超宽带平面微带天线研究
南京航空航天大学
硕士学位论文
超宽带平面微带天线研究
姓名：邓宏伟
申请学位级别：硕士
专业：电磁场与微波技术指导教师：刘少斌;何小祥
20090101
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
本论文在对现有超宽带(UWB)平面天线广泛调研的基础上，借助于电磁仿真软件设计了七种新型超宽带平面微带天线，实际制作和测试了其中四种天线，测试结果和仿真结果进行了对比，吻合较好，证实了天线的优越性。本论文的主要工作及创新之处可以归纳为以下几点：对圆形UWB天线进行了改进，将圆形贴片超宽带印刷单极子天线的带宽扩展到六倍频程。在天线尺寸不变的情况下，极大地扩展了天线的带宽，但天线的增益随频率变化非常大，天线色散较为严重。
针对FCC规定的3.1~10.6GHz免费使用频段，并保证较好的天线增益频响特性，借助于电磁仿真软件HFSS研制了三款新型带陷超宽带印刷单极子天线，该天线既能有效覆盖相应频段又避免了与现有的WLAN系统干扰，具有相对稳定的增益特性和近似的全向特性。论文分析了天线的回波损耗、增益、带陷特性和归一化方向图，并进行了实际制作和测试，测试结果和仿真结果吻合较好。
为了进一步有效地抑制该天线与WiMax系统的干扰，论文设计提出了一种结构紧凑的双带陷超宽带印刷单极子天线，通过在辐射贴片开圆弧形缝隙槽和在微带馈线加载两个匹配节实现了在WLAN频段和WiMAX频段上的双带陷功能。借助电磁仿真软件HFSS对天线进行了详细仿真分析设计，研究结果表明其具有良好的双带陷性能。
为了进一步得到较好的辐射特性，设计提出了一种新颖的结构紧凑的超宽带平面天线，该天线工作频率覆盖了5.9GHz到9.4GHz，具有3.5GHz绝对带宽，并且在工作带宽内的y-z面的方向图具有稳定的增益特性和非常好的全向特性。
论文中设计的平面微带天线具有小型和超宽带的特点，仿真测试结果验证天线满足超宽带无线通信技术的要求，非常适合应用于超宽带短距离无线通信系统中。
关键词：UWB，微带天线, 短距离无线通信，平面天线，单极子天线
I
超宽带平面微带天线
II ABSTRACT
Based on the available research references of UWB planar antennas, seven novel UWB planar microstrip antennas with good performance have been proposed in this thesis. Four of them have been fabricated and measured. The experiment results are agreed with simulated results, so that the high performances of the antennas are validated. This thesis is summarized as follows:
The UWB antenna with circular patch is modified firstly. The bandwidth of the UWB circular printed monopole antenna is extended to six octave bandwidths with the antenna size almost unchanged. The main shortcoming of the antenna is that the gain varies dramatically versus the frequency, and the antenna dispersion is serious.
Aimed to the better gain in the unlicensed band (3.1~10.6GHz) authorized by the U.S.A Federal Communication Commission (FCC), three novel band-notched UWB printed monopole antennas are designed and measured in this thesis. Quasi-omnidirectional radiation pattern and relatively stable gain are obtained from the measured results of the three antennas. Moreover, the three antennas cover the whole band of 3.1~10.6GHz and avoid the interference with existing WLAN system. The return loss, gain, band-notched characteristic and the unitary patterns of the antennas are analyzed in this thesis. The simulated and measured results are in fairly good agreement.
Furthermore, in order to restrain potential interference with WiMAX band system, a new compact ultra wideband monopole antenna with dual notched band for UWB applications has been designed in this thesis. To achieve dual band-notched characteristics, the antenna etches a circular slot in the radiating patch as well as integrates a compact coplanar waveguide resonant cell with the CPW line. The UWB antenna is designed, simulated and analyzed using the HFSS in detail, and the results show that it has good dual band-notched performance.
Aimed to obtain better radiation performance, a novel compact planar antenna is proposed at the end of this thesis. Omnidirectional and symmetrical radiation pattern in y-z plane and stable gain for the antenna is also obtained in the whole impedance bandwidth of 3.5GHz (from 5.9GHz to 9.4GHz).
In this thesis, the results measured or simulated validate that the proposed planar microstrip antennas satisfy the requirements of UWB communications, and the antennas will be good solutions for UWB applications due to its small size and high performance.
Key Words: UWB, microstrip antenna, Short range wireless communication, planar antenna, monopole antenna
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图、表清单
圆2.1 圆柱体模型 (10)
圆2.2 矩形辐射贴片超宽带印刷单极子天线 (10)
图2.3 超宽带U形印刷单极子天线的电流分布 (12)
图2.4 仿真第一谐振频率曲线 (12)
图2.5 介电常数对最大增益的影响曲线图 (18)
图2.6 贴片宽度对最大增益的影响曲线图 (18)
图3.1 六倍频程天线结构示意图 (20)
图3.2 六倍频程天线的实物图 (21)
图3.3 驻波比的实测值与仿真值的比较 (21)
图3.4 不同频率天线的电流分布图 (22)
图3.5 天线驻波比随W sub的频率特性曲线 (22)
图3.6 天线驻波比随d t的频率特性曲线 (22)
图3.7 天线驻波比随r的频率特性曲线图 (23)
图3.8 仿真天线增益曲线 (23)
图3.9 仿真天线归一化方向图 (23)
图4.1 折叠条带天线结构示意图 (26)
图4.2 折叠条带天线的实物图 (27)
图4.3 驻波比的实测值与仿真值的比较 (27)
图4.4 回波损耗随折叠条带(W1×L1)和缝隙(W2×L2)的频率特性曲线 (28)
图4.5 回波损耗随L g的频率特性曲线 (28)
图4.7 实测天线H面归一化方向图 (29)
图4.8 实测天线增益曲线 (29)
图4.9 方形环天线结构示意图 (30)
图4.10 方形环天线的实物图 (31)
图4.11 驻波比的实测值与仿真值的比较 (31)
图4.12 非带陷驻波比的实测值 (31)
图4.13 回波损耗随L s、W s的频率特性曲线 (32)
图4.14 回波损耗随L n、L g的频率特性曲线 (32)
图4.15 仿真天线E面归一化方向图 (33)
V
超宽带平面微带天线
图4.16 测试天线H面归一化方向图 (33)
图4.17 实测天线增益曲线 (33)
图4.18 方形环辐射贴片电流分布图 (34)
图4.19 音叉形天线结构示意图 (34)
图4.20 音叉形天线的实物图 (34)
图4.21 驻波比的实测值与仿真值的比较 (34)
图4.22 回波损耗随L s、W s的频率特性曲线 (35)
图4.23 仿真天线E面归一化方向图 (35)
图4.24 实测天线H面归一化方向图 (35)
图4.25 实测天线增益曲线 (36)
图5.1 双带陷天线结构示意图 (37)
图5.2 不同带陷结构天线驻波比 (38)
图5.3 天线驻波比随L c的频率特性曲线 (38)
图5.4 天线驻波比随R o的频率特性曲线 (39)
图5.5 天线驻波比随e的频率特性曲线 (39)
图5.6 仿真天线增益曲线 (39)
图5.7 仿真天线辐射方向图 (40)
图6.1 高辐射性能天线结构示意图 (42)
图6.2 回波损耗S11 (42)
图6.3 不同频率天线的电流分布图 (43)
图6.4 S11随外边长(L)的频率特性曲线 (44)
图6.5 S11随接地面的长(L g)的频率特性曲线 (44)
图6.6 S11随接地面的宽(W)的频率特性曲线 (44)
图6.7 仿真天线E面和H面归一化方向图 (45)
图6.8 仿真天线增益曲线 (45)
表1.1 带宽超过10:1的几种超宽带平面天线的比较 (6)
表2.1 三种矩形超宽带印刷单极子天线F L比较 (11)
表3.1 六倍频程天线的几何参数 (21)
表4.1 折叠条带天线的几何参数 (26)
表4.2 方形环天线的几何参数 (30)
表4.3 音叉形天线的几何参数 (34)
表6.1 高辐射性能天线的几何参数 (43)
VI
南京航空航天大学硕士学位论文
VII
注释表
UWB
超宽带 WALN 无线局域网
WIMAX
微波存取全球互通 FCC
美国联邦通信委员会 Zigbee
红外线数据协会 VSWR
驻波比 11S
回波损耗 BW
天线带宽 Q
品质因数 L F
天线工作的低频点 e ε
等效介电常数 0η
自由空间波阻抗 β
相移常数 D
方向性系数 G 天线增益
承诺书
本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导
下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加
以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表
或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大
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（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）
作者签名：邓宏伟
日期： 2009.3.17
南京航空航天大学硕士学位论文
第一章绪论
1.1短距离无线通信技术
未来无线通信系统是广域网（WANs）、无线局域网（WLANs）、无线个域网（WPANs）、无线体域网（WBANs）、移动自组织网（ad-hoc）和家庭网等系统的有机结合。其中短距离无线通信的地位日益重要，它如一种数字化的神经末梢将各种终端设备连接在一起和骨干网络共同形成一个无缝的连接[1~3]。
短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内就可以称为短距离无线通信[1] [3]。
十多年来，人们通过不断探索形成了当今令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。其中，最流行的关于短距离无线数据通信的标准是蓝牙（Bluetooth）、802.11（Wi-Fi）、IrDA、Zigbee、超宽带技术等。
1.1.1蓝牙技术
蓝牙技术[4]是一种短距离无线通信标准，于1988年5月由爱立信、英特尔、诺基亚、东芝和等五大公司组成的特殊利益集团SIG联合制定。蓝牙技术工作在全球都可自由使用的ISM（I-工业；S-科学；M-医学）频段，数据传输速率为1Mbps，有效范围大约在半径内10M，在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、微机、激光打印机等能够无线互联，并能方便地接入互联网。
1.1.2 80
2.11
1997年6月，IEEE802.11标准[3][5]制定，该标准定义了物理层和媒质访问控制层规范，定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法，前者工作在2.4GHz频带，速率最高只能达到2Mbps。
为了支持更高的数据传输速率，IEEE于1999年9月批准了IEEE802.11b标准，也称为Wi-Fi （Wireless Fidelity，无线高保真），在IEEE802.11的基础上增加了两种更高的通信速率5.5Mbps 和11Mbps，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为 5.5Mbps，2Mbps，11Mbps。目前WLAN（无线局域网）的主要技术标准，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。
802.11a标准是己得到广泛应用的802.11b后续标准，于1999年推出。它的物理层速率可
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超宽带平面微带天线
达54Mbps，传输层可达32Mbps。用正交频分复用（OFDM）的扩频技术，工作于5.8GHz频带，可提供25Mbit/s的无线ATM接口和10Mbit/s的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA 的空中接口。它用作无线局域网时的通信距离可以达到100m。
2003年6月，IEEE802.11g标准得到正式批准。它工作在2.4GHz频带，采用两种调制方式，实现了与IEEE802.11a和IEEE802.11b的兼容，而且弥补了各自的缺陷，数据传输速率最高可达54Mbps。标准一出现就得到众多厂商的支持。
1.1.3 IrDA技术
IrDA[3][6]（Infrared Data Association-红外线数据协会）是一种利用红外线进行点对点通信的技术，第一个实现了无线个人局域网（Personal Area Network，PAN）的技术。目前它在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用，速率可达到16Mbps。
IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于两台（非多台）设备之间的连接。
1.1.4 Zigbee
Zigbee[3][7]于2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用，但是上升势头十分明显，己有Chipcon、Freescale、Compxs、Ember四家公司在2006年4月通过了Zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。工作在20~250kps的较低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）、20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求，其传输范围一般介于70~300m之间。工作在免执照的频段-ISM 频段，定义了两个物理层，可全球使用；868/915MHz频段分别在美国和欧洲使用。它的主要优点是：低功耗、低成本、低速率、低复杂度、高安全。
主要用在工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医护（如监视和传感），家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置和PC外设的无线连接等领域。
1.1.5 超宽带技术
2002年2月4日，美国联邦通信委员会（FCC）批准UWB用于民用，定义为任意相对带宽大于25%或绝对带宽大于500MHz。为避免对现存重要通信系统潜在的可能干扰，只将3.1~10.6GHz频段向商业UWB通信开放，同时将其等效各向同性辐射功率（EIRP）即限制在-41.3dBm/MHz以下[8~12]。
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南京航空航天大学硕士学位论文
UWB技术不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒级或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。UWB的优点有：高分辨率、抗多径衰落高速率、大容量功率低、保密性好；技术成熟、便于产业化；系统结构简单，成本低，易数字化；绝对的绿色环保产品[8]。
UWB技术的应用领域非常广泛，从成像系统（如地面穿透雷达、医疗成像系统、实时监视系统）到车载雷达系统，从通信系统到测量系统，都可以使用。除了在高速数据WPAN中的应用外，还在无线以太网接口、智能无线局域网、室外对等网、雷达跟踪、精确定位等领域有着广阔的应用前景[9] [10]。
UWB通信不会很快取代现在的其他无线通信技术。按照FCC的规定，UWB通信在近期内将只能用于极短距离的无线通信，这意味着在一定时期内将会与现有短距离无线通信技术共存、共同发展。另一方面，它也面临着标准制定的挑战。目前在UWB技术领域存在着两方对立阵营即英特尔、TI等倡导的MBOA（多频段OFDM联盟）和Freescale等倡导的UWB论坛(利用DS-CDMA技术)，而原定2005年上半年完成的UWB标准的制定工作也因此停滞不前。我国的无线电通信研究机构也正在积极研究不同技术体制的UWB技术在我国应用的可行性[11][12]。
在UWB无线通信巨大吸引力的背后，隐藏着许多新课题，主要包括：
(1) 窄脉冲产生技术。窄脉冲产生是UWB通信系统的关键技术，脉冲产生电路的基本原理是利用各种高速器件等效成开关，从而利用储能元件冲放电得到短持续时间的信号，再经过网络整形形成满足要求的波形。
(2) 研究用于超宽带无线电的跳时码的设计。跳时码序列的快速同步捕获与跟踪，应用于超宽带无线电的跳时码设计具有其特殊性，同时超短脉冲使得同步捕获与跟踪更加困难。
(3) 研究适用于超宽带无线通信系统的调制、解调技术及数字编解码技术。
(4) 超宽带天线技术。便携式通信设备要求尺寸小、成本低和易于加工集成和不易受损的天线，并且可无失真的将脉冲波形辐射出去，因此有效天线的设计和实施，是UWB系统设计中的一个重要课题。也由于UWB系统特殊要求，UWB天线一般要采用超宽带平面天线的形式。本论文主要研究工作是超宽带平面天线。
1.2超宽带平面天线发展概述
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( Kan-doian)研制的盘锥天线(1945)，布里渊(Brillouin)
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超宽带平面微带天线
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，主要可归纳为四类：一是超宽带平板单极子天线，二是超宽带印刷缝隙天线，三是超宽带印刷单极子天线以及本论文提出的高辐射特性超宽带平面微带天线。
1.2.1 超宽带平板单极子天线
宽带平板单极子天线首先由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子结构来展宽阻抗带宽，如圆盘或椭圆盘单极子天线、梯形单极子天线、倒锥单极子天线、叶片形平板单极子天线等。S.Y.Suh等人设计了倒锥单极子天线[13]，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。X F Bai 等设计了一副叶片形平板单极子天线[14]，在叶片形贴片上开了三个圆孔，该单极子天线的阻抗带宽超过20∶1，覆盖频率范围1.3~29.7GHz。矩形平板单极子天线是一种结构最为简单的宽带平板单极子天线，并具有稳定的方图。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[15]。M.J .Ammann等采用短路和切角技术相结合[16]，将矩形平板单极子天线的带宽扩展到10:1(VSWR≤3)。有的设计采用两点或多点馈电[17]，不但大大地展宽了矩形平板单极子天线的阻抗带宽，也进一步提高了方向图的稳定性。超宽带平板单极子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。
1.2.2 超宽带印刷缝隙天线
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[18]。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[19]，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https://www.sodocs.net/doc/1313493817.html,ngley 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[20]，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。文献[21]采用了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4
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的馈源结构相结合来展宽阻抗带宽，实现超宽带特性。文献[22~24]给出两种不同馈源结构的宽缝隙印刷天线。文献[22]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%。钟顺时等使用了带枝节扇形馈源，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%[23] [24]。文献[25][26]给出了两种采用U 型微带馈源的印刷缝隙天线。S Sadat 等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% [25]。D C Chang 等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 [26]。程勇等设计了一种U 形超宽带缝隙天线，为获得超宽带频率特性，设计时馈电微带线采用了渐变结构的叉形调谐支节，金属底板的开槽设计成对称多边形[27]。
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。S H Hsu 等设计在宽缝隙共面波导天线的矩形贴片上开凹形缺口[28]，获得了约114%的带宽。S A Evangelos 等采用椭圆形缝隙天线[29]，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。J W Niu 等通过
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[30]，
E S Angelopoulos 等则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%[31]。
1.2.3 超宽带印刷单极子天线
超宽带印刷单极子天线一般由覆在介质基片同侧或两侧的单极子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。
为展宽这种天线的带宽，已研究了各种形状的单极子贴片，如心形、U 形、圆形、椭圆形等，J.X.Liang 等设计的圆形贴片超宽带印刷单极子天线[32]，该天线的阻抗带宽超过5.3∶1，S11≤-10dB 的频率覆盖范围2.27~12GHz 。J.H.Jung 等设计的超宽带印刷单极子天线[33]在其单极子贴片上有梯形过渡，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16×182
mm ，覆盖频率范围3.1~11GHz 。C.Y.Huang 等设计的椭圆形超宽带印刷单极子天线也在地板上开矩形槽来展宽频带[34]。环形槽圆盘单极子天线[35]，在2.127~12GHz 频段上都有S11≤-10dB 。这些设计是利用微带线馈电的[36][37]，同时也已发展了用共面波导馈电的超宽带印刷单极子天线。
以上这些天线的阻抗带宽大多在3~7∶1范围内，钟顺时等提出了一类梯形地板结构的超宽带印刷单极子天线，它是基于盘锥天线的平面化这一思路来形成的，并结合渐变的共面波导馈电，实现了超过10∶1的阻抗带宽[38][39]。为了展宽频带，其将采用了椭圆形单极子贴片，该天
超宽带平面微带天线
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线的测试阻抗覆盖频率范围0.41~8.86GHz ，且具有良好的全向辐射特性。
表1.1 带宽超过10:1的几种超宽带平面天线的比较 序
号
天线类型 VSWR<2 频率范围(GHz)相对带宽增益 (dBi) 地板尺寸(2L λ)1
梯形平板单极子天线 1.07~12.2 11.4:1 0.5~4.5 0.89×0.89 2
倒锥平板单极子天线 1~10 10:1 0.3~8.6 0.25×0.25 3
叶片形平板单极子天线 1.3~29.7 22.8:1 3~5 0.35×0.35 4
梯形地板印刷圆形单极子天线 0.79~9.16 11.6:1 0.8~4.1 0.37×0.24 5
梯形地板印刷矩形单极子天线 1.76~8.17 10.7:1 0.65~4.2 0.35×0.30 6
梯形地板印刷椭圆形单极子天线 0.41~8.86 21.6:1 0.4~4 0.19×0.16 7
渐变缝隙天线 1.3~20 15.4:1 3.2~9 0.43×0.32 8 椭圆形印刷缝隙天线 1.3~20 15.4:1 0.39×0.39 表1.1[40]比较了上述三种超宽带平面天线的性能。可见，超宽带印刷单极子天线与超宽带平板单极子天线的尺寸相比拟，但与超宽带平板单极子天线不同，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。与超宽带缝隙天线相比，超宽带印刷单极子天线没有宽带缝隙耦合，天线的增益相对比较小，但其天线的尺寸也相对较小，因此本论文主要研究了超宽带印刷单极子天线。然而，超宽带印刷单极子天线的高频辐射场由于受到了低频辐射场高次谐波的影响而变坏，因此提出了一种新颖的高辐射特性超宽带平面天线。
1.3 本文的研究内容
本文主要研究了应用于短距离无线通信技术的超宽带平面微带天线，研究内容安排如下：
第一章：介绍了短距离无线通信的主要技术标准。概述了三种传统的超宽带平面天线的类型及实现方法， 并给出了论文的内容安排。
第二章：首先介绍了传统微带天线的理论分析方法包括传输线理论模型、空腔模型理论、全波理论，解释了其实现超宽带的原理，并给出了超宽带印刷单极子天线尺寸的两种基本估算方法。随后介绍了本论文中分析超宽带平面微带天线的有限元分析方法以及基于有限元法的仿真软件HFSS 。进一步给出了天线的基本电参数的概念及其具体含义，其中电参数包括方向图与方向性系数、增益、输入阻抗和电压驻波比、效率、天线带宽。
第三章：给出了一种圆形辐射贴片的超宽带印刷单极子天线设计方案，其带宽增宽到六倍频程，同时给出了在工作带宽内的反射损耗曲线以及归一化方向图和增益，并对影响天线工作特性的几个参数做了分析。
第四章：设计并制作测试了三种结构紧凑的带陷超宽带印刷单极子天线，给出了超宽带印
南京航空航天大学硕士学位论文
刷单极子天线的反射损耗曲线以及归一化方向图和增益，并对影响其工作特性的几个参数作了分析。
第五章：设计了一种结构紧凑的双带陷超宽带印刷单极子天线，给出了超宽带印刷单极子天线的反射损耗曲线以及辐射方向图和增益，并对影响其工作特性的几个参数作了分析。
第六章：提出一种新颖的超宽带平面天线即高辐射性能超宽带平面微带天线，给出了超宽带印刷单极子天线的反射损耗曲线以及归一化方向图和增益，并对影响其工作特性的几个参数作了分析。
第七章是对全文的总结，并且对后续工作提出一些进一步的有意义的工作建议。
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超宽带平面微带天线
8 第二章超宽带平面微带天线基础理论
2.1 超宽带平面微带天线的理论分析方法
天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场，求出电磁场，进而得出其方向图、增益和输入阻抗等特性指标。本论文中超宽带平面天线采用的是微带形式，分析微带天线的基本理论大致可分为三类[41]。最早出现的也最简单的是传输线模型（TLM-Transmission Line Model）理论，主要用于矩形贴片。更严格、更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则的贴片，但基本上限于天线厚度远小于波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)，即全波(FW-Full Wave)理论。超宽带平面微带天线理论上可以通过传输线模型理论和空腔模型理论来解释，并通过一些预估方法来估算天线尺寸大小，大大地减小了天线的设计时间。然而对它精确分析采用全波理论分析方法即数值分析方法包括有限元法、矩量法和时域有限差分法等，本论文分析超宽带平面微带天线采用的是使用有限元法编写的HFSS软件，下面也将对其进行详细介绍。
2.1.1传输线模型理论
传输线模型是一种最简单而又适合某些工程应用的模型[41] [3]。该模型将矩形贴片微带天线看成为沿横向没有变化的传输线谐振器。场沿纵向呈驻波变化，辐射主要由开路端出的边缘场产生。
传输线模型理论的优点是方法简明，计算量小，物理直观性强。但其也有缺点[6]：
一、只能用于矩形微带天线及其微带振子，对圆形及其他的形式微带天线则不使用。
二、传输线模型一般是一维的，因此当馈电点位置在波垂直变化的方向变化时阻抗不变在谐振频率附近，阻抗的频率特性是对称的，用圆图便是的阻抗曲线对称于实轴，这些都与实验不符。这种计算和实测的差异，源于传输线模型本质的缺陷。因为微带天线并非只存在最低阶的传输线模式，还有其他高次模式的场存在，在失谐时这些模式将显示主要作用。一般说来，传输线较适合与在辐射边附件馈电，并且馈电点位于该边的对称轴上。
针对传输线的这些缺陷，人们也提出了一些改进的方法，如对微带线开口端导纳的改进分析方法和部分波分析法等等。
2.1.2空腔模型理论
空腔模型理论由是Y.T.Lo等人1979年提出，在微带谐振腔分析的基础上发展起来的[41] [3]。该理论基于薄微带天线的假设，将微带贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电
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壁的谐振空腔。天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。空腔模型理论特别是多模理论是对传输线法的发展。它能应用于范围更广泛的微带天线，并且由于考虑了高次模，因此算得阻抗曲线更精确，且计算量也不是太大，比较适合工程实际的需要。但是，基本的空腔模型理论同样要经过修正，才能得到较准确的结构。特别值得注意的是边界导纳的引入，把腔内外的电磁问题分开成独立的问题，理论上是严格的，只是边界导纳确定比较困难，使计算只能是近似的。在腔模理论中，认为腔内场是二维函数，这在薄基片时是合理的，对于厚基片将引入误差。由于应用微带天线的目的就是降低剖面高度，因此在大多数情况下是可行的，但在毫米波段就需要另行考虑了。
2.1.3 全波理论
无论是传输线理论还是腔模理论，都没有考虑场在与片垂直方向上的变化，对于大多数“薄”的微带天线来说，这种简化不会引入太大的误差，但当微带天线的厚度达到一定值，该模型就不准确了。全波理论与前两种模型的基本立足点不同，它讨论的是开放的空间，以开放空间的格林函数为基础，因此基本方程是严格的。相对于以上两种理论而言，全波理论可以概括为具有如下几个特性准确性、完整性、通用性和复杂性[41]。准确性是指全波理论能够提供最准确的结果；完整性是指全波理论包括了表面波效应、空间波辐射、单元间的互祸现象；通用性是指全波理论可以用来分析任意形状、任意结构、任意馈电方式的微带天线单元和阵列计算；复杂性指全波方法是数值密集型的，需要进行大量的计算[3]。
2.1.4 微带天线的微带技术
超宽带缝隙天线、超宽带印刷单极子天线以及本论文提出的高辐射特性超宽带平面天线都是采用微带形式。这主要由于微带天线具有重量轻、可共形、易集成、便于匹配等优点，然而其最大的缺点就是频带窄[41]。
天线带宽定义为输人电压驻波比S （VSWR ）在某一容限值以内的频率范围。带宽的定义如下：
BW = (2.1)
公式(2.1)已经给出了带宽的定义，下面给出其它几个重要参量的定义公式。
品质因素： 2T r T T
f W Q P π= (2.2) 存储能量： 220020(,)16r r T
V W k a hf επμ= (2.3) 损失能量：
T r d c P P P P =++ (2.4)
超宽带平面微带天线
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c P 为介质损耗，
d P 为导体损耗，但这些损耗与辐射能量r P 相比较很小，因而可以忽略不计，即：
222001920
T r r a k V P P P == (2.5) 将式(2.3)和式(2.5)代入式(2.2)，可得式(2.6)：
0r T Q A h
εμ= (2.6) 其中，r ε是介电常数，0V 是电压，0μ是导磁率，0k 是介质波数，α是圆贴片半径，h 是介质厚度(12h h h =+)，T f 是谐振频率，r P 为辐射功率，A 为常数。
由式(2.1)可知，微带贴片天线的窄频带特性是由高T Q 的谐振特性决定，一般单层微带天线
只有3%~5%[42]。展宽带宽的基本途径是降低等效谐振电路的T Q 值。从式(2.6)可以看出，采用
较小的相对介电常数r ε或较大的基板tan δ可以降低T Q [43]。
也可以通过采用增加微带介质的厚度、对馈电电路采用宽带阻抗匹配如阻抗匹配电路或采用开缝耦合对天线馈线、采用多贴片谐振等增加宽带的方法也能达到10%以上[44]。
然而这些常规的展宽微带天线的方法无法实现超宽带性能，但是通过破坏微带天线的谐振
腔结构来降低天线的Q 值，
同时激励起多个传输模式，由公式（2.1）可知即可实现超宽带性能。 2.1.5 超宽带印刷单极子天线设计估算方法
一. 规则形状超宽带印刷单极子天线尺寸的基本估算方法
通过研究电压驻波比等于2所对应的低频段频点F L 来估算平板单极子天线的尺寸[45][46]，这种估算方法可以应用到超宽带印刷单极子天线中。其估算的基本方法如下。
圆2.1圆柱体模型 圆2.2矩形辐射贴片超宽带印刷单极子天线
超宽带印刷单极子天线的尺寸主要是由其低频段决定的，对于规则形状辐射贴片的超宽带印刷单极子天线驻波比到达2所对应的低频点可以用圆柱体近似法进行估算，图2.1给出了圆柱体基本模型。如图2.2所示，圆柱沿其母线剪开即可得到一个矩形，这也就是我们所要估算
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的矩形辐射贴片。因此
F L ??=λ24.0 (2.7)
r
L L r L r
L F +=+
=1 (2.8) 由上述公式可得到： 24.024.024.0r L r
L L L F L +=+?=?=λ (2.9)
那么天线工作的低频点可以写为： r L r L c F L +=+?=
=7224.0300λ (2.10) 其中F L 单位为GHz ，L 、r 单位为mm 。
公式(2.10)未考虑馈入间隙g(Feed Gap)的影响，若将此参数并入圆柱体高度中，则公式可以修正为：
r
g L r L c F L ++=+?==
7224.0300λ (2.11) 其中L 、g 、r 单位为mm 。 文献[45]研究表明此方法可以得到不错的近似，初步可用来设计天线原型。也就是说用此方法可以找出超宽带印刷单极子天线的初始尺寸，在实际的超宽带印刷单极子天线的设计过程中，可以在此初始值尺寸的基础上再做优化设计，从而节省设计时间。公式(2.11)表明影响天线低频的主要参数是L 、g 、r ，其中g 是影响重大的参数，当g 减小时会造成辐射贴片（Radiation Metallic Patch ）和接地板（Ground Plane ）的电容性增加，使阻抗不匹配，因此在实际天线设计过程中应十分小心。再比较参数L 与r ，对于矩形辐射贴片而言，辐射贴片的宽度W 与圆柱模型的参数的关系为：r W ??=π2，因此在相对辐射贴片的长度L ，宽度W 的权重较小，也就是说参数L 对天线低频点的影响比W 大，这也非常有利于指导实际的天线设计。由于馈电间隙在很大程度上影响天线的阻抗匹配，因此对于由共面波导馈电的超宽带印刷单极子天线类似于微带馈电超宽带印刷单极子天线的设计，可以通过微调馈电间隙，以获得较好的阻抗匹配。
表2.1 三种矩形超宽带印刷单极子天线F L 比较 宽（mm ） 高（mm ） 间隙（mm ） F L （mm ）
a 20 20 0.7 3.01
b 30 10 0.7 4.22
c 40 40 0.7 1.70
为了说明与对天线低频点的影响，表2.1[45]给出了三种不同矩形的F L ，表格数据也表明了
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参数L 对低频点的影响较大。
二. 电流路径法估算不规则形状的超宽带印刷单极子天线尺寸
微带贴片天线上的电流分布与它的工作模式、谐振频率有直接关系，电流路径法就是通过判断贴片表面电流路径的长度来估计贴片天线谐振频率的方法。通过分析微带天线贴片表面的电流分布来优化微带天线的结构，从而使天线性能满足要求，这种方法直观、有效，在国内外已被采用[47] [48]，其主要用来分析开缝的辐射贴片的双频或者宽带天线。
e
e L c
f ε2=第一中心频率 (2.12) 2/1101(21
21?+?++=）总
W h r r e εεε (2.13) 其中c 为光速，总W 为辐射贴片的宽度，h 为介质基板的厚度，e L 为等效电流路径的长度，r ε为介质的介电常数，e ε为等效介电常数。
图2.3 超宽带U 形印刷单极子天线的电流分布 图2.4 仿真第一谐振频率曲线
公式(2.12)主要通过对超宽带印刷单极子天线的低端截止频率来估算圆形或者矩形等一些规则形状天线的尺寸。而针对于大部分不规则形状的超宽带印刷单极子天线尺寸的估算，本论文提出通过计算出天线的第一谐振频率进而来估算天线的尺寸。相比前一种方法，这种方法应用更广，也更为简便可行。
在图2.3中给出了一种U 形超宽带印刷单极子天线的电流分布，由图可以看出电流主要分布在U 形辐射贴片的边缘以及辐射贴片与接地面之间的微带馈线上，因此
d W L L
e ++= (2.14)
其中L 为辐射贴片的长度，W 为辐射贴片的长度，d 为间隙宽度。
取该天线的一组参数：总W =15mm ，L=15mm ，r ε=3.5，h=1.5mm ，W=5.85mm ，d=1mm ，右图2.4给出了该组天线参数仿真的第一个谐振频率的回波损耗，通过HFSS 计算的第一个谐振
L W d
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频率为4.11GHz 。而由公式2.12可得中心频率第一f 近似为3.81GHz ，误差仅约为7.8%，因此采用电
流路径法能有效地估算出天线的尺寸。
2.1.6 有限元法与HFSS 软件
为了更好更快的设计性能优良的超宽带平面微带天线，我们往往是在基本天线理论基础上，采用全波理论仿真加实验测试的方法进行的。由于天线结构的复杂，采用解析方法是很难做出理论预测的。本文的研究工作中,主要是应用商业电磁场软件HFSS 仿真并结合实际测量进行天线的分析与设计。HFSS 软件包括场域集合尺寸处理模块、介质物理参数选择模块、网格剖分模块、方程形成及求解模块、后处理及用户界面模块等五个主要部分,基本包含了二维或三维电磁场计算选择、外源激励的处理、非线性介质参数的数据库、网格的自适应剖分、线性或非线性以及稀疏或满元方程组的自动优化处理、位函数场量与所需分析量的转化及与温度场、应力场的耦合处理等功能。下面介绍HFSS 仿真软件使用的基本算法—有限元法。
有限元方法是以变分原理和剖分插值为基础的一种实用的求解边值问题的数值方法，在研究天线辐射特性的问题中有着广泛的应用。有限元的基本原理是用许多子域来代表整个连续区域，在子域中未知函数用带有未知系数的简单插值函数来表示，然后用里兹变分法或者其它方法得到一组代数方程，进行求解。有限元法在计算时采用区域的离散与多项插值，因此可以应用在具有复杂结构和复杂边界的天线的问题中。
用HFSS 软件对天线特性进行研究时，区域离散的方式将直接影响计算机内存的需求、计算时间和数值结果的精度。因此，我们对区域离散部分进行比较详细地介绍。
应用有限元法时，首先要对所求解的区域进行离散化处理。区域的划分有多种形式，对于二维区域来说，常用的有三角形单元划分法和矩形单元划分法。对于不规则区域来说，常用三角形单元来离散。在求解三维区域中的问题时，场域可以分成四面体、三棱柱或者矩形块，对于任意体积的求解区域最适合选用四面体单元进行划分。场域离散的基本要求是既没有重叠也没有间隔，当遇到不同媒质的分界线时，不允许有跨越分界线的单元。但是场域离散时对各个单元的大小没有具体要求，可以根据要求，在HFSS 软件中设计为一种特定区域的网格加密技术。具体来说，就是在需要网格加密的某一特定区域人为地设定一个边界，就可以增加很多节点，相应地可以增加这一区域的网格密度。
除了上述的基本要求外，较好的离散还是需要强调以下两点：第一，应该避免较小内角单元的产生。尽管根据有限元的基本规则，这些窄形单元是允许的，但是有限元法的误差是与最小内角的正弦成反比的，有较小内角的单元会带来很大的计算误差。因此，在应用软件进行区域离散时，划分的单元网格应该尽量接近于等边三角形。第二，划分的单元网格越小，计算结果会越精确。但是较小的单元将导致内存需求的增加和计算时间的增长，因此，计算时网格的