郭堅(jiān) 蘇寒松 段綠茵 王希

摘要：隨著無(wú)線通信和雷達(dá)系統(tǒng)的不斷完善發(fā)展，對(duì)天線性能提出了體積小、重量輕、制作簡(jiǎn)單和寬頻帶等特性要求，超寬帶天線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)介紹超寬帶貼片天線的技術(shù)特性、研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)，提出了一種特有的超寬帶貼片天線設(shè)計(jì)方案。簡(jiǎn)要介紹了Ansoft HFSS仿真軟件，且用其對(duì)回波損耗和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖進(jìn)行仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)的天線的帶寬大致在1.50～11.50GHz范圍內(nèi)，且在WLAN頻段達(dá)到了良好的陷波特性，有效地抑制了超寬帶通信與窄帶通信之間的潛在干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了超寬帶的頻帶要求。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/164389.htm

關(guān)鍵詞：超寬帶；貼片天線；回波損耗；仿真；頻帶

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.010

引言

隨著當(dāng)前通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，頻譜效率、速率越來(lái)越高，帶寬也不斷增寬。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)綜合一體化是一個(gè)趨勢(shì)，各種無(wú)線技術(shù)都將在這一體化的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮自己的作用。從移動(dòng)通信來(lái)看，3G乃至4G技術(shù)將成為主導(dǎo)，從而形成對(duì)全球的廣泛無(wú)縫覆蓋；而WLAN、WiMAX、UWB等寬帶接入技術(shù)，將因其各自不同的技術(shù)特點(diǎn)，在不同覆蓋范圍或應(yīng)用區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)形成有效互補(bǔ)。本文對(duì)超帶寬（UVB）貼片天線技術(shù)做了一個(gè)系統(tǒng)的闡述，并對(duì)貼片天線做了新的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)HFSS 12.0進(jìn)行了系統(tǒng)仿真的優(yōu)化，并最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

超寬帶天線技術(shù)簡(jiǎn)介

超寬帶天線（UWB）技術(shù)是一種新型無(wú)線通信技術(shù)。它有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。重量輕，體積小，制作簡(jiǎn)單且寬頻帶。從2002年美國(guó)FCC允許將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域以來(lái)[1]，迅速發(fā)展為未來(lái)短距高速商用無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的有力競(jìng)爭(zhēng)方案。

UWB天線覆蓋非常寬的頻率范圍，多用于移動(dòng)設(shè)備，所處位置不固定，擺放角度隨機(jī)，因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脈沖編碼，需要有較好的時(shí)域特性，也要求其具有非色散特性，即平坦的幅頻響應(yīng)和在帶寬內(nèi)的線性相位。因FCC建議的3.1～10.6GHz頻段與WLAN有沖突，研究熱點(diǎn)集中在具有帶阻功能的UWB天線，很多人提出了采用了寄生耦合，對(duì)接地面處理、分形等技術(shù)的具有濾波器功能的新型設(shè)計(jì)。

優(yōu)化方案

對(duì)各個(gè)物理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)置。經(jīng)過(guò)仿真分析，接地板寬度L4從10mm開(kāi)始，隨著寬度的增加，帶寬越來(lái)越寬，當(dāng)L4達(dá)到13mm時(shí)，則它不再滿(mǎn)足超寬帶的特性，因而我們認(rèn)定當(dāng)L4=12mm時(shí)能夠獲得最佳的阻抗帶寬。改變橫縫隙的位置，讓它向著y軸正向移動(dòng)，距x軸的距離設(shè)為H，在L1變動(dòng)時(shí)，此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H=23mm時(shí)，阻抗帶寬范圍為2.25～11.5GHz，也由此得出H為23mm時(shí)是最適合的位置。研究表明豎條縫隙的位置對(duì)天線的回波阻抗的影響并不是很大，隨著其長(zhǎng)度的增大，阻抗帶寬也會(huì)有相應(yīng)的增加，所以選擇其長(zhǎng)度L9=15mm能夠滿(mǎn)足最佳的天線性能。我們又改變了L7長(zhǎng)度的大小來(lái)觀察天線的回波損耗得出了當(dāng)L7=6mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的回波損耗性能。實(shí)驗(yàn)中又試著再改變L10的大小，當(dāng)L10=2mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的回波損耗性能。并且還得出了隨著L10的增加，天線的阻抗帶寬也隨著增加的結(jié)論。接下來(lái)改變寬度W的大小，觀察總結(jié)出當(dāng)W=1mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的回波損耗性能。且隨著W的增加，天線的回波損耗越來(lái)越差，阻抗帶寬也越來(lái)越小。最后討論小半圓半徑R對(duì)天線回波損耗的影響，得出當(dāng)R=11mm時(shí)，天線能夠表現(xiàn)出最佳的性能。且隨著R的增加，天線的回波損耗變得越來(lái)越差。經(jīng)過(guò)對(duì)天線設(shè)計(jì)參數(shù)的仿真與細(xì)致研究，我們得出最終的優(yōu)化的結(jié)果，各項(xiàng)物理參數(shù)如表2所示。

依照上表中天線的尺寸，對(duì)最后設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真，得到理想的天線的回波損耗圖和在頻率點(diǎn)分別為2.5GHz和7.5GHz的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖如圖4?？梢钥闯?，通過(guò)Ansoft HFSS 12.0仿真軟件的優(yōu)化，我們得到了性能比較優(yōu)越的天線回波損耗S11值和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。得出設(shè)計(jì)的天線帶寬范圍大致在1.50～11.50GHz范圍內(nèi)，而且遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖表現(xiàn)出的輻射范圍也比較大，給出的匹配較好的頻率點(diǎn)f=2.5GHz， f=7.5GHz的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，可以清楚地看出超寬帶貼片天線所表現(xiàn)出的輻射性能。所以，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)天線一系列參數(shù)的仿真優(yōu)化得到了符合要求的設(shè)計(jì)。

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中阻抗帶寬大致在1.50～11.50GHz范圍，對(duì)于稍低的頻段，如2.5GHz或5.8GHz頻段，可用于無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）通信。而2.4GHz，5GHz（5.15～5.25GHz，5.250～5.350GHz和5.470～5.725GHz）則可允許WiFi通信；2.3GHz，2.5～2.7GHz，3.5GHz（3.3～3.8GHz）可以進(jìn)行W i m a x （全球微波互聯(lián)接入）通信。1710～1885MHz，2500～2690MHz，則可用于3G通信。設(shè)計(jì)的超寬帶貼片天線很好的解決了FCC與WLAN頻段的重疊問(wèn)題，也使天線在WLAN頻段達(dá)到了良好的陷波特性。因受實(shí)驗(yàn)條件等因素制約，沒(méi)能夠做到實(shí)物產(chǎn)品和實(shí)際測(cè)量，只是經(jīng)過(guò)了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)并得出了較好的結(jié)果，接下來(lái)就是要落實(shí)到硬件實(shí)現(xiàn)，真正做到設(shè)計(jì)的超寬帶貼片天線具有較高性能和實(shí)用價(jià)值。

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