曹琼琼， 单志勇

(东华大学 信息与科学技术学院，上海 201620)

0 引言

随着无线通信的快速发展，对无线通信的容量以及传输速率提出了越来越高的要求。超宽带(UWB,Ultra-wide Band)就是一种能实现设备之间高速互操作的无线通信技术。它使组建高速无线个人局域网(WPAN)，实现无线局域网[1]和个人局域网无线互联接入成为可能。随着UWB技术的发展，UWB天线的设计和研究成为天线与电波传播领域的一大热点[2]。

一般来说，微带天线[3]是窄带天线，实际上可以采用多回路、分层结构、刻槽等技术展宽微带天线的频带宽度。文中所设计的天线是带有开槽的双贴片微带天线，它比单贴片天线更具优势。因为它造出一段很长的辐射电流通路，从而产生很多个频率较低的谐振频率点，使天线的工作带宽变得更宽，从而达到 UWB天线的设计标准；再加上该天线采用了渐变结构，与传输线达到良好的调配效果，让S11参数在很大的一段频率范围内小于-10 dB。所以，它能比单贴片天线的带宽大上10倍以上。

1 具有带阻性能的UWB天线的模型

这里研究的天线把着眼点放在整个 3.1～10.6 GHz频段上[4],选用了一种微带馈电的小型平面超宽带天线。该天线类似一般的微带槽天线[5-8],为了获得超宽带的频率特性，天线的微带馈电单元采用了渐变结构的圆弧形调谐枝节，金属地板则设计成对称的多边形结构。该天线是建立在介电常数为4.4的Arlon CLTE/LC (tm)的介质基板上，因为W=λ/2，λ=c/f，f至少应在3.1～10.6 GHz的范围内取值，取f=300/48=6.25 GHz,恰好近似等于该频段的中心频率 6.85 GHz，则W=24 mm,L=W=24 mm，h＜＜λ取为 1.5 mm。所以大致确定了该天线的大体尺寸为（W=24 mm，L=24 mm，h=1.5 mm）。由此，选用了如图1所示的天线结构。天线制作在相对介电常数为4.4，厚度为1.5 mm，损耗角正切tanδ≤0.001的聚四氟乙烯基板上。

该天线采用了较为光滑的圆弧形渐变结构，使得负载阻抗能够在一个比较宽的频带上与馈线的特性阻抗[9]相等，处于良好的调配状态。此外，在它的中心位置还开了一小段圆弧状的阻带缝隙，能够比较有效地阻隔民用频带范围（WLAN，5.15～5.25 GHz，5.25～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz这 3个100 MHz频段），避免了两者之间的干扰。

图1 天线结构示意

图1中的参数：L=24 mm，W=24 mm，h=1.5 mm，Wf=3 mm，e=6.5 mm，d=1 mm，L2=2 mm，r1=6 mm，W2=12 mm，r3=3 mm，r4=3 mm，r5=2.5 mm，s= 0.15 mm，L1=5 mm，W1=22 mm，r2=3 mm。

图2 用 HFSS软件构建的天线模型

2 仿真结果

2.1 S11参数频响特性曲线

如图3所示，在2.9～10.81 GHz范围，回损S11满足超宽带天线的基本要求[10]（-10 dB以下）。同时，该天线具有一定的阻带，能够滤除民用频段范围，有效的防止两段频段之间的干扰。这可以通过调节天线前端那个阻带缝的位置和大小来调节所要滤除的频段范围。在目前设定的参数下，它滤除了8.90～9.45 GHz这一小段约0.55 GHz宽度的频段（从图3中可以看出实际上要超过这个数），虽然不满足规定的要求，但足以说明它完全具备了滤除民用频段WLAN包含在超宽带UWB范围内的那一小段频段的能力（3段合在一起的频段范围在5.15～5.825 GHz，带宽等于0.675 GHz）。此外，其在超宽带频带范围并没有出现偏离标准的频带存在。

图3 回损S11参数频响特性曲线

2.2 Z阻抗参数频响特性曲线

如图4所示，在UWB的频段范围内，该天线的负载电阻RL基本上在50 Ω左右进行徘徊变化，该天线的Z阻抗参数频响特性曲线在超宽带所要求的频段上变化显得幅值摆动幅度较小，所以它的调谐度更好。同理，该天线的负载电抗XL也基本上在0 Ω左右进行徘徊变化。从而看出该天线总体上处于谐振状态，从而使其能与馈线的特性阻抗Zo起到良好的调配作用。

图4 Z阻抗参数频响特性曲线

2.3 极化态轴比AR参数频响特性曲线

该天线具有足够大的轴比AR，如图7所示，说明此天线的极化态属于线极化波，符合 UWB天线的极化形式要求，且该天线辐射与接收线极化来波的能力更强。在作为发射天线时，它能完全发射线极化的电磁波，而辐射圆极化态或者椭圆极化态的电磁波则要损失一半的功率；在用作接收天线时，同理可知，它能完全接收线极化态的电磁波，而在接收圆极化态或者椭圆极化态的电磁波时则要损失一半的功率。此外，可以发现：随着频率f的变小，天线的极化性能越好，即对线极化来波的接收或辐射作用效果越好，这就有效的防止了椭圆或圆极化来波对其进行的电磁干扰作用。

图5 极化态轴比AR参数频响特性曲线

2.4 驻波比VSWR参数频响特性曲线

如图6所示,该天线在9.51～10.57 GHz具有一定的阻带。因为从而天线的驻波比频响特性曲线与天线的负载反射系数 S11频响特性曲线实际上是等同的，ρ的取值范围为1-+∞，其中ρ越接近 1，天线负载阻抗与馈线特性阻抗处于良好的匹配状态，此时微带馈电线工作于接近行波状态，来波的功率能够完全或者尽可能大的被天线负载所吸收，从而信号功率能够最大限度的被天线辐射出去或者接收进来。

图6 驻波比VSWR参数频响特性曲线

2.5 辐射方向图

通过对图7的观察可知，该天线的波瓣图变化不很明显，随着频率f的增加，只是天线的增益在急剧增加，这是由于辐射频率越高，辐射强度越强的缘故；波瓣图方面，E面（即θ方向）的波瓣只是变得越来越窄而已，只有H面（即φ方向）的波瓣形状在7～9 GHz之间有比较明显的变化，波瓣的上半部分有向下半部分压缩的趋势。

图7 具有带阻性能的UWB天线的方向

3 结语

通过高频电磁仿真软件（HFSS）进行仿真，结果表明该天线对特定的民用频率范围有一定的滤除作用，阻抗带宽为7.5 GHz，即电压驻波比VSWR在3.1～10.6 GHz频段上小于2，具有良好的方向图特性。此外，调谐性能和辐射频率的增高是以牺牲轴比 AR为代价的，这势必会带来一个比较现实的问题：天线的带宽逐渐增宽，但天线的极化轴比却在不断的减小，当达到一定程度的时候，必将避免不了椭圆或圆极化波对其产生的干扰作用。随着时代的发展，如何寻求带宽增大与轴比却不断减小的事实之间一种合适的解决方案，势必日益会提升到天线及射频工作者所要研究问题的日程中来。该天线结构简单,性能良好,是现代社会不可或缺的无线电工作手段之一。

[1] 张智宏，顾军，王桂华.WLAN 通信技术在煤矿安全生产中的应用[J].通信技术,2011, 44(10):88-90.

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