宽缝结构超宽带天线的设计毛胤电陈董(南京邮电大学,江苏南京210003)摘要:提出一种宽缝结构超宽带天线的改进设计方案,该天线的宽缝设计为半圆形,馈电微带线的终端设计为六边形,微带线的特性阻抗设计为75欧姆。通过数值仿真和实验测量对天线的阻抗特性、方向图和增益进行了研究。实测结果表明,该天线工作频段覆盖1.96GHz～15.4GHz,工作频段内驻波比小于2,并且在整个工作频段内具有良好的辐射方向特性。关键词:超宽带;微带天线;宽缝隙天线;特性阻抗中图分类号:TN823文献标识码:A形缝,用一个六边形作为其馈电结构,同时将常规的50Ω的馈线改为75Ω,从而获得了良好的阻抗匹配,且天线尺寸进一步的缩小。通过数值计算和实验测量,充分研究了这种天线的工作性能。结果表明,该天线工作频带为1.96GHz～15.4GHz,带宽百分比为154%。同时在整个工作频带范围内具有比较好的全向辐射特性,因此是一种具有实用价值的超宽带天线。0引言微带缝隙天线因其结构简单、便于排阵等优点在雷达与通信系统中有着广泛的应用。通常按照缝宽电尺寸的大小,缝隙天线可以分为窄缝和宽缝两种结构。由于缝隙本身电抗的影响,通常窄缝天线的阻抗带宽比较窄,而采用宽缝结构则可以获得较宽的工作带宽。目前关于宽缝天线的设计问题已有许多文章作过深入的分析研究,如文献1中设计的正方形宽缝天线,作者将水平放置的正方形槽绕中心旋转一定的角度以激励起基模附近的其它模的工作,从而将带宽展宽到55.8%;文献2中则提出了一种T形馈电结构,又将矩形宽缝天线的阻抗带宽拓展到58%;进一步将T形馈电结构改为十字形3、U形4或形5馈电,而宽缝结构仍为矩形,通过调节纵向枝节与横向枝节的长度可以实现更宽的阻抗匹配带宽。最近,又有作者保持U形馈电结构不变,而将宽缝由矩形变为圆形和椭圆形,分别获得了100%及120%的带宽6。综合这些工作我们可以发现,这些改进技术可归纳为以下两种:改变馈电结构(如T形、十字形、U形或π形等);改变宽缝形状(包括矩形缝、圆形缝、椭圆缝等以及将矩形缝旋转或者将矩形缝的直角改为圆角等)。文献7中指出,改变馈电结构与宽缝结构的形状可以改变相互之间的耦合,从而调节阻抗匹配。那么通过搭配相似的馈电结构和宽缝结构就可以得到较宽的带宽。文中设计的三角形宽缝与三角形馈电结构搭配的天线的带宽达到110%,而半圆形宽缝与矩形馈电结构搭配的天线的带宽达到120%。但是上述两种结构的天线尺寸都相对较大,这就限制了其在便携式通信设备中的应用。因此在实现工作带宽的同时如何缩小天线尺寸成为天线设计必须考虑的问题。文献8将半圆形宽缝与圆形馈电结构搭配设计了一种带宽达150%的超宽带天线,同时其尺寸较7小得多。本文设计了文献8中天线结构的改进型天线。该天线类似于常规的微带宽缝天线,不过将常规的矩形缝改为半圆图1天线的物理结构本文所设计的宽缝天线的结构如图1所示,该天线的宽缝由一个矩形和一个半圆形组成,其馈电结构为一个六边形。其中,该天线结构的一个主要特点就是,馈线的特性阻抗被设置为75Ω,而不是常规的50Ω。但由于大部分的馈电系统的特性阻抗都是50Ω,所以我们使用了一段特性阻抗从50Ω到75Ω的渐变馈线与六边形相连接。仿真与实测均证实,采用这样一段渐变馈线,对实现天线阻抗的良好匹配是很有价值的。2实验测量在前面仿真基础上,我们选择不同的尺寸加工多个样品进行实验研究,最终确定了该天线的尺寸。该天线制作在相对介电常数为2.65,厚度为1mm的介质基片上,其整个边框尺寸通过仿真软件最终确定为47mm×48mm。图1中收稿日期:2006-12-14第一作者毛胤电男25岁硕士研究生明7天线其它相关参数的尺寸如下:L=42mm,W=24.6mm,h0=16.5mm,h1=5mm,h2=7.5mm,g=0.4mm,c=1.4mm,s=9.1mm,d=12mm。馈线的特性阻抗被设置为75Ω,通过一段长度为9.1mm的渐变微带线与特性阻抗为50Ω的馈线相连。我们用矢量网络分析仪HP8720ET测量了天线的输入,宽缝边沿电流的流动将增大H面的交叉极化电平,并导致E面的主波束偏离最大方向。因此阻抗带宽还不足以说明天线的实际带宽,还必须对天线不同频率下的方向性图进行测试才能最终确定天线的工作带宽。方向图的测量是在微波暗室中进行的。图4分别给出了天线在2.6、6、9和10.5GHz频点...