一种改进的杠铃形超宽带天线

摘要：为了优化超宽带天线的阻抗带宽，提出了一种改进的杠铃形超宽带天线，通过增加阶梯形缺口及采用部分接地面从而改善超宽带阻抗匹配。测量结果表明，天线的输入阻抗带宽达74．7％(3．45～7．56 GHz)，同时数值仿真表明在y-z和x-z平面方向图呈对称分布。
关键词：超宽带天线；杠铃形天线；部分接地面；数值仿真；方向图

0 引言
    超宽带(UWB)技术作为一种无线通信技术，在短距离室内高速无线通信方面也受到人们越来越多的关注。根据FCC规定，将3．1～10．6 GHz之间的7．5 GHz频段分配给超宽带通信业务使用。在超宽带系统中，超宽带天线是关键部件，因此，相当多的研究者致力于超宽带天线的发展，以实现高的数据传输速率、低功耗、简单的硬件结构，如射频识别、传感器网络、雷达、定位跟踪等。
    近来许多研究集中在分形天线，分形天线的优点如尺寸小、重量轻、厚度薄正好满足手持设备的要求，采用分形概念是天线原理与设计很有前景的研究方向之一，许多研究者对分形天线做出了积极的研究，如带有分形双枝树缝隙的双波段开槽共面波导馈电天线，采用分形概念的树形超宽带天线和超宽带杠铃形天线，Sierpinski分形天线和snowflake分形天线等。这些天线通过采用不同结构的分形特性，能得到更好的阻抗匹配带宽和辐射方向图。
    本文在超宽带杠铃形天线基础上，提出了一种改进措施，从而获得更好的阻抗带宽，天线采用部分接地技术和分形概念。

1 天线结构设计
    杠铃形及改进的杠铃形超宽带天线结构如图1和图2所示，图中给出了天线的顶视和侧视图，辐射单元长度为Wo，宽度为Lo，馈线宽度Wf，长度为Lf，辐射单元蚀刻在FR4基板上(厚度h=1.5mm，εr=4.4)，基板尺寸为Lsub×Wsub，天线背面有部分接地面，尺寸为Lg×Wsub。改进的杠铃形超宽带天线是在图1结构基础上蚀刻出台阶形缺口，对应缺口的尺寸为W1，W2，…，W5和L1，L2，…，L5，天线辐射单元位于x-y平面，辐射单元厚度方向对应x-z平面。

2 天线仿真
    按照图1和图2尺寸采用HFSS 10．0进行了仿真，回波损耗仿真结果如图3所示。可以看出图2的回波损耗低于图1，图2天线回波损耗小于-10 dB带宽为72．6％(3．48～7．45 GHz)；按照图2结构加工出改进的杠铃形超宽带天线，馈电采用50 Ω同轴侧馈，回波损耗实测结果如图3所示，回波损耗小于-10 dB，带宽为74．7％(3．45～7．56 GHz)。
    图4和图5分别为图1，图2结构时天线在x-z，y-z平面方向图(对应频率4 GHz，5 GHz和6 GHz)，可以看出两种结构的天线Eθ基本重合，而Eφ的大小在-20～-15 dB以下，从图中可看出两种结构天线方向图基本一致。

    从图4和图5方向图可以看出，在z轴(θ=0°)和-z轴(θ=180°)近似为零点，而最大辐射方向不在θ=90°方向。

    图6为对应频率f=4 GHz，6 GHz时的三维方向图及加工的实物照片，频率为5 GHz及4 GHz时方向图相似，频率为4 GHz时，增益为3．47 dB，频率为6 GHz时，增益为3．15 dB。

3 结论
    提出了一种改进的杠铃形超宽带天线，通过在杠铃形天线上增加阶梯形缺口，使天线回波损耗更小，而天线方向图与原杠铃形天线基本一致，实测结果表明，改进的杠铃形超宽带天线回波损耗小于-10 dB，带宽达74．7％(3．45～7．56 GHz)。