一种新型超宽带平面单极天线的设计

1、1122009年第 01期, 第 42卷 通 信 技 术 Vol.42, No.01,2009收稿日期:2008-06-30。基金项目:苏州大学青年学术骨干教师基金资助项目(R 2317152 。 作者简介:施胜杰(1984- ,女,硕士研究生,主要研究方向射频与无线通信、天线的设计与研究;郭辉萍(1964- ,女,副教授,主要从事电磁理论、电磁散射及无线通信教学、科研工作。0 引言近年来,超宽带无线通信技术以其超高速、超大容 量、 低成本、 低功耗、 复杂度低、 保密性好等 优点而备受重 视 ,成 为 目 前 无线通信的 一 大研究 热点 1。超宽带天线的 设计 和 研究 是 超宽带的 关键

2、 技术 之一 。 为了适应 高速 集 成 电 路小型化 的 需求 , 平面单极 天线 在 超宽带无线通信设 备 中受到了广泛 的青 睐 2-5, 原因在于 其 诸多 的 优点 :尺寸 小 、 结构紧凑 、 频带宽。 常见 的 平面单极 天线 有矩形平板单 极 天线、 圆盘单极 天线、 椭圆盘单极 天线。 为了提 高天线的 带宽, 通 常采用偏置馈 电、 双点或多点馈 电、 短路 以及 切角 等技术 4-5 。文章提出了一种新型结构 的超宽带 平面单极 天线。 该 天 线 由一个倒置 的 “月牙” 形 金 属贴片 以及 矩形槽口 6金 属接地 板所构 成, 采用微 带线 对 其 进行馈 电。通

3、过数值仿 真 和 实验 测 量, 最终可得 天线 回波损 耗 S 11<-10 dB覆盖 的频 率范围 从一种新型 超宽带 平面单极 天线的设计施胜杰, 郭辉萍(苏州大学 电 子 信 息 学 院 , 江 苏 苏州 215021【摘 要】 提出了一种新型超宽带平面单极子天线。该天线由一个倒置的月牙形金属贴片和一个槽口金属接地板构成, 采用微带线对其进行馈电。 通过数值仿真和实验测量, 该平面结构的单极天线具有超宽带性能, 实测天线的 -10 dB回波损耗 的频率覆盖范围为 3.21.8 GHz,相对带宽达 115%,阻抗带宽达到 3.6倍频。且该天线体积小、结构 简 单、 加工简便 , 适

4、合 应 用 于短程 超宽带通信 系统 。【关键词】 平面天线 ; 单极子天线 ; 超宽带 (U W B 【中图分类号】 TN822.8 【文献标识码】 A 【文章编号】 1002-0802(200901-0112-03Design of Novel Ultra-Wideband Planar Monopole AntennaSHI Sheng-jie, GUO Hui-ping(School of Electronic and Information Engineering, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215021, China【 Abstract

5、】 A novel ultra-wide band(UWBplanar monopole antenna with a inverted crescent metal patch anda notch metal ground plate is proposed. The proposed planar monopole antenna has an ultra-wide band, and issmall in size and simple in structure, thus is easy to fabricate. Its measured -10dB return loss ban

6、dwidth coversa frequency range between 3.2 GHz and 1 1.8 GHz. In other words ,the relative bandwidth is 115% and the ratioimpedance bandwidth reaches 3.6:1. This type of antenna is suitable for short-distance UWB communications.【 Key words】 planar antenna; monopole antenna; ultra-wideband(UWB3.2 GHz

7、到 11.8 GHz,相 对 带宽 达 到 近 115%, 阻抗 带宽 达 到 3.6倍 频, 而 天线的 尺寸 仅 为 18 mm×16 mm。1 天线的 基本 结构图 1给 出了月牙形 超宽带 平面单极 天线的 结构 示意 图 。 该 天线 制 作 在 相 对 介电 常数为 4.4, 厚 度 为 1.6 mm的 FR4介 质 基 片 上 。 介 质 基 片 的 正 面为 天线的 辐 射 单 元 , 一个 倒置 的 月牙形 金 属贴片 , 该形 状 是由圆 心 在 同 一 直 线 上 的 两 个圆 相交 所构 成, 两 圆 的 半径分别 为 r 1, r 2, 而圆 心距 为 d

8、。 半径 为 r 1的大 圆 剔除两 圆 相交部分便 构 成 了一个月 牙形 的金 属贴片结构 。介 质 基 片 的 背 面为 16 mm×4 mm接地板 , 在接地板 上挖去 一个 L ×W 矩形 凹 槽 。其主要目 的 是为了 调节 天线的 阻抗匹配 ,从 而 展 宽天线的带宽。 该 天线 采用微 带线 进行馈 电, 馈 线的宽 为 2 mm。 整 个 天线 的 尺寸为 18 mm×16 mm。 113图 1 天线结构 (单 位:mm 2 天线的数值 分析在 研究的 过 程 中 , 发现 接地板 上 矩形 凹 槽 的 尺寸对 天线 的 阻抗 带宽 有 着十分

9、重 要的 影响 , 在 这里 , 固定 r 1=5.5 mm, r 2=3.5 mm, d =2.5 mm, 选取不同 的 凹 槽尺寸 来 观测 天线的 回波损 耗, 如图 2所 示 。从 图 2中 可 以 看 到 , 随着凹 槽尺寸 的 变 化 ,天线的 阻抗 带宽 呈现着明显 的 变 化 。 当 L =0 mm , W =0 mm时 , 表示没 有 凹 槽 的 情况 , 此 时 低 端 频 率 向高频 处 移动 。 当 L =7 mm, W =2 mm和 L =8 mm, W =2 mm时 , 虽 然 低频的 起始 频 率 点 较 低, 但 是 阻抗 带宽 明显变 窄 , 说 明 频 率

10、升 高 时 天线的 输入 阻抗 与 外 接 的 50端 口 不相匹配 。 而 当 L 图 2 回波损耗 S 11随 L , W 的 变化接 下 来研究 辐 射金 属贴片形 状 的 变 化对 天线 阻抗 带宽的 影响 。 首先使 天线的 辐 射 单 元 由“月牙” 趋 向 “新月” 方向 变 化 , 这里 通 过 选取固定 的 r 1=5.5 mm, d =2.5 mm, 逐 渐增 大 r 2来 实现 。从 图 3中 可 以 看 到 , 随着 r 2的 增 大, 谐 振 的 强 度 明显 减弱 , 低 端 频 率 逐渐 向高频 处移动 , 回波损 耗 S 11< -10 dB的 阻抗 带宽

11、 也 相 应地 变 窄 了 。其 原因在于 当 金 属 贴片面 积缩 小 后 , 输 出 端 的 匹配阻抗发 生 了 变 化 ,从 而 导 致 了 带宽的 变 化 。 然后使 天线的 辐 射 单 元 由“月牙” 趋 向 “ 满 月” 方向 变 化 , 这里 通 过 选取固定 的 r 1=5.5 mm , r 2=3.5 mm , 逐渐增 大 d 来 实现 。从 图 4中 可 以 看 出 , d 的 变 化 对 天线 阻抗 带宽的 影响相 对于 r 2就 小 得 多了 , 但 对 谐振 频 率 点 的 位 置和 谐振强 度 还 是有 影响 的, 具体 表现 为 d 增 大 后 , 谐振 的 强

12、度 变 弱 了 。 综合 以 上 几 个因 素 , 最终选取 金 属贴 片 的 参 数为 r 1=5.5 mm, r 2=3.5 mm, d =2.5 mm来 进行 研究。 图 4 回波损耗 S 11随 d 的 变化图 5, 图 6分别给 出了 天线 在 4 GHz, 7 GHz, 10 GHz时 的 E 面和 H 面 的 归 一化 辐 射方向 图 。从 这两 幅 图 中 可 以 看 到 , E面为“ ¥” ,H 面为 全 方向。1143 实验结 果基 于 上 述 数值仿 真分 析 结 果 , 加 工 了一 副 实验 天线, 如图 7所 示 。天线的 结构 参 数 分别 为 L =7

13、 mm, W =1 mm, r 1=5.5 mm , r 2=3.5 mm , d =2.5 mm 。 在 网络 分 析仪 AgilentN5230A 上 进行 测 试 , 实测 数 据 与 仿 真 的 数 据 取得 较 好的 吻合 , 如图 8所 示 。 可 见该 天线 回波损 耗 小于 -10 dB的频带 范围 为 3.211.8 GHz , 相 对 带宽 达 到 近 115%, 阻 抗 带宽 达 到 3.6倍 频。 图 8 天线实测和仿真的回波损耗4 结 语提出了一种新型 的超宽带 平面单极 天线, 并 对 影响 天 线性 能 的 因 素 作 了 分 析 和 比较 , 且 制 作 了 天

14、线的 实 物 , 进行 了 实验验 证 。 实验 和 计 算 结 果吻合 得 较 好, 实测 的 回波损 耗 S 11<-10 dB覆盖 的频 率范围 从 3.211.8 GHz,相 对 带宽 达 到 近 115%, 而 天线的大 小 仅 为 18 mm ×16 mm 。 由于该 天线 具 有 超宽带、 小型化 、 结构紧凑 、 加 工简 便 等 特 点 , 因而 便 于和 射频电 路 器件 集 成, 易 于 满足 通信 系统 的要 求 。 但还 需 要作 进一 步 的研究, 将 低频 端降至 3 G H z 以 下 , 并 需 要 进一 步改善 其 辐 射 特 性, 提 高天

15、线 增益 。参考文献1 Chen Z N, Ammann M J. Wideband monopole antenna for multi-band wireless systemsJ.IEEE Antennas and PropagationMagazine,2003, 45(2: 146-150.2 Hammoud M, Poey P, Colombel F. Matching the input impedanceof a broadband disc monopoleJ. Electronics Letters,1993,29(4: 406-407.3 Tseng C F, Huang

16、 C L. Planar monopole with widebandoperationJ. Microwave and Optical Technology Letters,2007, 49(3: 696-699.4 Antonino-Daviu E, Cabedo-Fabres M, Ferrando-Bataller M, et al.Wideband double-fed planar monopole antennasJ. ElectronLetters, 2003, 39(23: 1635-1636.5 Ammann M J, Chen Z N. A wideband shorte

17、d planar monopolewith bevelJ.IEEE Transaction on Antennas Propagation,2003, 51(4: 901-903.6 Choi W J, Jung J, Chung K H, et al. Compact microstrip-fedantenna with band-stop characteristic for ultra-widebandapplicationsJ. Microwave and Optical Technology Letters,2005,47(1: 89-92.(上 接第 111页图 6仿 真分 析 结

18、 果 表明 , AF-QCSK 误码 率 略差 与 FM-DCSK , 但 是 其 数 据传输 率 提 高 了 , 它 的速 率 是 FM-DCSK 的 3倍 , 牺牲较 小 的 误码 率 而 获 得 3倍 的信 息 传输 速 率 是值 得 的。3 结 语文中提出 的 一种 改 进 的 混沌 键 控 调制 方 式 , 这 种 调 频 调 幅 正交 混沌 键 控 方 式 的 误码 率 性 能 要 次 于 FM-DCSK , 但 是 其 数 据传输 的速 率 是 FM-DCSK 的 3倍 。 在 通信技术 飞 速 发展 的 时 代 , 这 种新 的 键 控 方 式 有 很 广 阔 的 应用前 景

19、。 这 种 改 进 的 调制 方 式 的 抗 多 径 干 扰 和 抗 多用 户 干 扰 的性 能 , 还 有 待 进一 步 研究。参考文献1 Kolumbàn G, Kennedy M P. Enhanced version of DCSK and FM-DCSK data transmission systemJ. IEEE.CAS, 1999,(4: 475-478.2 Kolumbán G. Theoretical noise performance of correlator-based chaotic communication schemesJ. IEEE Trans, 2000,(2: 1692-1701.3 Zbigniew Galias, Gian Mian, Mario Maggio. Quadrature chaos-shift keying: theory and performance analysisJ. IEEETrans.CAS, 2001, 48(12:1510-1519.4 Kolumbàn G, Kennedy M P. Chaotic communications withcorrelator