一种改进的U型超宽带单极子天线研究*

谌诗丹，杨晋生*，胡少文

(1.天津大学电子信息工程学院，天津300032;2.南昌大学电子信息工程系，南昌330031)

一种改进的U型超宽带单极子天线研究*

谌诗丹1，杨晋生1*，胡少文2

(1.天津大学电子信息工程学院，天津300032;2.南昌大学电子信息工程系，南昌330031)

设计了一种小型的单极子宽带微带天线。该天线通过对U型状金属辐射体加入中心臂，在部分地面结构中开阶梯型凹槽，达到扩展天线带宽的目的。仿真及实测结果对比分析表明:该天线的频带宽度和相对带宽分别可达3 GHz～13 GHz (S11≤-10 dB)和125%，在XZ面辐射图具有良好的全向性，在YZ平面具有很好的稳定性。基本满足了超宽带通信对天线的要求，而且结构简单，尺寸小，易于集成。

超宽带;微带天线;小型化;U型;渐变结构

超宽带(UWB)技术的出现，实现了短距离内超带宽、高速的数据传输。微带天线，作为一种以微带贴片为辐射单元的贴片天线，具有结构简单、体积小、重量轻、易于集成等优点［1］，广泛用于UWB设备中，其设计与应用的成为了国内外科研工作者的重点研究方向。

大量的不同形状超宽带平面微带单集子天线出现在相关文献中，如矩形、倒F型、圆形、多边形［2-4］等。为达到增加微带天线阻抗带宽，缩小天线体积的目的，目前通用的几种解决方法包括:附加寄生贴片［5］，对贴片和地面开槽处理［6-9］，采用分形结构［10-11］。但寄生贴片的中心不对称影响整个频带内天线方向图的稳定性，开槽有可能会改变天线的谐振频率，分形导致结构复杂。因此在设计时必须综合考虑，优先考虑带宽因素，在满足系统需求的前提下，将其余影响降到最低。

本文研究的天线是基于文献［12］改进和构造的。该文献设计了一种U型的微带贴片，如图1所示。采用部分地面结构，并且通过在地面挖半圆形凹槽达到更好的阻抗匹配效果。本文保留其原始U型贴片和部分地面结构，通过对辐射贴片附加中心臂，以及对地面的半圆型凹槽做阶梯型渐变处理，达到展宽阻抗带宽的效果。

图1 初始天线结构

文中第2部分详细介绍了天线的构造。第3部分讨论了参数对回波损耗的影响。第4部分是基于HFSS和实际测量，天线阻抗带宽，增益，辐射模式结果。最后第5部分是基于整个研究的结论。

图2 改进后天线结构

1 天线结构设计

该天线应用相对介电常数为4.4，tanσ=0.02的FR-4介质，其厚度h=1.5 mm，尺寸为Wsub=16 mm，Lsub=18 mm。地面长度为Lg=7 mm。该天线由叉型辐射贴片、包含阶梯型凹槽的地金属片组成，其中辐射贴片和地的结构对实现天线的超宽频带性能非常重要。采用阻抗为50 Ω的微带线进行馈电，金属带宽度为Wf=2 mm，辐射贴片与接地板之间的间隔1.5 mm。其实影响天线辐射性能的因素有很多，主要是由辐射贴片的尺寸和几何形状、地的结构尺寸决定。然后在HFSS中建立模型，对天线几何尺寸进行优化。

表1 天线尺寸 单位:mm

2 天线的分析与仿真

首先对通过在U型辐射单元的中间加载中心臂天线进行优化仿真，发现辐射单元结构和尺寸的改变可以起到加宽带宽的作用。如图3所示是在U型辐射单元中间加载中心臂对天线带宽的影响。在无中心臂的情况下，阻抗带宽(回波损耗S11≤-10 dB)3.2 GHz～12.1 GHz，相对带宽116%。而附加中心臂后，阻抗带宽(回波损耗S11≤-10 dB)为3.0 GHz～13.0 GHz，相对带宽为125%。

图3 中心臂对S11的影响

对地面半圆形凹槽做阶梯型渐进处理的天线进行优化仿真。如图4所示不同形状凹槽对天线带宽的影响。发现通过改变地的结构，可以达到增加阻抗带宽的目的。并且在8 GHz～11 GHz频率范围内，天线回波损耗在-15 dB以下，优化了天线的性能。

图4 对半圆形凹槽做阶梯型渐进处理对S11的影响

图5所示为在接地面开不同长宽比例的阶梯型凹槽对天线阻抗带宽的影响。

图5 凹槽对S11的影响

从图5可看出，不同长宽比的凹槽，会在不同的频率上谐振，这样相邻谐振频率点相互连接，能够较好地实现拓宽天线的阻抗带宽。由于凹槽可以改变其接地面上的电流流向，从而实现了增加阻抗带宽的功能。

该天线在实现超宽频带阻特性的同时，具有对称的方向图和良好的增益。图6(a)、6(b)所示为天线在3.0 GHz、6.0 GHz和9.0 GHz下的仿真辐射方向图。仿真增益如图9(c)所示，在3.0 GHz～13.0 GHz全频带内，最高增益达到11.4 dB，天线的增益处于一个比较平坦趋势，天线在高频段的增益较高是因为天线匹配较好。因此可知此天线能达到很好的性能，满足UWB通信的需求。

图6 仿真的天线辐射方向图

3 天线实制与实测结果

为了证实所设计的天线的实用性和有效性，首先通过天线仿真软件HFSS对所设计的天线进行了综合优化，优化后得到的尺寸如表1所示。最后根据优化后得到的尺寸，对该天线进行实际加工制作和测试，并利用AV3620矢量网络分析仪及功率计对天线实物进行测试。天线的实物图如图7所示，仿真的回波损耗与实测结果对比如图8所示，实测天线的增益、辐射方向图如图9所示。

图7 天线的实物图

图8 仿真和实测回波损耗图图

从图9可以看出，在3.0 Hz～13.0 Hz频段内，天线实测的回波损耗曲线基本处于-10 dB以下。实测值与仿真曲线稍有些偏差，主要是由加工误差所引起，此外SMA接头以及焊锡的散射效应也会对天线的回波损耗产生影响。该天线基本上能够满足微波通信的要求。

从图9(a)、9(b)可以看出，天线的实测辐射方向图在高频率点稍微有些偏差，从图9(c)可以看出实测的增益与仿真的增益基本上吻合，实测值与仿真曲线有些偏差，主要是因为加工误差和测量误差所引起的。

图9 实测天线的辐射方向图和增益图

4 结论

提出了一种改进U型单极子超宽带微带天线的方法，通过在U型贴片加中心臂，在地面开阶梯型凹槽渐变结构，可以达到展宽频带的目的。由于加载了中心臂增大了辐射贴片的尺寸，减少了电流的突变，起到改变天线面上电流分布的作用，改善了天线的阻抗特性，并且减少了电阻和电抗的波动幅度，使之形成好的匹配。此天线具有良好的方向性能和增益性能。通过对天线参数的优化，该微带馈电的天线可以工作在3.0 GHz～13.0 GHz。该天线结构简单、易于加工制作和集成。

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谌诗丹(1989- )，女，汉族，湖北黄冈人，天津大学电子信息工程学院硕士研究生，研究方向为射频微波技术与天线设计，ssd0917@tju.edu.cn;

杨晋生(1965- )，男，汉族，河北人，天津大学，副教授，研究方向为无线通信理论与技术，物联网技术与应用，jsyang @tju.edu.cn。

Research of a Modified U-shaped UWB Monopole Antenna*

CHEN Shidan1，YANG Jinsheng1*，HU Shaowen2

(1.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300032，China; (2.Department of Electronic Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

A compact monopole microstrip ultra-wideband antenna is proposed.The bandwidth of the antenna is increased by adding a central block to the basic U-shaped structure and etching step-form slot on the partial ground plane.Both the simulation and experimental results show that the bandwidth and relative bandwidth of the antenna can reach 3 GHz～13 GHz(S11≤-10 dB)and 125%respectively.It has good omni-directional radiation pattern in the XZ plane and exhibits stability radiation pattern in the YZ plane.The proposed antenna satisfies the requirements of the UWB system，simple and compact in size，and ease of integration.

UWB;microstrip antenna;compact size;U-shaped;tapered structure

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.012

TN92

A

1005－9490(2014)02－0225－04

项目来源:天津大学自主创新基金项目(1307)

2013-06-10修改日期:2013-07-31

EEACC:5270