一种用于超带宽无线通信系统的天线设计实现＊

宋志强 孙 瑜

（92941部队96分队 葫芦岛125001）

1 引言

UWB（Ultra Wide Band超宽带）是一种在雷达和遥感中被广泛应用的传输技术，近年来作为通信应用在业界受到了巨大的关注。其高性能和低功耗的优点使超带宽无线通信系统成为未来理想的无线通信系统。根据FCC（Federal Communications Commission美国联邦通信委员会）对UWB天线的定义，应用在UWB短距离通信设备的天线要求很大的频带宽度，因此UWB天线的设计也成为UWB技术中的难点。

近几年，微带天线以其结构简单、平面结构、便于和集成电路集成和成本低等特点，在短距离通信设备中得到越来越多的应用。同时，在天线扩展频带应用方面提出了很多方法。综合来说，对于微带天线展宽频带的方法主要有：1）用介电常数较小和厚度较大的介质基片；2）附加寄生贴片或采用电磁耦合馈电；3）附加阻抗匹配网络等。除此之外还可以改变天线结构和采用行波或者对数周期结构来提高带宽。

目前对于实现微带天线带宽的方法使得天线结构比较复杂，并且有些改变了微带天线的平面结构，不利于在便携设备上安装和使用。本文针对如何实现UWB无线通信设备的高带宽的要求，考虑了微带天线的平面结构，提出一种新型结构的UWB微带天线，并通过仿真和加工测试证明其可行性。

2 天线结构及设计

为了满足FCC对UWB天线的要求，本设计综合了提高微带天线带宽的方法，采用了微带耦合馈电方法，天线的辐射形式采用微带宽缝隙辐射，并综合圆环开槽天线和矩形开槽天线相比可以减小天线结构的尺寸并且保证宽频带的特性，因此这种新型天线采用微带耦合馈电圆环开槽结构。圆环开槽天线是在介质基片上开一个圆环缝隙，并用微带线作馈电，该带天线的几何图形及其坐标系如图1所示。

图1 圆环开槽天线及其坐标系

其可以看作在一个无限导体平板上的圆环缝隙，面磁流的环形分布为

式（1）中，Ea是口面电场是垂直于口面的单位矢量。圆环开槽天线的的远场方向图可以用电矢量位法来计算。远区电场的θ和φ分量为

式中，a是圆环缝隙的内半径，Eρ和Eφ′分别是在ρ和φ′方向上缝隙的电场分量。

圆环开槽的半径主要依赖于天线在自由空间的场模式，当aλ0＝1或2时的方向性图可以通过式（4）得出，其中k0＝2π／λ0，λ0是自由空间的波长，WS是圆环缝隙的宽度。

对圆环开槽天线采用在介质基片底部用微带线耦合馈电的方式，馈线穿过开槽并且终端开路，为了更好的实现匹配，穿过开槽部分的馈线长度应该在λS／4，λS为电磁波的槽线波长：

图2 圆形开槽微带天线结构示意图

根据以上的分析和计算，圆环开槽天线的结构示意图如图2所示，加工后的实物图如图3所示。圆形贴片半径为R2，开槽的内径和外径分别为R2和R1；介质基片相对介电常数4.3，厚度1mm；微带馈线特性阻抗是50Ω，宽度w′＝1.98mm，馈线终端接较宽的微带开路线，长和宽分别为L和W。泡沫层相对介电常数近似为1，厚度为20mm。通过软件优化得到最佳的天线尺寸为：R1＝26mm，R2＝10mm，d＝12mm，h1＝1mm，h2＝20mm，l′＝32mm，w′＝2mm，L＝12mm，W＝10.5mm。

图3 UWB天线实物正视图

3 仿真与加工测试结果

借助于Ansoft HFSS对天线模型进行仿真。得到天线的回波损耗如图4所示，天线的回波损耗S11＜－10dB的带宽达到6.15GHz，其相对带宽为89%。

图4 圆弧开槽微带天线的回波损耗

天线加工后用矢量网络分析仪对天线反射系数进行了测试，测试频率从2GHz～6GHz，测得结果如图5所示。在3.1GHz天线的反射系数为－12.748dB，从3.1GHz－5.669GHz的整个频段内，天线的反射系数均小于－10dB。可以达到FCC对UWB天线的要求。

图5 UWB天线的反射系数实测图

图6所示为该微带天线在谐振频率（3.8GHz，5.8GHz，7.8GHz，9GHz）的远场辐射的方向图。从图中可以看到随着频率的变化，天线辐射的方向性图也发生变化，并且随着频率的升高，副瓣电平开始增大，这是由于存在较高的谐振模式的原因。从仿真结果处理数据观察天线的增益，可以发现在整个频带内天线的增益比较高，其最高增益一般要高于10dBi，并且随着频率升高天线的最大增益也相应的增大。

图6 天线远场辐射方向性图

4 结语

本文提出了一种用于UWB无线通信系统的新型微带天线。这种新型天线采用微带耦合馈电圆环开槽结构。通过实验仿真和加工测试，证实该天线具有较好的宽频特性，具有广泛的应用价值。

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