唐志军 何怡刚 詹 杰 席在芳

（1.湖南科技大学信息与电气工程学院，湖南 湘潭411201；2.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙410082）

引 言

随着无线通信系统的高速发展，用户需要提供不受空间限制的通信服务。宽带通信系统可以满足高数据率的要求。所以，超宽带技术（UWB）已成为无线通信领域中极具竞争力和发展前景的热门技术之一。UWB技术已广泛应用于无线监控、多媒体业务、网络商务和应用、高分辨率超宽带雷达、探地雷达、精确定位系统等方面［1－3］。按照联邦通信委员会（FCC）的规定，将3.1～10.6GHz之间7.5GHz的频段分配给超宽带无线通信业务使用。而UWB天线的设计与研究则是超宽带无线通信的关键技术之一。近年来UWB天线的研究一直是天线与电波传播领域的一大热点。受使用场合限制，UWB天线应当具有尺寸小、成本低、易于加工集成等特性。

微带天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、共形、性能多样化、易于制造等优点而在许多领域得到广泛应用。然而，微带天线的一个主要缺点就是相对带宽较窄。目前，虽然有了一些提高带宽的方法，如使用较厚的高介电常数基片、短路针、调谐臂、丝焊技术、寄生单元、以及修改和优化贴片天线的几何结构［4－7］，但是，这些改进方法仍不足以满足 UWB天线的带宽和便于集成的要求。具有共面波导（CPW）反馈结构的印刷天线多年来已经引起广大科研工作者的注意。相对其它印刷天线，具有共面波导反馈结构的印刷天线具有许多优点。这种天线不但具有宽带宽，而且相邻辐射体之间的互耦较小。与微带线天线比较，共面波导反馈结构的天线还具有较低的辐射泄漏和较少的散射。过去十年来，考虑到各种无线通信系统对天线带宽及紧凑性尺寸要求，已有较多文献对CPW印刷天线进行了分析与研究［8－19］。具有代表性的如文献 ［8］主要强调在辐射体上进行切口，并采用非对称辐射结构技术来实现UWB的覆盖和缩减天线尺寸（25mm×25mm）；文献［9］则采用圆角矩形槽来实现UWB的覆盖，但其天线尺寸达到50mm×50mm；文献［10］采用逆L型微带和方形槽实现了UWB圆极化天线，但其天线尺寸为60mm×60mm.因此，在设计UWB天线时，如何让天线带宽、增益、方向性、尺寸和制作成本等性能指标达到一个较好的平衡是一项具有挑战性的任务。

针对UWB天线的国内外研究现状，主要研究与设计一种新的紧凑型共面波导反馈结构的超宽带印刷天线.天线采用单层基片，通过CPW微带线进行馈电。天线在较宽的频率范围内取得好的阻抗匹配、高增益、全向性、紧凑尺寸、易于制作和低成本等性能。

1.理论分析

共面波导印刷天线的几何结构如图1所示。天线的基片长度为L，宽度为W，厚度为h，材料的介电常数为εr＝4.4.天线金属辐射体刻蚀在印制电路板（PCB）绝缘介质基片的同一个面上。基片的另一个面上没有任何金属。CPW反馈传输线与地平面共面，其宽度为c，缝隙距离为d.天线的辐射单元①为具有不对称臂的垂直哑铃结构。上臂的长度为g，宽度为a，下臂的长度为f与j之和，宽度为c，过渡部分的长度为i，宽度为b，并且下锤臂与CPW反馈传输线相连。天线的辐射单元②为逆L结构，由水平部分和垂直部分搭接而成。其水平部分和垂直部分的尺寸分别为W2×e和L×s.天线的辐射单元③为不对称U形结构，其长度为L，上臂和下臂的尺寸分别为k×s和f×（W1－s）.由于该天线采用折叠贴片、贴片开槽等曲流技术和独立非对称贴片辐射的带宽展宽技术，从而能够在减小天线设计尺寸的同时提高天线的阻抗带宽。

从上面阐述的天线几何结构可知，该天线的主要几何参数有W1、W2、e、f、L等。不失一般性，根据文献［20］［21］［22］和相关的天线设计理论和方法，天线的初始设计尺寸如下：

图1 天线的几何结构

为了优化天线设计，下面分析各几何参数对天线性能的影响.简单起见，在此仅对天线回波损耗S11受主要几何参数W1、W2、e、f、L的变化进行仿真和分析。

在保证其它参数不变的情况下，分别改变几何参数W1、W2、e、f、L，利用电磁仿真软件 CST 对不同W1、W2、e、f、L值下的天线回波损耗S11进行仿真分析，结果如图2～图6所示。从这些图中可以看出：1）随着参数W1值增大，天线的阻抗带宽先增大、后减小；2）随着参数W2值增大，天线的阻抗带宽先逐渐增大，然后又逐渐减小；3）随着参数e值增大，天线的阻抗带宽也逐渐增大，并且整个带宽沿频率轴向右移动；4）随着参数f值变大，天线的阻抗带宽先增大、后减小；5）随着参数L值增大，天线的阻抗带宽也逐渐增大，并且整个带宽频率轴向左移动。

通过分析天线各主要参数对天线性能的影响可以得出：改变W1、W2、e、f、L等参数值，可以显著增大天线的阻抗带宽。然而，在设计天线时，不能片面地考虑一两个参数对天线性能的影响，而要综合考虑天线参数的配置，从而使天线各性能指标达到一个较好平衡。

经过调整天线结构几何参数，并采用粒子群（PSO）算法对天线参数优化之后，所设计天线最终的几何参数尺寸如下：

2.实验结果分析

文中采用基于时域有限差分法的微波仿真软件CST对所设计的天线进行了仿真。图7为天线输入阻抗的仿真结果图。

图7 天线的输入阻抗

从图7中可以看出：在3.1～12.0GHz的频率范围内，天线的输入电阻RA基本上在30～65Ω范围内变化；在3.0～11.2GHz的频率范围内，天线的输入电抗｜XA｜基本上在0～10Ω范围内变化。从而，天线的输入阻抗ZA在3.1～11.2GHz的频率范围内显示近线性相位特性，并且天线的品质因数Q较小。考虑到微带天线的带宽计算公式

从公式（1）中可以看出：当电压驻波比VSWR一定时，微带天线的品质因素Q与带宽BW是成反比的。所以增大微带天线的带宽可通过降低其品质因素得到。也就是说，较小的品质因数可以获得较宽的带宽。这表明所设计的天线具有较好的阻抗带宽特征。

通常，在设计超宽带天线时，其输出阻抗参考值通常为50或75.文中采用50作为其参考值。回波损耗S11是表征天线特点的一个重要参数。图8为天线的回波损耗仿真和测量结果。从图中可以看出：1）该天线的仿真回波损耗小于－10dB（等价于电压驻波比 VSWR＜2）的带宽为3.05～11.10 GHz，即取得8.05GHz带宽（等价于中心频率为7.0GHz时阻抗带宽的115.0%）；2）该天线的测量回波损耗小于－10dB（等价于电压驻波比VSWR＜2）的带宽为3.20～10.80GHz，即取得7.60GHz带宽（等价于中心频率为7.0GHz时阻抗带宽的108.6%）；3）天线的回波损耗仿真和测量结果保持较好的一致。从而，该天线可以较好地满足宽带无线通信对带宽的要求。

图8 天线的回波损耗仿真和测量

图9中的（a）、（b）、（c）分别为宽频段内三个频点f＝3.9GHz、f＝7.0GHz和f＝10.0GHz的E面和H面的共面极化和交叉极化方向图。从图9中可以看出：天线的H面共面极化具有准全向性特征，天线的E面共面极化特性要比H面的稍差；此外，无论论是E面，还是H面，天线的交叉极化都在－20dBi左右，说明其交叉极化特性较好；因此，天线在整个频带内的方向图有较好的一致性。

图9 天线频带内三个频点的E面和H面的共面极化（co－plo）和交叉极化（cross－pol）方向图

图10为天线的增益频率特性曲线，从中可以看出：在3.1～10.6GHz频段内，天线增益从3.5dBi.逐渐增大到5.4dBi.再缓慢减小到4.5dBi.在整个阻抗带宽内，天线具有好的增益频率特性，天线的平均增益达到4.6dBi.因此，该天线能很好地满足超宽带天线对辐射特性及增益的应用要求。

图10 天线的增益频率特性曲线

3.结 论

提出了一种具有非对称CPW反馈结构的超宽带印刷天线。天线的尺寸为20mm×26.5mm左右。该天线由三个非对称、独立的辐射体构成，它们的几何尺寸是影响天线设计的重要参数。论文采用基于时域有限差分法的电磁仿真软件CST对W1、W2、e、f、L等参数变化时的天线性能进行了比较仿真和分析，得出了S11性能随天线几何参数变化的规律，并在带宽最优的条件下给出了一组参数值。仿真和实验结果表明：天线的阻抗带宽为8.05GHz（115.0%），天线的平均增益达到4.6dBi.辐射特性近似于全向性。从而，该天线具有超宽带、高增益、准全向性等特点。因此，该天线可应用于各种不同的宽带无线通信环境。需要强调的是：在设计天线时，不能只片面地考虑一两个参数对天线性能的影响，而要综合考虑天线参数的配置，只有这样才能使天线各性能指标达到一个较好的平衡。

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