DMS技术在UWB平面单极子天线设计和实现

 

　　竖直的具有四分之一波长的天线称为单极天线。该天线安装在一个接地平面上，它可以是实际地面，也可以是诸如搭载工具车体等人造接地面上。单极天线的馈电是在下端点使用同轴电缆进行的，馈线的接地导体与平台相连接。在自由空间中，四分之一波长单极天线在垂直平面上的辐射方向图于半波偶极天线在垂直平面中的方向图形状相似，但没有地下辐射。在水平面上，垂直单极天线是全向性的。四分之一波长单极天线根部的输入阻抗为偶极天线阻抗的一半。辐射功率也为偶极天线的一半。在某些移动和便携设备上，四分之一的波长还是太大了，在这种情况下可以用增加天线的电感来增加天线的电气长度，这种做法在天线的根部和中部都可以进行，或者也可以将整个天线做成线圈状。

　　印刷单极子天线已经无数次被验证其超宽带的良好特性。为了进一步减小天线尺寸和改善频带带宽，不少学者已经做了许多的研究工作，比如采用不同形状的辐射贴片单元和馈电技术，包括微带和共面波导馈电，这些改进的主要目的是为了进一步展宽可用频带。文中通过采用有损微带结构（DMS）和斜角处理两种技术，来展宽平面单极子天线的频带带宽，主要的做法是通过拉低低频端的频率和增加高频端的频率来实现天线频带的展宽。以此设计的新型超宽带平面单极天线，该天线在2~12 GHz内反射系数均<-10 dB,增益可6.15 dB达同时，并通过在贴片上开L型槽来实现陷波特性，使天线在5~6 GHz频带范围内具有陷波特性。

　　1 天线的设计

　　天线（antenna）是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

　　天线的介质基板选取RT Duroid 5880,介电常数为2.17,厚度为1.27 mm.天线如图1所示。设计同时采用了以下两种不同的技术来改善天线在较宽的频带范围上的VSWR值，（1）采用一种新型的微带馈线结构叫有损微带结构（DMS），该平面结构通过对微带馈线的变形来降低低频段的频率，而对原天线的增益和辐射方向图影响不大。（2）在地板上靠近辐射贴片的馈源端采用平滑的斜角处理，能较好地展宽高频段的可用频率。斜角处理使得共面波导到辐射贴片之间能实现较好的平滑转换。让地板与辐射贴片之间更好地互耦，而产生谐振，以实现较宽频带范围上的阻抗匹配。因为微带的不连续性会导致近场不必要的反射，而反射引起的反射损耗会导致能量的损失，减弱了天线远场辐射。即地板上的平滑斜角处理有效地避免了连接处尖锐的突起和馈电端与地板之间的不连续性，同时也较好地实现共面波导与辐射部分的阻抗匹配。

　　天线辐射贴片上的斜角约取17.3°，地板上的斜角约取18.7°。仿真验证了该处理能使天线在较宽的频带范围里实现阻抗的匹配，且VSWR<2.另一方面是对地板上的微带馈线采用有损微带技术（DMS）可较好地拉低低频段的频率，DMS技术在以往的UWB天线设计里有不同的程度的应用，像减小天线的矩形辐射贴片的尺寸，将其作为微带天线的一种调谐技术。

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　　文中DMS的主要作用是用来增加低频段天线的电长度，使该结构成为辐射贴片单元的一部分，而不仅仅是馈线的一部分。因此，该结构起到了缝隙辐射的作用，以实现天线在更低的频段上能产生谐振，也就是通过DMS结构和辐射贴片的相互谐振来拉低整个天线低频端的频率，对比文献中的单极子天线，本文设计的天线可展宽天线有效带宽可超过1GHz,该有损结构离微带馈线的边约为0.3mm,长约19mm,宽约0.25mm.辐射贴片长约29.5 mln、宽约32 mm,地板长约25 mm.

　　同时为实现陷波特性而引入半波长的谐振结构，在辐射贴片上开L形槽，其长度约为需要抑制频率对应波长的八分之一，使得天线在该点附近的阻抗失配，驻波比显着增加。L形槽的关系可用式（1）表示

   

　　其中，fnotched为陷波中心频率；C为光速；Ls为L形槽的总长；εre为相对有效介电常数。通过式（1）可求出L形槽的初始尺寸，然后可在仿真中进行优化，宽约1.2 mm、长约26 mm.

　　2 结果

　　仿真优化设计使用HFSS11软件，通过优化，在设计过程中发现低频段的辐射特性主要取决于共面波导上的DMS的设计，见图2所示，该图为不同频率下天线上的电流分布。文中天线的仿真分析集中在2.2 GHz、1O GHz一低一高的两频段。

　　从图2中可以看到，在2.2 GHz时DMS上的电流分布密度比在10 GHz时的更稠密，意味着该结构在2.2 GHz时比10 GHz时辐射更为强烈。而且带DMS结构的馈线远比辐射贴片上的电流密度稠密。所以，在改善天线低频端特性上，馈线上的DMS结构扮演着非常重要的角色，相当于辐射贴片的一部分。

　　在图3中，天线的VSWR曲线在2~12 GHz的整个频段上，除在4.9~5 GHz范围外，整体数值在2以下，应用频带较宽，L型槽起到了陷波的作用。在图4中，为该天线的S11参数图，从图中可以明显的看到整个频段除4.9~5 GHz外，整条曲线都在-10 dB以下，与天线的VSWR曲线反映的较为一致。

　　除了有较好的匹配外，带DMS结构和平滑斜角处理的UWB天线的辐射方向图在谐振频率上近似为全向椭圆，辐射方向图相当于全向天线。图5为天线在2.2、10 GHz时的E面辐射方向图和增益3D图，从图中可以看出天线在2.2 GHz时，VSWR值约为1.08,其增益可达4.09 dB;而在10 GHz时天线的VSWR值约1.4,其增益可达6.13 dB.天线VSWR值较低时，其天线增益也相对低一些；当天线VSWR值稍高时，其对应增益也就相应的高一些。

　　3 结束语

　　文中设计了一种新型的平面UWB单极子天线，该天线上通过采用了DMS技术来改善该天线频带的低频段的特性，而且对天线原有的辐射方向图和增益影响不大。该方法将DMS结构作为辐射贴片的一部分，有效地增强了天线在低频端的辐射效率，相当于延展了天线在低频端的电长度。另外，斜角处理技术则使辐射贴片在高频段的更高频率上更容易被匹配，以此来展宽其高频端的频率。使得整个天线的可用频带超过FCC规定的UWB频段将近3 GHz,而且在辐射贴片上加载L型槽线，可实现陷波特性。该天线结构简单、应用频带宽，增益较高，有广阔的应用前景。