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共面波导馈电的超宽带天线设计

房泽;吴萍;孙兵兵

【摘要】文章设计了一种共面波导馈电的小型平面超宽带天线.天线由树形辐射单

元和共面波导构成,体积小,在工作带宽内具有稳定的方向特性.利用电磁仿真软件对

影响天线性能的主要参数进行了仿真、分析和优化,得到了天线的理想尺寸.对优化

后的超宽带天线进行制作和测试,测试结果显示天线的工作带宽为3～11GHz.测试

结果与仿真结果吻合,从而证明利用共面波导馈电的超宽带天线设计方法的有效

性.%Acompactcoplanarwaveguide(CPW)-fedultra-wideband(UWB)

antennaispresentedinthispaper.Theantennaisformedbythetree-like

radiationunitandtheCPW.Theantennahastheadvantagesofsmallsize

andstableradiationpatternintheoperatingbandwidth.Thekey

parametersaffectingtheperformanceoftheantennaaresimulated,

analyzedandoptimizedbyusingelectromagneticsimulationsoftware.The

idealdimensionsoftheantennaareobtained,andtheoptimizedantenna

ismanufacturedandtestedTheresultshowstheantennasbandwidthis3-

11GHz.Theexperimentalresultisinagreementwiththesimulatedresult,

whichshowsthedesignofCPW-fedUWBantennaisfeasible.

【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2012(035)004

【总页数】4页(P493-495,556)

【关键词】超宽带天线;共面波导;微带天线;小型化

【作者】房泽;吴萍;孙兵兵

【作者单位】安徽大学电子信息工程学院,安徽合肥230039;安徽大学电子信息

工程学院,安徽合肥230039;安徽大学电子信息工程学院,安徽合肥230039

【正文语种】中文

【中图分类】TN914

自2002年美国联邦通信委员会（FCC）将3.1～10.6GHz频段划为民用频段后，

超宽带系统越来越受到人们的关注，许多新出现的超短波通信系统都工作在此频段

内［1］。为了增加微带天线的带宽，国内外专家学者提出了多种多样的天线形式，

例如平面缝隙微带天线结构［2－3］；将缝隙的方形边角变为圆角形式可以有效

增加天线的阻抗带宽［4］；而在缝隙中增加了可调的U型枝节使得天线的相对带

宽为110%［5］。另外利用共面波导和圆形辐射单元结构使得天线的带宽达到了

120%［6］。但是这些已有的天线需要大的接地面，文献［4－6］中天线的面积

分别为110mm×110mm、100mm×100mm、66.1mm×44.0mm，因此这些

天线不能满足小型化的需求。平面单极子天线具有体积小和稳定的辐射特性，广泛

应用于超宽带系统中［7－9］。

本文采用共面波导馈电，设计了一种超宽带单极子天线，在不改变天线带宽和辐射

特性的同时，有效地减小了天线的体积。利用电磁仿真软件对所设计的天线进行仿

真和优化。最后对优化后的天线进行制作和测试，测试结果与仿真结果吻合较好。

1天线结构

图1给出了天线的结构和实物图，天线的尺寸为29.3mm×31.0mm×0.5mm。该

天线由一个树形辐射贴片单元、共面接地面和共面波导构成，共面波导馈线的特性

阻抗为50Ω。天线介质板的材料是FR4，其相对介电常数为εr＝4.4，厚度为

0.5mm，材料的损耗正切为tanδ＝0.02。

图1天线结构和实物

共面波导的特性阻抗可由下面的公式计算得出［10］。定义变量k1和k2分别为：

其中，h为基板厚度；W为基板宽度；W3为共面波导馈线的宽度；S为共面波导

馈线与接地板之间的间隙宽度。介质板的有效相对介电常数为：

其中，εr