):1-4.

［4］周旺，李迎松，刘乘源.共面波导馈电的超宽带天线研究［J］.微波学报，2010，26(8):234-237.

［5］Ren Y J，Chang K.An Annual Ring Antenna for UWB Communications［J］.IEEE Antennas Wireless Propagation Lett，2006，5(1):274-276.

［6］周超，曹海林，杨力生.一种改进的共面波导馈电超宽带天线设计［J］.重庆邮电大学学报(自然科学版)，2008，20(1):39-41.

［7］吴毅强，胡少文，廖昆明，等.一种改进的U型槽超宽带微带天线研究［J］.电子元件与材料，2012(9):55-58.

［8］张文梅，陈雪，韩国瑞，等.平面超宽带天线的设计与研究［J］.电波科学学报，2008，23(2):335-339

［9］赵红梅，田向，路立平.一种新型平面超宽带天线的设计［J］.电信科学，2011，27(8):74-78.

［10］张佳亮，雷振亚，谢拥军，等.共面波导馈电的宽带天线设计［J］.电讯技术，2011，51(8):125-129.

［11］晏峰，姜兴，黄朝晖，等.共面波导馈电的带阻UWB天线设计［J］.电子器件，2011，34(3):255-257.

［12］姜宇，肖鸿，刘兴鹏，等.共面波导宽频带微带缝隙天线的设计与分析［J］.哈尔滨工程大学学报，2009，30(10):1180-1184.

［13］孙彩锋，马重霄，刘红梅，等.X波段共面波导结构串馈天线的设计［J］.无线电通信技术，2011，37(1):38-40.

［14］吴毅强，邓淼，廖昆明，等.共面波导馈电超宽带天线研究［J］.电子元件与材料，2012(6):67-70.

［15］张莉，赵军军，王善进.手持RFID读写器微带天线的小型化设计［J］.电子器件，2012(4):379-382.

［16］高健，曹卫平，李思敏.宽带平板天线的设计与仿真［J］.电子器件，2011(1):112-114.