一种宽频带印刷缝隙天线*

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摘要：通过对花瓣形天线和单极子天线的研究，设计了一款超小型印刷缝隙天线，该天线的工作频宽为4.8~31.5GHz，基本覆盖SHF频段。在此频段该天线具有稳定的增益，且波形保真特性良好。该天线尺寸小，成本低，且易于与其他电路集成，是无线通信收发天线的一个很好的选择。

关键词：花瓣形天线；单极子天线；SHF频段

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.006

引言

目前，无线通信得到了越来越为广泛的应用。而3~30GHz的SHF频段在无线通信中也扮演着极其重要的角色，该频段几乎包括了C、X、Ku、K、Ka等微波波段，并且也覆盖了UWB(3.1~10.6GHz)频段。

SHF频段在雷达、DSO卫星以及数据通信等方面都有非常重要的应用[1]，而这些应用中一个必不可少的组成部分就是终端用于收发信号的天线。资料显示，最适合卫星通信的频率是1~10GHz频段，即微波频段、为了满足越来越多的需求，研究人员已开始研究应用新的频段，如12GHz，14GHz，20GHz及30GHz。因此，设计出多频段卫星通信终端天线将成为此类天线设计的一个趋势[2]。

另外，此频段也将应用于平流层信息平台固定业务。相关资料显示，1997年ITU通过把47~48GHz频段，宽为600MHz的频带分配给平流层信息平台固定业务使用[3]。这个频段的特点是波长短，天线尺寸小，但雨雪衰减大。在亚洲，由于受雨雪衰减的影响，可以用28~31GHz频段代替47~48GHz频段。另外，美日等有关机构也都在致力于为平流层通信争取其他频段，如2、10、20、30GHz等。这些频段的天线将会克服47~48GHz频段天线的一些缺点。

但是，目前现有的该类天线的贴片辐射单元多采用菱形，方形或水滴形的贴片辐射单元的设计方案，但方形、菱形贴片存在阻抗带宽相对较窄，雨滴形贴片存在方向图主瓣在频率高端的分瓣现象。

本文所提出的天线结构简单，尺寸小，剖面低，成本便宜，易于加工并可集成到无线电系统内部。阻带带宽和方向图带宽足够宽，可达到4.8~31.5GHz，增益稳定，可用作多频段卫星通信终端天线，较之前提出的阵列天线尺寸更小。天线的阻抗带宽除3.1~4.8GHz外，覆盖了UWB频段，所以该天线也可用于民用超宽带(UWB)通信以及短距离无线通信。

图1 天线结构示意图（单位：mm）

图2 天线辐射单元尺寸变化对回波损耗的影响

图3 缝隙尺寸变化对回波损耗的影响

图4 天线的回波损耗S11、增益、电压驻波比

宽频带天线分析

通过对花瓣形天线和单极子天线进行研究，可以发现，花瓣形天线[4]展宽了工作带宽，获得了良好的驻波比特性和方向图主瓣特性，完成了宽频带设计，采用类似花瓣形贴片辐射单元，通过贴片弧度的改变，一定程度上弥补了菱形贴片阻抗带宽较窄和雨滴形贴片方向图主瓣在频率高端的分瓣现象，可以优化配置驻波比与方向图主瓣间的性能。

而单极子天线[5]在无线通信领域都有非常广泛的应用，如机载和地面通信系统。一个相对于完纯导电地面馈电的单极子的辐射功率，只有类似的自由空间偶极子辐射功率的一半，因为功率分布方式相同，但只有半空间。而且，完纯导电地平面上面的单极子的波束立体角只有自由空间中相应偶极子的一半，导致方向性加倍。方向性的增加并非由于辐射强度的增加，而是由于平均辐射强度的增加，这是因为单极子的辐射功率仅仅是偶极子辐射功率的一半。因为单极子的长度是由波长的四分之一或略短，所以在低频段，单极子的物理长度可能会很长，但是，在较高频段，单极子的尺寸将会变得很小，这对于制作超小型天线提供了有力的条件。

单极子天线的馈电方式[6]有很多种，许多单极子天线通过印刷传输线进行馈电，如微带线馈电和共面波导馈电，其特点是易于同其他电路进行集成，因此得到越来越多的应用。

天线基本结构

通过对花瓣形天线[7]和单极子天线的研究，图1给出了一印刷单极子天线的结构图，该天线采用微带馈电方式，且微带馈线长度S=9mm，宽度 H=0.96mm。天线介质基片采用Rogers RO4003(ε=3.5，tanδ=0.0027)，基片的厚度T=0.45mm，长度L=21.2mm，宽度W=22mm。天线的辐射单元为两个不规则椭圆环状结构连接构成，如图1所示。经优化分析可得，辐射单元下半部分的外椭圆半径R1=6mm，R5=4mm，上半部分外椭圆半径R2=4mm，R6=3mm。缝隙的下半部分椭圆R3=3mm，R7=3.95mm，上半部分椭圆R4=1.5mm，R8=2.5mm。

影响天线性能参数分析

天线辐射单元尺寸对回波损耗的影响

天线辐射单元的尺寸大小是影响回波损耗和阻抗匹配的重要因素。如图2可知，随着R1的增大，天线的带宽发生变化，R1=6mm时，带宽较大，并且包含较低频段。但天线阻抗带宽受R2影响不明显，综合考虑起见，R2取值为4mm。

同样，也可以对辐射单元的另外两个参数R5和R6进行分析，得到其最优值，分析过程将不再赘述。

天线缝隙尺寸对回波损耗的影响

天线缝隙是影响天线阻抗带宽的另一个重要参数。如图3(a)所示，当R3逐渐变大时，天线的阻抗带宽变大，R3=3mm，天线的阻抗带宽和匹配特性较为理想。但天线阻抗带宽受R4的影响较小，考虑到制作简易特性，R4取值为1.5mm。

同样原理，也可以对缝隙的其它两个参数R7和R8进行优化设计，当R7增大时，天线的阻抗特性将发生剧烈的变化，如图3(c)所示。而R8的变化对阻抗特性影响非常小。最后得到其合理取值为R7=3.95mm，R8=2.5mm。

天线仿真结果分析

综合分析多种影响天线性能的因素之后，合理选择各参数，设计出天线模型。图4是对以上提出的天线结构利用CST Microwave Studio进行仿真分析后所得到的天线回波损耗、天线增益、电压驻波比参数图，由图4(a)可见，其-10dB阻抗带宽为4.8~31.5GHz，而图4(b)表明在频率范围内，其增益在2.2~6.02dBi之间变化，且逐渐趋于平稳。由图4(c)可知，4.8~31.5GHz频率范围内，天线的驻波比均在2以下，整体驻波性能较好，满足了无线宽频带通信技术对驻波的要求，这也符合天线实际应用需要。

结论

通过对花瓣形天线和单极子天线进行研究分析，在此基础上设计了一种超小型单极子印刷缝隙天线，采用微带馈电方式为天线进行馈电，设计的天线模型在18.3GHz频率下工作时，反射系数可以达到-33.5dB，且输入阻抗近似为50Ω的纯阻，天线增益可达到6.02dB。该天线还具有小尺寸，低成本以及易于集成等优点。基于以上特点，这种天线可以作为多种短距离无线通信系统的收发天线。