1 导言
自从2002年2月美国联邦通讯委员会（FCC）将3.1-10.6GHz频段划归超宽带（UWB）的民用频段，UWB无线通讯体系的规划和运用便成为了无线通讯范畴剧烈竞赛的焦点。作为超宽带体系的重要组成部分，超宽带天线的规划也成为了科学界和工程界的抢手研讨课题。与以往的天线规划要求比较，UWB通讯体系不只要求天线具有很小的体积、较宽的带宽、必定的辐射效率和全向辐射特性，还要具有较好的脉冲信号保真度。
近年来已经有许多各式各样的UWB天线相继被提出。虽然这些天线具有较大的阻抗带宽和杰出的辐射方向图，可是尺度大部分都比较大，难于制作并与射频前端集成。因而，小型UWB 天线规划成为近年来试验研讨的一大热门。现有的大部分平面超宽带天线尺度一般介于25×25 mm2至40×50 mm2之间，也有尺度巨细为18×30 mm2的超宽带天线被提出，可是很少能有尺度更小的超宽带天线，特别是共面波导馈电类超宽带天线。前段时间有一个尺度仅为11×30 mm2的超宽带天线被提出，但其-10 dB阻抗带宽仅为3.1-4.8 GHz。
本文提出的小型超宽带天线尺度仅为13x30x1.6 mm3，并且天线与地板在介质板的同一层，易于加工并与射频电路集成。虽然尺度很小，可是在3.1-10.6 GHz内该天线依然满意VSWR 2，具有杰出的宽带阻抗匹配特性。该天线的H面方向图在低频时是全向的，跟着频率的添加，全向性有必定的恶化，但依然是挨近全向的。因为尺度太小，所以天线的增益较小，这关于运用于短距通讯（小于10米）影响不大。所以该天线十分适用于小型超宽带体系，特别是手持超宽带体系的运用。
2 天线规划
本文提出的小型共面波导馈电超宽带天线结构如图1所示，天线的平面尺度为LxW =13×30 mm2。其主要辐射单元是一个不对称且不规矩的金属片，经过在一个两头不规矩切角矩形片的一端开槽，再在该槽右端附加一条L形的金属带，然后完成延伸电流途径的意图。共面波导传输线具有50om的特性阻抗，宽度为L1= 4 mm,与地板之间的距离为g=0.5 mm。该传输线的长度仅有W9=6 mm。地板是由传输线两头的两条相同的经过折叠曲折后的窄金属带组成的。挨近馈线与天线的衔接处的地板各切去了一个1x1mm的三角形，以此来完成更好的阻抗匹配。该天线被印制在相对介电常数为er=4.4，厚度为h=1.6 mm的FR4介质板的同一侧。这种共面结构简单加工与集成，本钱低价，且与射频电路之间的影响很小。天线的各个参数是经过运用Ansoft公司的HFSS软件仿真优化的成果，最优的成果为：L=30 mm, W=13 mm, L1=4 mm, L2=2.5 mm, L3=3 mm, L4=5 mm, L5=1 mm, L6=7 mm, L7=1.5 mm, L8=4.8 mm, L9=10 mm, L10=22.7 mm, W1=3 mm, W2=6.1 mm, W3=3 mm, W4=2 mm, W5=1 mm, W6=5.8 mm, W7=1 mm, W8=1 mm, W9=6 mm, g=0.5 mm, h=1.6mm, L_slot=4 mm, W_slot=0.5 mm。天线的什物相片如图2所示。
图1 天线结构图
图2 天线什物图
3 成果与评论
天线的丈量运用了安捷伦公司的矢量网络分析仪，型号为N5230A。图3为电压驻波比（VSWR）的丈量与仿真成果比照图，这两个成果符合的很好，高频部分的不符合是因为SMA头的影响形成的。很明显，仿真成果和丈量成果的榜首个谐振频率均在3.3 GHz左右，标明咱们希望的经过延伸电流途径来减小榜首谐振频率的意图得到完成。图4是天线在不同频率的仿真电流途径图。在3GHz时，天线上的大部分电流都是流向了右端的附加臂上，左面只要少数的电流散布，天线开槽的邻近也散布了很多电流，而地板上的电流大部分都散布在右边的地板上，左面地板除了底部方位几乎没有多少电流散布。这与咱们希望的经过在天线一端开槽并附加一个L形导体带来延伸低频时的电流途径符合。完成了在不添加天线全体尺度的条件下，将天线的榜首个谐振频率下降至挨近3.1 GHz的意图。跟着频率的添加，天线左部和左面地板的电流逐步添加，一起天线右端臂上和右边地板的电流逐步削减。如图3（c）示，当频率为10 GHz时，天线上的大部分电流均散布在天线左部，右部只要开槽处有较多的电流散布。地板上也是如此，大部分电流均散布在左面地板上，右边地板仅有少数电流散布。值得注意的是，沿天线开槽处的电流散布并不跟着频率的添加产生很大的改变，一直都较多。可见该槽对小型化超宽带天线的完成有很重要的效果。
图3 天线电压驻波比图
（a）3GHz
（b）5GHz
（c）7GHz
（d）10GHz
图4 天线电流散布图
（a）3.1 GHz
（b）6.0 GHz
（c）9.0GHz
图5 归一化H面（XOZ面）辐射方向图
图6 天线增益图
图5为天线在3.1，6.0和9.0GHz三个频点的实测与仿真的归一化H面（XOZ面）辐射方向图。由图可知，天线具有较好的全向性。跟着频率的添加，天线全向性有必定的恶化，但依然是挨近全向的，标明天线能够收发各个方向的信号。图6是天线随频率改变的增益图。由图中咱们能够发现，天线的增益并不跟着频率的添加安稳动摇。特别是在低频的时分，天线的增益很小,在3G时增益仅为-1dB。跟着频率的添加，天线的增益有较大的进步。因为尺度很小，且具有很宽的阻抗匹配带宽，所以该天线很合适运用在一些小型手持UWB设备上，尤其是短距离的通讯（小于10米）。
4 定论
本文提出了一种尺度为13x30mm2的小尺度共面波导馈电超宽带天线。仿真与丈量成果标明，该天线完成了在3.1-10.6GHz频段内VSWR2的宽带阻抗匹配，并且在不同频率均表现出杰出的全向辐射特性。因为该天线尺度十分小，结构紧凑，并且只占用了介质板的一层，所以该天线十分适用于集成到小型手持超宽带体系中，具有十分广泛的运用远景。
