一種超寬帶貼片天線的設計與研究

　　摘要：隨著無線通信和雷達系統的不斷完善發展，對天線性能提出了體積小、重量輕、制作簡單和寬頻帶等特性要求，超寬帶天線技術應運而生。通過介紹超寬帶貼片天線的技術特性、研究現狀及趨勢，提出了一種特有的超寬帶貼片天線設計方案。簡要介紹了Ansoft HFSS仿真軟件，且用其對回波損耗和遠場輻射圖進行仿真及優化設計，使得設計的天線的帶寬大致在1.50~11.50GHz范圍內，且在WLAN頻段達到了良好的陷波特性，有效地抑制了超寬帶通信與窄帶通信之間的潛在干擾，實驗結果表明該設計滿足了超寬帶的頻帶要求。

　　引言

　　隨著當前通信技術的不斷演進，頻譜效率、速率越來越高，帶寬也不斷增寬。無線通信網絡綜合一體化是一個趨勢，各種無線技術都將在這一體化的網絡中發揮自己的作用。從移動通信來看，3G乃至4G技術將成為主導，從而形成對全球的廣泛無縫覆蓋;而WLAN、WiMAX、UWB等寬帶接入技術，將因其各自不同的技術特點，在不同覆蓋范圍或應用區域內，移動通信網絡形成有效互補。本文對超帶寬(UVB)貼片天線技術做了一個系統的闡述，并對貼片天線做了新的設計方案，通過HFSS 12.0進行了系統仿真的優化，并最終達到設計要求。

　　超寬帶天線技術簡介

　　超寬帶天線(UWB)技術是一種新型無線通信技術。它有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低等優點。重量輕，體積小，制作簡單且寬頻帶。從2002年美國FCC允許將超寬帶技術應用于民用通信領域以來^[1]，迅速發展為未來短距高速商用無線通信系統實現的有力競爭方案。

　　UWB天線覆蓋非常寬的頻率范圍，多用于移動設備，所處位置不固定，擺放角度隨機，因此一般要求其在某一平面有全向性。它采用脈沖編碼，需要有較好的時域特性，也要求其具有非色散特性，即平坦的幅頻響應和在帶寬內的線性相位。因FCC建議的3.1~10.6GHz頻段與WLAN有沖突，研究熱點集中在具有帶阻功能的UWB天線，很多人提出了采用了寄生耦合，對接地面處理、分形等技術的具有濾波器功能的新型設計。

　　HFSS簡介和設計流程^[2]

　　HFSS簡介

　　HFSS是美國Ansoft公司開發的基于電磁場有限元法分析微波工程問題的全波三維電磁仿真軟件。廣泛應用于航空、電子、通信等多個領域，有精確的場仿真器，強大的電性能分析能力和后處理功能，可用于分析、計算并顯示S、Y、Z等參數矩陣，電壓駐波比(VSWR)，端口阻抗和電流分布，天線輻射方向圖和各種天線參數如增益、方向性、波數寬度等。借助HFSS，能有效降低設計成本，縮短設計周期，為設計實物天線做出理論和現實保障。

　　HFSS設計流程

　　HFSS進行電磁分析和高頻器件設計的簡要流程如圖1所示，設計時選擇模式驅動求解。根據天線初始尺寸和結構，在HFSS模型窗口中創建天線的HFSS參數化設計模型。設計中，與背景相接觸的表面默認設置為理想邊界，為模擬無限大的自由空間，該表面也設置為輻射邊界條件或理想匹配層邊界條件，這樣HFSS才會計算天線的遠區域輻射場。由于天線必須通過傳輸線或者波導傳輸信號，其與傳輸線或者波導的連接處即為饋電面。天線設計中饋電面的激勵方式主要有兩種，分別是波端口激勵和集總端口激勵，與背景相接觸饋電面的激勵方式使用波端口激勵。設置求解參數時要設定求解頻率和掃頻參數，而求解頻率通常設定為天線的中心工作頻率。

　　上述操作完成，即可執行求解分析操作命令來仿真計算。經分析結果收斂，說明設置的參數達到精度要求。求解分析完成后，在數據后處理部分可查看HFSS分析出的天線的各項性能參數，如回波損耗(S11)，電壓駐波比(VSWR)、輸入阻抗、天線遠場輻射圖、軸比和電流分布等。此時仿真計算的

　　天線性能滿足設計要求，接著著手天線的制作和調試工作。

　　超寬帶貼片天線的設計與優化

　　超寬帶貼片天線

　　UWB通信系統采用FCC開放的3.1~10.6GHz頻段，有目前商業通信系統中最大的7.5GHz的帶寬分配，也就決定了UWB信號的寬帶特殊性。貼片天線因為滿足了重量輕、體積小、制作簡單、易共形和寬頻帶等特性要求而深受關注，近年來的應用也越來越廣泛。本文致力于研究超寬帶貼片天線的設計工作。貼片天線常用在高頻的工作狀態，有全方向輻射的優點，它的類型有多種多樣，由圓形、橢圓、方形演化的居多，本文綜合以往成果，結合學習經驗設計了一種別樣的貼片模型。