0 引言
超宽带(Ultra Wide Band, UWB)无线通信技术有着高带宽、低功耗、低复杂度等优点，因此其成为目前短距离无线通信的热点之一。UWB 通信系统的天线必须具有体积小、宽带宽、全向覆盖等特点。而一般将比带宽不小于10∶1 的天线，称为UWB 天线。UWB 天线随着高速电子集成电路的快速发展，为适应小型集成化的需求，超宽带平面天线的研究与应用也渐渐称为研究热点。2002 年美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1～10.6GHz 频段划作UWB 技术的商业应用频段，将广泛应用于新兴短程通信中。UWB 技术规定的室内UWB 通信的实际频谱比带宽最高频率fu 与最低频率fl 之比，即fu/fl 为3.42∶1；同时规定对中心频率大于2.5GHz的UWB 系统需要拥有至少-10dB 的500MHz 带宽，而对中心频率低于2.5GHz 的UWB 系统，带宽至少应达到20%. 目前已研究了不少新型的UWB 天线，新型平面印刷单极子天线[1~3]不需要另加与之垂直的地板，其辐射UWB 与地板在一个介质面上，中间通过CPW 进行馈电。采用宽缝隙结构UWB 天线[4]则是由最早出现的渐变式缝隙结构发展为现在的边射式宽带印刷缝隙结构，工作带宽可达到2～10 GHz.在工作频带内具有良好的近似全向辐射特性，因此，是具有实用价值的UWB 天线。 电磁带隙结构简称EBG（Electromagnetic Band-gap）光子晶体结构，它是由光子晶体应用于微波波段
产生的一种称谓。它们都是周期性介质结构，光子晶体在这种介质结构传播时，周期性势场造成的能量分级而出现禁带，对光子来说他的能量与频率的平方成正比，禁带意味着禁止某频段光子在其中传播。这种特性称为光子带隙。同样在电磁带隙结构中，由于电子和光子都满足薛定谔和麦克斯韦方程组，它们的同源性使得原子核周期性的势场同样会造成电子能量的分散，也表现为通带或者禁带。EBG 光子晶体结构的通带或禁带特性由于即可以集成的特性，它已经被广泛的应用于微波电路天线等领域，而且这种结构制作的天线具有体积小、质量轻、低剖面、成本低、易加工[5]，及其有效展宽天线的款和可以改善天线的方向性、大幅度提高天线辐射效率等优点[6]。目前他已经被广泛应用在移动通信、卫星通信和航空航天等领域。
本文采用有限时域方法研究先研究无EBG 光子晶体结构UWB 天线，之后对设计的springboard 结构UWB天线仿真分析，并进行了参数优化设计，最后比较得出新的springboard结构UWB 天线与无EBG 光子晶体结构UWB 天线在回波损耗上有着相当大的改善，而且天线的增益和驻波比均有增加。
1 无 EBG 光子晶体结构UWB 天线
本文 UWB 天线采用平面结构的盘锥天线，它可以看作是盘锥天线的变形。短距离无线UWB 通信系统设备一般较小，这就要求天线的尺寸紧凑，能够方便的安装在设备上，同时要求天线的造价低廉，可以方便的进行加工[7]，所以考虑到这些要求，提出了一种采用共面波导(CPW)馈电的微带单极UWB
天线。由前面的研究己经知道，微带单极天线能够实现较宽的阻抗频带，而且其方向图在较宽的频带上变化较小，所以提出的天线结构从采用微带单极天线的形式的方法出发，通过使用能够改善天线带宽的馈电方式，来达到实现超宽带天线的目的。馈电微带的结构采用直线设计[8]，而左右两边设计成矩形。这种形状通过接地板的宽缝隙与长圆形UWB 形成强耦合，使馈线与地板缝隙的阻抗随频率变化形成互补，从而使得天线在很宽的频率范围内都能良好的匹配。微带线的输入端阻抗为50Ω时，天线的特性主要由缝隙宽度L 和馈电微带的直径L1 决定。
选取的馈电方式为 CPW 馈电，这种馈电结构可以将馈电部分和天线辐射面放在同一平面，这样天线的馈电线路很容易采用微带线和后端的射频电路连接起来，方便了天线与CPB电路集成。CPW 的特性阻抗为50Ω，后面的springboard 结构CPW 馈电UWB 天线采用相同的结构。如所示，其中 1 W 、1 L 、L 分别由下式[9~10]给出:
L1、L 分别为馈电微带的直径和缝隙宽度， f L、f r 分别为最低工作频率和参考工作频率，L2 为开口宽度。
2 Springboard 结构UWB 天线
齿诺洗牙笔根据设计，利用基于 FDTD 时域有限差分法的实验对springboard 结构UWB 天线进行分析，得出回波损耗和增益特性如图3.2 所示。
针对 springboard 结构的尺寸指数，我们进行了回波损耗、增益和驻波比等进行了优化设计，不同尺寸结构回波损耗如下图所示：
根据结果得到的数据，尺寸值在R=0.999mm 时回波损耗达到最低，达到-36.6dB，整整改善了11.86dB，而且低于-10dB 的频带
曲嘉瑞
为3.121G~8.56GHz 比无EBG 光子晶体结构UWB天线带宽要大108MHz，正向最大增益为3.984dB，正向增益提高了0.61dB。
以下分别为无 EBG 光子晶体结构和springboard 结构UWB 天线驻波比曲线，从图中可以明显的看出springboard 结构UWB 天线明显的改善了驻波比，从之前的频带内大部分频点VSWR>2，改善到整个工作频带完全回落到VSWR<2.
设计的 springboard 结构UWB 天线特性与无EBG 光子晶体结构UWB 天线相比表现为更低的回波损耗和略有提高的天线增益，而且有着十分优异的驻波比。理论上这是由于springboard 结构对沿基底底版介质传播的表面波有着更加强的抑制作用，由此略微减少天线基底对电磁波的吸收，增加电磁波向自由空间的反射能量，因此，我们所得出的回波损耗和天线增益及其驻波比都有着改善。
3 结论及其分析
盘锥天线变形而来的 UWB 天线，对提高天线增益和信噪比等有着一定帮助，而本文所设计的springboard 结构同样用于UWB 天线，与无EBG 光子晶体结构UWB 天线相比，springboard结构在回波损耗方面有着十分显著的改善，而且天线的增益有着部分提高，而且在驻波比方面在整个频带范围内有着优异的改善性能。由于两种结构的效应强度不同，导致了springboard 结构有着更有效的表面波抑制。与无EBG 光子晶体结构UWB 天线相比，显然springboard 结构UWB 天线有着更加优异的性能，对应用于移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域，springboard 结构UWB 天线将会有着巨大的潜力。
计算机硕士论文
[参考文献] (References)
[1] C Lao hapensaeng, C Free, and I D Robertson. Simplified analysis of printed strip monopole antenna fed by aCPW[C]. Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, 2009, Vol. 5,290822911.
[2] K Chung, T Yun, and J Choi. Wideband CPW-fed monopole antenna with parasitic elements and slots [J]. IEEElectronics Letters, 2008,
40(17): 1038-1040.
[3] Xian-Ling Liang, Shun-Shi zhong, Feng-Wei Yao. Compact UWB tapered-CPW-fed planar monopoleantenna[C]. Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, 2008, Vol. 4, 2252-2254.
[4] Horng-Dean Chen. Broadband CPW-fed square slot antenna with a widened tuning stub [J]. IEEE TransAntenna and Propagation, 2003,
51(8):1982-1986.
触摸屏ic[5] Yasushi Horii, Makoto Tsutsumi. Harmonic control photonic band-gap on micro strip patch antenna [J]. IEEEMicrowave Guided Wave Letters, 2009, 9 (1): 13-15.
[6] Joseph, S. Colbum, Yahya Rahmat Samii. Patch antennas on externally perforated high dielectric constantsubstrates [J]. IEEE Trans. on Antennas Propagation, 2009, 47(12): 1785-1794.
[7] Dissanayake, Esselle, “Design of slot loaded band-notched UWB antennas”, Antennas and Propagation SocietyInternationals Symposium, 2005 IEEE Vol.1B, July 2005, pp.545-548.
利兹线[8] Li P, Liang J, Chen X, “Ultra-wideband printed elliptical slot antenna”, Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium, 2005 IEEE Volume 3A, July 2005 pp.508-511.
连供系统[9] Yangwoon Roh, Kyungho Chung, Jameson Choi, “Design of a micro strip-fed ultra-wideband monopoleantenna having band rejection characteristic”, Antennas and Propagation Society International Symposium,2005 IEEE Vol.2B, July 2008, pp.556-559.
[10] S. Fivenpiper, M. Yang, K. Croas, G. Polous, and H. Vitch. High-Impedance Electromagnetic Surfaces with aForbidden Frequency Band
正弦波信号发生器[J]. IEEE TRANS. MTT, 2009, 57(11): 2129-2134.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议