超宽带U形偶极子天线设计

超宽带U形偶极子天线设计

潘一博

中国人民解放军78135部队   成都

摘要：天线是无线通信系统的关键器件，其性能直接影响无线通信质量。随着无线通信系统的集成度越来越高，多频段共用天线是无线通信发展的主要方向，超宽带天线是现代无线通信系统的首选。本文针对多频段共用天线需求，设计了一种U形臂超宽带天线，通过PCB印制与通信系统集成，通过仿真和实际制作测试，阻抗带宽从3.2GHz～11.5GHz,平均增益5dB，具有带宽大、体积小，便于集成的特点。

关键词：超宽带天线；U形臂；偶极子天线

随着无线通信的快速发展，有限的频率资源变的越来越紧张，人们对无线通信的容量及传输速率提出了越来越高的要求。在这种情况下，超宽带无线电（Ultra-Wideband Radio）技术由于具有一系列的优点越来越受到人们的关注和青睐。天线是超宽带无线通信系统重要的组成部件，天线质量的好坏直接影响通信质量。超宽带无线通信系统对天线提出了更高的要求。传统的如对数周期天线是窄带天线中的宽带天线，超宽带脉冲加载在传统的窄带天线上，信号会拖尾振荡失真，不适合在超宽带通信系统使用[1]。因此，超宽带天线比传统天线设计在阻抗带宽、增益、辐射方向图、效率、时域特性、频域特性、辐射功率谱密度等方面有更严格、苛刻的要求，面临更多的挑战。

1.超宽带U形臂偶极子天线设计

随着偶极子天线辐射臂面积的增加，其宽带特性更加明显，因此把偶极子臂设计成矩形来提高天线工作带宽得到广泛研究[2，3]，文献[2]中利用矩形臂偶极子设计的天线工作在1.5～3.6GHz频段，采用印刷振子，同轴线直接馈电，没有进行平衡转换；偶极子天线要求采用平衡馈电以保证两臂电流的对称性，但偶极子馈电间隙非常小,为了便于集成，要保证天线平面化,平衡馈电就非常困难。为此本方设计了通过双面印刷偶极子天线臂，克服了单面印刷平衡馈电困难的弊端。

平面单极或者偶极子天线电流主要分布在辐射体的边缘[4]，用CST Microwave Studio仿真发现,双面印刷矩形偶极子的电流密度主要集中在偶极子辐射体边缘,且馈电间隙处最强,而中间部分电流密度比较小，为此，在矩形臂偶极子中，去掉矩形偶极子臂中间部分，使其形状近视为U形，在聚四氟乙烯介质双面敷铜板上的偶极子辐射臂、平衡馈电结构如图1所示。新设计的U形臂双面印刷偶极子天线带宽得到大幅增加，从矩形工作在1.5～3.6GHz增加到3.2GHz～11.5GHz,达到了超宽带天线的要求。

图1双面印刷U形臂超宽带天线结构图

偶极子臂类似U型，可以等效为并联馈电的二元线偶极子阵列，其等效结构图如图2所示。

图2 等效二元阵

2.研究及测试方法

本文在进行超宽带天线的设计和研究过程中，采用了数值仿真与实验相结合的方法。采用数值仿真不但简化了工作难度，而且减少了重复加工测试的步骤，大大降低了设计成本。

在天线设计过程中主要使用的是基于有限积分法的电磁仿真软件CST Microwave Studio，仿真结果可以输出UWB天线的电压驻波比VSWR、绝对增益、辐射方向图等基本参数；也可以得到天线系统的散射参数S21，即传输函数。

天线的电压驻波比VSWR以及系统传输函数S21的测试采用的是HP8720E矢量网络分析仪。天线的辐射方向图在微波暗室中测得，采用标准喇叭作为发射天线，被测天线作为接收天线，Agilent 8563E作为接收显示设备。

首先采用CST进行了仿真，通过对天线的结构参数进行优化，在仿真的基础上，加工制作天线实物，并进行实验测试，将测试结果与仿真结果作对比，结果完一致。

3.实验结果与讨论

（1）驻波比。仿真、改进前后实测U形臂超宽带偶极子天线的驻波比如图3所示。实测与仿真结果基本一致，其驻波比带宽从3.2GHz～11.5GHz,超宽带工作频段。

图3双面印刷U形臂超宽带天线驻波比图4双面印刷U形臂超宽带天线增益

（2）增益。U形臂双面印刷偶极子天线可以看作是并联馈电的二元线偶极子天线阵列，如图2所示。阵元间距即为U形臂的开口宽度。空间任意位置的场都是两个线偶极子天线单独辐射的电场的叠加，增益得到提高。经测量，该天线在Z轴及Y轴辐射方向的增益如图3所示，从测试结果看z轴方向增益在阻抗带宽内比较平坦；沿+y轴方向的增益最大，说明U形臂双面印刷偶极子天线是端射天线。在3～8.5GHz频段内，+y轴方向和z轴方向增益比较平坦，波动小于5dB；+y轴方向平均增益约为5dB，在7.5GHz处增益最大。

（3）方向图。双面印刷偶极子天线采用微带线加平行双线馈电，微带线的地板具有双重作用，一方面构成完整的微带线，另一方面作为偶极子的反射板，对整个天线的方向图有一定的控制作用，馈电端的辐射应该受到削弱。由此可见，天线的H面方向图应该具有一定的定向性，而不应该是偶极子的全向辐射。图5所示为仿真和实测得到的方向图。可以看出，在整个工作频段内，H

面方向图表现出一定的定向性。

图5 双面印刷U形臂超宽带天线方向图

3.结论

本论文根据超宽带通信系统对电线的要求，在分析印刷偶极子天线辐射体上的电流特点，设计出了一种U形臂双面印刷结构的超宽带天线，经过实际制作测试和计算机仿真，均验证了该天线达到超宽带天线要求，驻波比小于2的阻抗带宽3.2GHz～11.5GHz,平均增益5dB左右，且在阻抗带宽内增益比较平坦。因此，本文设计的超宽带U形偶极子天线具有体积小、带宽大、增益高、时域脉冲响应好、便于集成的特点，可广泛用于超宽带通信系统中。

参考文献

[1]  钟顺时,梁仙灵,延晓荣.超宽带平面天线技术[J]. 电波科学学报,2007,22(2): 308-315

[2] Antenna Standards Committee of the IEEE Antennas and Propagation Group. IEEE standard definitions of terms for antennas[S]. IEEE Std. New York, USA, 1993, 1945-1993.

[3] X. H. Wu, Z. N. Chen, Comparison of planar dipoles in UWB applications. IEEE Trans. Antennas Propag. [J].2005, 53(6):1973–1981.

[4] J.X. Xiao, X.X Yang, G.P.Gao, J.S. Zhang, Double-printed u-shape ultra-widebanddipoleantenna[J].J. of Electromagn. Waves and Appl., Vol. 22, 2008, 1148–1154.