一种共面波导馈电的缝隙型超宽带天线

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第4l卷第5期 2019年5月 现代雷达 Modern Radar V01.41 No.5 Mav 2019 ·天馈伺系统·DOI:10.16592/J.cnki.1004—7859.2019.05.011 一种共面波导馈电的缝隙型超宽带天线 丁某某8,李某某8,宗某某8,李某某6 (XX大学a.电子***; b.物理***, 山东XX266071) 摘要:针对超宽带通信系统,提出一种小型超宽带天线,可以应用于终端设备。天线类型为共面波导馈电的缝隙型,缝隙 结构为一矩形与一圆形组合而成,馈电结构与缝隙结构相似。天线的面积为22 mmx27 mm,印刷在厚度为0.5 mm的FR4 衬底上.通过软件仿真分析了天线的工作原理以及尺寸对带宽的影响,仿真结果显示天线的带宽在不同的衬底厚度下均 能覆盖UWB频段。天线的测试带宽为2.4 GHz~14.4 GHz,在超宽带的工作频段内测试效率超过76%,测试增益大于2.1 dBi。 关键词:超宽带天线;共面波导天线;缝隙天线;平面天线;小型天线 中图分类号:TN822+.8 文献标志码:A 文章编号:1004—7859(2019)05-0058-05 引用格式:丁某某,李某某,宗某某,等.一种共面波导馈电的缝隙型超宽带天线[J].现代雷达,2019,41(5):58-62. DING Yuxing,LI Hongfei,ZONG Weihua,et a1.A CPW·fed slot antenna for ultra-wideband applications[J].Modem Radar,2019,41(5):58-62. A CPW-fed Slot Antenna for Ultra-wideband Applications DING Yuxin98,LI Hongfei8,ZONG Weihua8,LI Shandon96 (a.School of Electronics and Information: b.School of Physics Science,Qingdao University, Qingdao 26607 1,China) Abstract:A compact ultra·wideband(UWB)antenna is proposed for UWB terminals.The antenna is of a printed slot antenna fed by a coplanar waveguide.The slot is composed of a rectangle connected to a circle.The feeding has a shape similar with the slot. The proposed antenna is printed on a 0.5 mm thick FR4 substrate with size of 22 mmx27 mm.Antenna performance and influence of antenna dimension on bandwidth are simulated and analyzed.Simulation shows that the proposed antenna covers UWB band with changing of substrate thickness.The measured bandwidth of the proposed antenna is 2.4 GHz一14.4 GHz.The proposed antenna is with measured efficiency higher than 76%and gain higher than 2.1 dBi at UWB band. Key words:ultra-wideband antenna;coplanar waveguide antenna;slot antenna;planar antenna;small antenna 0引 言 超宽带技术(UWB)应用在雷达成像、生命探测、近 距离定位等领域,其工作频率为3.1 GI-Iz一10.6 GI-lz¨。2J。 天线是UWB系统的重要部件,应用在终端设备中的 天线需要小型化。小型化与宽频带是UWB终端天线 的重要特性,但二者相互制约不易实现,成为天线设计 领域的难点问题。UWB天线可以通过三维立体结 构口。1或者二维平面结构[8。271实现。立体天线包括单 极型、喇叭型等,容易实现高某某、指向性方向图,但其 体积大,不适于小型终端设备。平面天线印刷在介质 板上,从馈电结构看可分为微带天线旧。141和共面波导 (CPW)天线¨5。27。,容易实现小型化,方向图具有全向 性。而CPW天线具有带宽宽、加工方便、易某某等优 点,在UWB天线设计中广泛应用。CPW天线可分为 单某某¨5。231与缝隙型m。27|。单某某天线的地保持共 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61501277;61307050) 通信作者:宗某某 Email:zongweihua@qdu.edu.ca 收稿日期:2019-01-18 修订日期:2019-03-20 —58一 万方数据 面波导结构,为两个矩形(或者在矩形的基础上稍微 更改)分别位于导带两侧,主要起传输的功能。缝隙 型天线是将CPW的地向辐射贴片方向延伸,内部形成 缝隙,地面的延伸增加电流分布面积,与贴片一起实现 辐射功能,可以实现天线宽带与小型化。对于单某某 CPW天线,辐射贴片形状有矩形¨L20J、梯形m J、圆 形‘231、椭圆形‘15-16]、半椭圆形心1|、多边形分形结 构【18。191;馈电线形状有渐变线状【2¨、梯形与矩形组合 状‘221;地的形状有梯形‘15。1 6|、带有斜拐角的矩形‘231、 三角形m]、多个矩形的组合状【201等。对于缝隙型 CPW天线,缝隙可以为闭合结构‘徘25 3以及开路Ⅲ。27] 结构。缝隙的基本形状有阶梯形Ⅲ、椭圆形【25l、斜切 角矩形Ⅲ]、矩形与梯形组合状心71。辐射贴片有阶梯 形‘241、椭圆形‘冽、多个矩形构成的组合状‘26。271。 本文提出的天线缝隙结构采用矩形与圆形组合 状,辐射部分为圆形贴片与矩形贴片组合,且帖片的边 界围绕缝隙的边缘分布,这样可以实现宽带匹配。天 线设计采用ANSYS公司的HFSS软件,对天线性能进 ·天馈伺系统· 丁某某,等:一种共面波导馈电的缝隙型超宽带天线 行了仿真分析,并加工测试,测试的天线带宽、方向图、 效率、增益等指标满足实际工程需要。 1 天线结构及性能分析 1.1天线结构及带宽 本文提出的缝隙型UWB天线如图1所示。其 中,缝隙结构为一闭合半圆与一开路矩形的组合状;天 线的馈电为CPW与一圆形贴片以及一矩形贴片构成 组合状。组合贴片处于缝隙的内部,且贴片的外边缘 紧贴缝隙的内边缘,这种结构可以激励更多的电流围 绕缝隙分布,获得宽带匹配。天线衬底采用厚度为 h。。。=0.5 mm的FR4,其相对介电常数为4.4,介质损 耗角正切为0.02。天线尺寸矾=22 mm,L。=27 mm, s=14.4 mm,o=8 mm,埘=2 mm,h=1 1.5 mm,go= 0.4 mm,91=0.3 mm,r025 mm,7l=1 mm,删r=1.5 Inn。 a)天线结构图 b)天线实物照片 图1本文天线 图2给出本文天线的仿真与i贝0试的IS,。I曲线,并 且包含参考天线Antl、Ant2的仿真I 5,,I曲线。天线的 Js参数测量采用是德***的N5224A矢量网络分 析仪。从图2可见,参考天线Antl为CPW馈电的圆 形贴片天线,本文贴片的半径为5 mm,Antl在2 GHz~ 12 GHz内仅激励一个谐振,频率为9.1 1 GHz,天线 Sl】I<一10 dB带宽为6.22 GHz~12 GHz。对于Antl 状的圆形CPW单极天线需要增大天线尺寸才能覆盖 UWB频段,文献[23]中提出的与Antl相似结构UWB 天线,其圆形贴片半径为10 mm、天线总尺寸为26 mmx 1.8 mm。在维持本文天线尺寸22 mm×27 mm情况 下,参考天线Ant2在Antl的基础上延伸了地的范围 形成组合状缝隙,CPW与圆形贴片构成缝隙的馈电, Ant2在2 GHz~12 GHz内激励三个谐振,天线的第一 个谐振为2.6 GHz,但Ant2的带宽为2.4 GHz~2.9 GHz 与7 GHz一10 GHz,不能覆盖UWB频段。本文天线在 Ant2基础上在馈电结构中增加了一个矩形贴片,与圆 形贴片相切,其开路端指向缝隙的开路端。本文天线 在2 GHz一12 GHz内激励五个谐振,分别为2.4 GHz、 4.6 GHz、5.7 GHz、7.7 GHz以及9.2 GHz。由于馈电 万方数据 与缝隙天线达到良好匹配,天线的带宽很宽,仿真带宽 为3.5 GHz一13.7 GHz,本文天线的测试带宽为2.4 GHz一 14.4GHz。本文天线的仿真曲线与测试曲线有所差 别,测试的低频段截止频率低于仿真值,仿真的第一个 谐振频率2.4 GHz的I|s。,l值为一7 dB,测试的第一个 谐振频率为3.1 GHz的l JS,。I值为一30 dB。这种差别 在文献[21—25]也出现,差别可能是由于仿真时某某 虑SMA接头引起的旧3|。 频率/GHz 图2本文天线与参考天线的IS。,I仿真与测试曲线 1.2天线谐振分析 图3分别给出天线在三个谐振频率2.4 GHz、4.6 GHz、 5.7 GHz处的电流分布仿真图。由图可见,电流在馈 电贴片和地上都有分布,且电流路径围绕缝隙的轮廓 分布。天线可看作电偶极子,CPW与贴片为振子的一 个臂,地为振子的另外一臂。在馈电结构中引入矩形 贴片,能够增加电流的分布路径,引起谐振频率的降 低,同时,引导电流向缝隙的左侧(开路端口)分布达 到良好匹配,1.1节图2的曲线也说明了这一点。 隧隧橥i 隧巍薷囊蒌嚣i 囤I l篷鬻《;鍪麴I m 2.4 GHz 筮鹪 bJ 4.6 GHz c1 6.7 GHz 图3本文天线仿真的电流发布图 1.3天线加工误差分析 在天线加工过程中不可避免会有尺寸误差,会对 天线测试结果产生影响,因此,有必要分析尺寸变化对 天线带宽的影响。 图4给出了天线的l S。。I随缝隙长度s变化的曲 线,通过优化仿真s最优值为14.4 mm。由图可见,天 一59— 现代雷达 线的谐振频率随着s的增大而降低,原因是缝隙尺寸 越长,电流路径长度越长,从而谐振频率降低。天线缝 隙长度缩短,s=13.4 mm时引起8.7 GHz处的l 5.,l升 高某某12.5 dB;s=12.4 mm的时候,左侧截止频率右 移至4.1 GHz,天线的带宽不能覆盖UWB频段。当天 线的缝隙长度扩大s=15.4 Innl时,4.87 GHz处的15。。l 升高某某12.5 dB以上,右侧截止频率达到10.9 GHz。 综合考虑之后,天线加工时S取值误差在±1 mm之间 即可。 频率/GHz 图4本文天线lS,。I仿真值随着S变化的曲线 图5给出本文天线的I S。,I仿真值随着矩形贴片 位置a变化的曲线,由图可知,矩形贴片位置的变化对 天线的15,。l影响显著。当a=8 mm时(即矩形贴片上 边缘与圆形贴片的上边缘相切)可以达到最佳匹 配,获得最宽的带宽。若矩形贴片下移a值减小,当a= 7.7 ITln3时,I.s11 l在5 GHz附近上升接近一10 dB,11 GHz 附近达到一10 dB以上。当a=7.5mm时,5 GHz附近 的I S11 I超过一10 dB。a=5 mm时,3.2 GHz~6.5 GHz 的I Js,。J超过一10 dB,不能覆盖UWB频段。通过对矩 形贴片位置a四个尺寸的对比可知,a值越小,带宽越 窄。在加工天线时,需要准确控制a=8 mm,其误差在 0.3 mm内。 6 GHz附近增大至接近一10 dB。综合考虑,g。取值为 0.4 mm,误差需小于0.2 mm。 频率/GHz 图6本文天线Is。。l仿真值随着g。变化的曲线 图7给出了天线lS。,l随馈电线与地之间的缝隙宽 度g,变化的曲线,g,的最优值为0.3 mill。由图可见, 当g,取值0.2 mm时天线带宽变窄。g,取值0.4 mm 时UWB内带宽虽无变化,但在4.5 GHz~5 GHz、 6.5 GHz~7 GHz频带内1.s。。l接近一10 dB,考虑到加工 与焊接引起的误差,测量时1.s。。I会超过一10 dB不能覆 盖UWB频段。当g.取值0.5 mm时4.4 GHz~5 GHz 及6.2 GHz~7.6 GHz频带内1.sll I超过一10 dB不能覆 盖UWB频段。综合考虑,为获得较宽带宽,g.尺寸需 精确在0.1 mm以内。 0 -5 《 汴-2。 -25 -30 频率/GHz 图7本文天线Is。。I仿真值随着g.变化的曲线 图8给出本文天线的l s.。l仿真值随着衬底厚度 h。。。变化的曲线。由图可见,天线的I 5。,I及带宽在 2 GHz~11 GHz内并未随衬底厚度变化有明显变化, 但在11 GHz~15 GHz范围变化较大。这表明天线衬 底厚度的误差不会对带宽有太大的影响。 频率/GHz 图5本文天线ls。。l仿真值随着a变化的曲线 图6给出天线l Js。。I随着馈电贴片(圆形与矩形组 合)与地之间的缝隙宽度g。变化的曲线。由图可见 g。取值对带宽影响较大,小的缝宽(g。=0.2 mm)引起 6.2 GHz附近的l S。。I增大至一10 dB以上,带宽变窄; 大的缝宽(g。=0.6 mm,0.8 mm)导致I JS。,I在5 GHz~ 一60— 万方数据 频率/GHz 图8本文天线IS。,l仿真值随着^。曲变化的曲线 ·天馈伺系统· 丁某某,等:一种共面波导馈电的缝隙型超宽带天线 通过对不同参数的仿真可知,矩形贴片的位置口、 馈电贴片与地之间的缝隙g。、以及馈电线与地之问的 缝隙宽度g.,这三个参数的取值会对天线性能产生较 大影响。通过对不同尺寸的仿真可知,o的误差不能 超过0.3 BIB,go误差需小于0.2 Bin,g】精确在0.1 FIllTI 以内。综合考虑,天线参数h。。、r。、W,对天线影响较小 误差需在±0.5 mm内。通过仿真优化,参数s、h、训、 r0、r,等对天线的影响小误差精确在±1 mm内即可。 通过严格控制天线各参数,以达到测试结果接近仿真 结果的目的。 2 天线方向图和效率测试 天线的方向图及效率在XX理工大学***的 微波暗室采用Satimo系统测试。图9给出测试的天 线方向图,由图可见天线的方向图具有全某某。图10 给出了天线的效率和增益随着频率变化的曲线图,由 图可见天线在UWB频段测试效率大于76%,测试增 益大于2.1 dBi。天线在3 GHz~5 GHz内效率及增益 比较低,这是由于在此频段I.S。。I值相对较大(见图 2)。在5 GHz~11 GHz内I s。.1值相对较低,因此效率 及增益较高。 m o 邶 珊 枷 珈舶 o m 180 a)凇面 m o加 珈枷 珈 邶 o m]●_1J ●^ 1J● 1J b)yoz面 图9测试的天线方向图 万方数据 图10天线效率与增益的测试与仿真曲线 3 结束语 本文提出了一种新型CPW馈电缝隙型UWB天 线。天线结构简单、体积小,可应用在UWB终端设备 中。由圆形贴片和矩形贴片组成,同时贴片周围使用 缝隙结构。通过使用圆形贴片以增宽天线带宽。矩形 贴片以及周围缝隙结构使天线结构紧凑,减小天线尺 寸。仿真结果显示天线的带宽在不同的衬底厚度下均 能覆盖UWB频段。测试显示,天线的带宽为2.4 GHz~ 14.4 GHz,在UWB频段内测试效率超过76%,测试增 益大于2.1 dBi。 (本文天线的方向图及效率在XX理工大学土木 学院泰山学者优势特色学科人才团队钟某某教授课题 组测试,作者对钟教授及团队成员的热心帮助表示衷 心的感谢。) 参考文献 [1] 曹某某,张某某,杨某某.新型小尺寸双陷波超宽带天 线设计[J].电波科学学报,2014,29(3):548—552. CAO Xinyu,ZHANG Jinlin,YANG Hongzhen.New small size ultra—wideband antenna having two frequency bands notch function J I.Chinese Journal of Radio Science, 2叭4,29(3):548-552. [2] 吴某某,龙某某.一种小型化超宽带MIMO天线设计 [J].电波科学学报,2016,31(3):421—426. WU Yanjie,LONG Yunliang.A design of compact uhraw— ideband MIMO antenna J 1.Chinese JoumM of Radio Sci— ence,2016,31(3):421—426. [3]BAI X F,ZHONG S S,LIANG X L.Leaf-shaped monopole antenna with extremely wide bandwidth J 1.Microwave and Optical Technology Letters,2006,48(7):1247-1250. [4]WONG K L,CHI Y W,SU C M,et a1.Band—notched ul— tra--wideband circular·-disk monopole antenna with an ale-· shaped slot[J].Microwave and Optical Technology Letters, 2005,45(3):188—191. [5]KOOHESTANI M,ZURCHER J F,MOREIRA A A,et a1. 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