近年来,随着无线通讯产品的普及,超宽带技术的发展,人们对天线的带宽提出了越来越高的要求。自2002年,联邦通讯委员会(FCC)通过决议允许把3.1-10.6 GHz频段应用于商业领域,具有高数据传输率、低成本、低功耗和抗干扰能力强的UWB通信系统得到了迅速发展。应用于UWB通信系统终端的天线必须具有如下特点:如线性的相位响应,全向的辐射方向图,平稳的增益。因此,超宽带天线的设计成为了UWB系统的主要挑战之一。平面印制天线,如矩形,圆形,椭圆形,蝶形单极子,偶极子等,具有宽频带、低色散、低损耗、低剖面、重量轻、易于制作、价格低廉等优点,已广泛应用于UWB通信系统。而采用CPW馈电的平面印制天线具有易于和有源、无源器件的串并连接,易于MMIC的集成化,有利于阻抗匹配和提高增益。然而这个频段包括了无线局域网(WLAN)5.2 GHz和5.8 GHz的工作频段,为了避免与无线局域网之间的干扰,就需要具有在5~6 GHz的频带内加入带阻特性。因此,具有带阻特性的UWB天线受到了广泛的关注研究。
文中提出了一种结构简单的,新型共面波导馈电的具有带阻特性的平面单极子超宽带天线。该天线是在辐射单元上开矩形宽缝隙,然后加入一个矩形微带调谐支节,从而获得良好的带阻特性。通过仿真,研究了天线的工作特性,结果表明,该天线的工作频带为2.49~14.53 GHz,其中5~6 GHz频带内具有很好的带阻特性。同时在整个工作频带内具有良好的全向辐射方向图,因而具有一定的使用价值。
1 天线原理与结构设计
天线的结构,如图1所示,天线制作在相对介电常数为
1.1 天线初始结构的计算
对于单极微带天线,可利用圆柱体近似法计算出低点的谐振频率,即VSWR最先<2的频率点。文中是通过正方形辐射贴片的等效转换,最终推导出低点谐振频率与半圆形辐射贴片半径的关系式,即
可得
一般地L取为
参数F记为
由式(3),式(4)可得
所以低点的频率fL可以写成
通过面积等效原理并假设W=L,则得到
其中fL的单位是GHz;L,R,r的单位是mm。利用UWB通信系统的低点谐振频率fL=3.1 GHz,可以计算出单极子天线的初始半径R=15.8 mm。该半径用于HFSS建模仿真,随后可以通过改变半径来获得较大的带宽和较高的增益。