1  引言

超寬帶（UWB）無線通信技術以其極大的容量和極小的功率特性等優勢，成為這個時代最具潛力的技術之一。近年來，隨著超寬帶技術的不斷發展，超寬帶天線已在衛星通信、雷達、電子對抗系統等方面得到了廣泛的應用。另一方面，為了應對無線通信系統日趨小型化集成化的趨勢，超寬帶天線的小型化成為近年來研究的熱點與難點。寬帶平面單極子天線由于具有超寬頻帶，良好的輻射特性，緊湊的結構和容易制作等優勢而成為將來最有前景的超寬帶天線之一。常見的超寬帶平面單極子天線有：矩形，圓形，橢圓形，蝶形等。

基于以上背景，本文提出了一種采用微帶線饋電，具有4.93：1的阻抗帶寬的Y形平面單極子天線，通過對地板進行開槽，切角很好的擴展了天線帶寬，覆蓋了整個2.96～14.6GHz頻段，而且在整個頻帶內獲得了良好的阻抗匹配，駐波比VSWR在幾乎整個頻帶內都小于1.5。同時，該天線的尺寸只有25×24×1.6mm³，且在整個頻帶內都具有良好的輻射特性，滿足了對無線超寬帶通信的各種要求，具有良好的實用性。

2  天線結構及設計

本文提出的新型超寬帶天線如圖1所示。Y形輻射貼片和50Ω的微帶饋線印制在尺寸為L×W×H=25×24×1.6mm³，相對介電常數ε_r=4.5的FR-4介質基板正面，而帶有矩形開槽的梯形地板印制在介質板的背面。50Ω的微帶線寬度w_f=3.2mm，固定不變。Y形輻射貼片是在原始的矩形貼片的基礎上，分別在它的左下方、右下方和正上方減去三個橢圓貼片而形成的，左右橢圓貼片對稱，尺寸如圖1所示，左右的兩個橢圓貼片的半長軸r₁=(w-w_f)/2=10.4mm，半短軸r₂=2mm，而正上方橢圓貼片的半長軸r₃=15mm，半短軸r₄=6mm。通過這種帶弧形邊的Y形結構可以有效的改善阻抗匹配，展寬頻帶。

圖1  天線結構示意圖

為了進一步降低回波損耗，達到寬頻帶的要求，接地板采用梯形結構。在傳統的矩形地板兩邊切角，并且在頂端中心開矩形槽，地板上的兩個切角尺寸為W_s×L_s=6mm×11mm，矩形槽尺寸為W_c×L_c=4mm×1.8mm。

3  優化結果及其分析

為了更好的研究天線各個部分對天線整體性能的影響，我們通過商業仿真軟件CST進行了一系列參數掃描和優化。其中r2對天線的整體阻抗匹配具有重要的影響，如圖2所示，通過增加或減小r2，天線的阻抗匹配變差且諧振點減少，因此通過優化我們最終選擇r2為2mm。r3不僅可以調節高頻段的阻抗匹配，還可以通過影響電流長度來降低頻帶的較低頻率。r4對高頻段的阻抗匹配有影響，特別是對第四個諧振頻率點。帶切角并開槽的地板是本天線設計的有效部分，修改后的地板上的電流分布影響了天線的阻抗特性。結果，通過對地板切角，能夠極大的擴展帶寬，并且再在地板上開矩形槽不但可以增大一定帶寬，還能改善整個通帶內的阻抗匹配。地板變化對回波損耗的影響如圖3所示，可見該天線能夠完全覆蓋超寬帶通信所需頻帶，而且幾乎整個頻帶內駐波比VSWR都小于1.5。

天線的輻射方向圖如圖4所示，天線的表現與典型的印刷單極子天線非常類似。H面（phi=0）呈現的幾乎是全向的、穩定的輻射特性，但是，在高頻段有惡化，這是因為在高頻段天線的電長度增大了，電流輻射在遠場有局部抵消或疊加。

圖2  參數r2對回波損耗的影響

圖3  地板變化對回波損耗的影響

4  結論

本文提出了一種結構緊湊的平面印刷單極子超寬帶天線。該天線總尺寸僅為25×24×1.6mm³，許多參數被優化設計，通過采用帶弧形邊的Y型輻射貼片和在地板上切角、開槽，不僅提高了阻抗帶寬，還提高了阻抗匹配。天線優化后的工作頻帶為2.96~14.6GHz，且在整個頻帶內有穩定的全向輻射方向圖。因此該天線是具有一定工程應用潛力的超寬帶天線。

3.6 GHz

5.8 GHz

8.2 GHz

12.4 GHz

圖4  天線的輻射方向圖