該天線由同軸饋電,天線的制作是通過(guò)在介質(zhì)基板上下面上分別印刷一個(gè)半圓形金屬,在上層刻蝕掉2個(gè)正方形圖案,下層刻蝕掉2個(gè)半圓形圖案實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)物 實(shí)測(cè)結(jié)果都可以證實(shí),天線的工作頻帶為3.1~10.6 GHz,有很好的全向輻射方向圖和良好的線性相位響應(yīng)。
聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)分配了3.1~10.6 GHz的頻譜資源給超寬帶無(wú)線通信應(yīng)用,在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)引起了超寬帶(Ultra-Wide Band,UWB)天線的研究熱潮。與其他系統(tǒng)的天線相比,一個(gè)性能優(yōu)良的UWB超寬帶應(yīng)用天線,除了具有很寬的頻帶外,還要有近似全向的輻射方向圖和良 好的色散特性。
盡管一個(gè)傳統(tǒng)的單極子天線,例如橢圓形單極子天線,具有很好的超寬帶特性,但是在超寬帶系統(tǒng)中使用這樣的天線,非平面結(jié)構(gòu)是其主要的缺點(diǎn)。平面單極 子天線通常由微帶線或者各種形狀的波導(dǎo)(Coplanar Waveguide,CPW)饋電,這些饋電方式之所以如此受關(guān)注,是因?yàn)檫@些饋電方式適合于超寬帶應(yīng)用,具有很多優(yōu)點(diǎn),例如:低剖面,重量輕和易于制 作。但是設(shè)計(jì)人員就必須更關(guān)注于饋電線的設(shè)計(jì),這樣使得設(shè)計(jì)變得較為復(fù)雜。
文中提出了一種新型的平面超寬帶天線,使用了蝶形結(jié)構(gòu),同軸饋電,設(shè)計(jì)過(guò)程非常簡(jiǎn)單,無(wú)需考慮饋電線。天線結(jié)構(gòu)是通過(guò)在介質(zhì)基板的2面分別印刷上一個(gè)半圓形金屬,在輻射面上刻蝕掉2個(gè)對(duì)稱(chēng)的正方形和在接地面上刻蝕掉2個(gè)半圓形圖案實(shí)現(xiàn)的。
1 天線的設(shè)計(jì)
文中所提出的超寬帶天線由同軸饋電,饋電位置如圖1所示。天線制作在FR-4環(huán)氧樹(shù)脂介質(zhì)基板上,板層厚度為1.6 mm,相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4,損耗正切tanδ=0.02。該天線的幾何結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖1所示。天線結(jié)構(gòu)的輻射面是在介質(zhì)板上層面印刷了一個(gè)半圓形金 屬平面,在半圓的兩邊對(duì)稱(chēng)地刻蝕掉2個(gè)正方形平面,如圖1(a)所示:天線接地板同樣是在介質(zhì)板下層面印制了一個(gè)半圓形金屬平面,左右兩邊對(duì)稱(chēng)地刻蝕掉了2個(gè)半圓形平面,如圖1(b)所示。天線最后的優(yōu)化參數(shù)為a=30 mm,b=4 mm和R=8 mm。
圖2
2 仿真和測(cè)試結(jié)果
該天線的設(shè)計(jì)和分析是基于有限元算法的商用化軟件Ansoft HFSS11進(jìn)行的,并利用該軟件獲得了仿真結(jié)果。除此之外,作者還根據(jù)仿真模型制作了一款實(shí)物天線,如圖2所示。使用Agilent公司生產(chǎn)的E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)物天線進(jìn)行了測(cè)量。
下面為了討論天線輻射片上切掉的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的正方形面和接地面上切掉的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的半圓形面的影響,利用仿真軟件分別對(duì)正方形面的邊長(zhǎng)b和半圓形面直徑R對(duì)于反射損耗的影響進(jìn)行了分析。
圖3
圖4
圖6
天線在不同頻點(diǎn)4.7和10 GHz的x-z和y-z面的仿真輻射圖如圖6,7和8所示。由圖可以看出,在x-z面,該超寬帶天線較低頻段(3~7 GHz)具有較好的全向輻射特性;在x-z面,頻率為10 GHz時(shí),輻射方向圖幾乎為全向。
圖9
結(jié)語(yǔ)
文中成功設(shè)計(jì)了一個(gè)由同軸饋電的平面超寬帶天線。天線的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,仿真和測(cè)量結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的天線覆蓋UWB系統(tǒng)的3.1~10.6 GHz頻段,天線具有很好的全向輻射特性和良好的線性相位響應(yīng)。
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