超宽带平面天线的研究进展

超宽带平面天线的研究进展

1uwb天线的三种新型天线网络结构超宽带天线是电子信息战中电子设备的重要部件，在冲激雷达等时代系统中得到了广泛应用。随着高速电子集成电路的快速发展,为适应小型集成化的需求,超宽带平面天线的研究与应用引人瞩目。2002年2月14日美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1~10.6GHz频段划作超宽带(UWB—ultra-wideband)技术的商业应用,将广泛应用于新兴短程通信中,这更使超宽带平面天线成为一个新的研究热点。值得说明,在UWB技术里规定的室内UWB通信的实际使用频谱范围为3.1~10.6GHz,其比带宽(最高频率fu与最低频率fl之比,即fu/fl)为3.42∶1;同时规定对中心频率大于2.5GHz的UWB系统需要拥有至少-10dB的500MHz带宽,而对中心频率低于2.5GHz的UWB系统,带宽至少应达到20%。而在天线工程中,一般将比带宽不小于10∶1的天线,称为超宽带(SWB—super-wideband)天线。本文综述的天线既包括前者也包括后者。前者在UWB系统中犹如一种脉冲成形滤波器,要求天线能无失真地将脉冲波形辐射出去。这不但要求输入阻抗具有超宽带特性,而且要求天线的相位中心具有超宽带不变性和在整个频带上天线方向图的一致性。因此对这类天线还需有一些特别的考虑,这里对这方面不拟展开讨论。具有宽带特性的最早天线是双锥天线,首先由英国洛奇(Lodge)在1898年制成。它可看成是激励TEM模的均匀渐变线,因而其输入阻抗具有宽频带特性,其带宽主要受有限尺寸所导致的终端反射影响。随后的改进主要有:卡特(Carter)的改进型双锥天线和单锥天线(1939),谢昆诺夫(Schelkunoff)的球形天线(1941),坎多伊恩(Kandoian)研制的盘锥天线(1945),布里渊(Brillouin)的全向和定向同轴喇叭天线(1948)等。这些天线都是三维结构,因而体积比较庞大。到了上世纪五、六十年代,美国伊利诺伊大学拉姆齐(Ramsey)等人提出了一类非频变天线,如对数周期天线,平面等角螺旋天线等,这类天线可实现超过10∶1的阻抗带宽且体积相对较小。但这类天线是通过辐射有效区的转移来实现超宽带辐射的,其不同频率相位中心的变化导致发射脉冲的波形失真,因此无法满足UWB技术要求。七十年代后,出现了许多新型的超宽带平面天线,主要可归纳为三类。一是超宽带平板单极天线,二是超宽带印刷单极天线,三是超宽带印刷缝隙天线,下面依次介绍。2平板单极天线宽带平板单极天线首先由G.Dubost等人在1976年提出,随后进行了不断的发展。已通过优化平板单极结构来展宽阻抗带宽,如圆盘或椭圆盘单极天线、梯形单极天线、倒锥单极天线、叶片形平板单极天线等,其发展如图1所示。S.Y.Suh等人设计了倒锥单极天线,如图1(c)所示,其基本原理与单圆锥天线类似,该天线的阻抗带宽超过10∶1,但其方向图带宽只有4∶1。为展宽其方向图带宽,可在平板上开两个圆孔,将有效地改变天线的表面电流,从而展宽天线的方向图带宽。本课题组设计了一副叶片形平板单极天线如图1(d)所示,在叶片形贴片上开了三个圆孔,该单极天线的阻抗带宽超过20∶1,覆盖频率范围1.3~29.7GHz。矩形平板单极天线是一种结构最为简单的宽带平板单极天线,并具有稳定的方向图。但最初其阻抗带宽只有2∶1左右,为实现超宽带性能,已提出了多种方法,如偏置馈电、两点或多点同时馈电、短路和切角技术相结合等。P.V.Anob等通过改变馈电点位置,将天线的阻抗带宽提高到约6∶1。M.J.Ammann等采用短路和切角技术相结合,如图2(a)所示,将矩形平板单极天线的带宽扩展到10:1(VSWR≤3)。有的设计采用两点或多点馈电(见图2(b)),不但大大地展宽了矩形平板单极天线的阻抗带宽,也进一步提高了方向图的稳定性。超宽带平板单极天线虽然其本身结构近似为平面形式,但这类天线一般需要一个与之垂直的导体地板。3印刷天线的设计超宽带印刷单极天线一般由覆在介质基片同侧或两侧的单极贴片和导体地板构成,通过位于地板中央的微带线或共面波导进行馈电。这种超宽带印刷单极天线与超宽带平板单极天线不同,它不需要与之垂直的导体地板,因此可以很方便地与其它电路集成。为展宽这种天线的带宽,已研究了各种形状的单极贴片,如心形、U形、圆形、椭圆形等,J.X.Liang等设计的圆形贴片印刷单极天线如图3(a)所示,该天线的阻抗带宽超过5.3∶1,S11≤-10dB的频率范围从2.27GHz到12GHz以上。J.Jung等设计的超宽带印刷单极天线如图3(b)所示,在其单极贴片上有梯形过渡,地板上也开了矩形槽,这相当于在贴片单元与地板之间增加一个匹配网络,从而展宽了天线的带宽。该天线的尺寸只有16×18mm2,覆盖频率范围3.1~11GHz。C.Y.Huang等设计的椭圆形印刷单极天线也在地板上开矩形槽来展宽频带。环形槽圆盘单极天线如图4所示,在2.127~12GHz频段上都有S11≤-10dB。这些设计是利用微带线馈电的,同时也已发展了用共面波导馈电的印刷单极天线,如图5所示。以上这些天线的阻抗带宽大多在3~7∶1范围内,本课题组提出了一类梯形地板结构的印刷单极天线,并结合渐变的共面波导馈电,实现了超过10∶1的阻抗带宽。它是基于盘锥天线的平面化这一思路来形成的,如图6(a)、(b)所示。为了进一步展宽频带,我们又将矩形单极贴片改为椭圆形,并优化了尺寸,如图6(c)所示。该天线的测试阻抗带宽超过21∶1,覆盖频率范围0.41~8.86GHz,且具有良好的全向辐射特性,如图7所示。4超宽带天线的设计1979年Gibson提出了一类平面结构的渐变缝隙天线,称为维瓦尔第(Vivaldi)天线。这种渐变式设计频带宽,而且具有中等增益,但是它是端射式天线,纵向尺寸较大。其阻抗带宽最初由于微带线与槽线的匹配频率特性欠佳而受到限制。Gazit等提出了双面反相指数渐变印刷缝隙天线,解决了微带线与槽线的宽带匹配问题,但交叉极化电平相对较高。后来J.D.S.Langley等又引入平衡双面反相指数渐变印刷缝隙天线来抑制天线的交叉极化,如图8(a)所示,该天线的比带宽达到15∶1,覆盖频率范围1.3~20GHz,交叉极化电平低于-17dB。图8(b)是采用共面波导馈电的双渐变缝隙超宽带设计。近年来天线工作者对宽缝隙印刷天线进行了大量的研究,通过改变其缝隙形状和采用不同的馈源结构相结合来展宽阻抗带宽,实现超宽带特性。图9给出两种不同馈源结构的宽缝隙印刷天线。图9(a)为十字型馈源,在原本开路的微带馈线末端添加了一个十字型枝节,相当于引入一个谐振电路,该天线的阻抗带宽可达98%。图9(b)为本课题组提出的带枝节扇形馈源,通过优化枝节的长度以及扇形的大小,可使天线的带宽达到114%。图10给出了两种采用U型微带馈源的印刷缝隙天线。图10(a)在矩形缝隙的中间增加了一个矩形贴片并与地板连接,测得该天线的阻抗带宽为111%。图10(b)通过在微带馈线的一侧加一矩形铜片,以调节天线的端口阻抗来增大阻抗带宽,该天线的阻抗带宽可达135.7%,覆盖频率范围2.3~12GHz。宽缝隙印刷天线也可利用共面波导的不同形状导带终端作馈源对缝隙进行激励,已获得很宽的阻抗带宽。图11(a)中共面波导的终端是在一矩形贴片上开凹形缺口,获得了约114%的带宽。图11(b)采用椭圆形缝隙天线,用椭圆形贴片作馈源,将天线的阻抗带宽增大到175%,覆盖频率范围1.3~20GHz以上(约15∶1)。与以上形式不同的一类印刷缝隙天线是蝶形印刷缝隙天线,具有形式简单、频带宽、交叉极化低和增益较高的优点,如图12所示。图12(a)是本课题组一种设计,通过在共面波导与蝶形缝隙的连接处采用线性渐变的缝隙来展宽阻抗带宽,图12(b)在蝶形缝隙天线的下面增加了一个较小的蝶形缝隙,通过共面波导耦合对其激励,并采用了渐变的共面波导馈线,使该天线的阻抗带宽达到123%。表1比较了几种超宽带平面天线的性能。可见,超宽带印刷单极天线与超宽带平板单极天线的尺寸相比拟,但不需要与之垂直的导体地板。其中梯形地板椭圆形印刷单极天线的尺寸仅为0.19×0.16λ2ll2(λl为最低工作频率的自由空间波长),且其阻抗带宽达21.6∶1。超宽带印刷缝隙天线相对以上两种超宽带单极天线而言,具有相对较高的增益,但其天线尺寸相对较大。5超宽带天线带阻特性现有局域网通信IEEE802.11a的频率范围为5.15~5.825GHz,为避免UWB通信与它的相互干扰,需在射频前端增加一个带阻滤波器。为了不增加滤波器又能避免干扰,需使超宽带天线在该5GHz频带上产生阻断,即具有带阻功能。如图13(a)所示的船形天线,采用倒锥形平面辐射振子来获得宽频带特性,并在倒锥形振子上开两个槽,使其在5GHz频率附近形成阻带功能。该天线在3~11GHz的频带范围内除了5.2GHz附近的频带其驻波比VSWR≤2。本课题组设计的具有带阻功能的超宽带印刷单极天线如图13(b)所示,通过在圆形单极贴片上开一圆弧形缝隙,实现了带阻功能。图14通过梨形单极贴片上的阶梯形渐变实现了宽频带特性,并