一种新型超宽带平面单极天线的设计

施胜杰， 郭辉萍

（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215021）

【摘 要】提出了一种新型超宽带平面单极子天线。该天线由一个倒置的月牙形金属贴片和一个槽口金属接地板构成，采用微带线对其进行馈电。通过数值仿真和实验测量，该平面结构的单极天线具有超宽带性能，实测天线的-10 dB回波损耗的频率覆盖范围为3.2～1.8 GHz，相对带宽达115%，阻抗带宽达到3.6倍频。且该天线体积小、结构简单、加工简便，适合应用于短程超宽带通信系统。

【关键词】平面天线；单极子天线；超宽带（UWB）

【中图分类号】TN822.8 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2009)01-0112-03

Design of Novel Ultra-Wideband Planar Monopole Antenna

SHI Sheng-jie，GUO Hui-ping

(School of Electronic and Information Engineering, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215021, China)

【Abstract】A novel ultra-wide band(UWB)planar monopole antenna with a inverted crescent metal patch anda notch metal ground plate is proposed．The proposed planar monopole antenna has an ultra-wide band, and issmall in size and simple in structure, thus is easy to fabricate. Its measured -10dB return loss bandwidth coversa frequency range between 3.2 GHz and 1 1.8 GHz. In other words ,the relative bandwidth is 115% and the ratioimpedance bandwidth reaches 3.6:1. This type of antenna is suitable for short-distance UWB communications.【Key words】planar antenna; monopole antenna; ultra-wideband(UWB)

3.2 GHz到11.8 GHz,相对带宽达到近115％，阻抗带宽达到3.6倍频，而天线的尺寸仅为18 mm×16 mm。

0 引言

近年来，超宽带无线通信技术以其超高速、超大容量、低成本、低功耗、复杂度低、保密性好等优点而备受重视，成为目前无线通信的一大研究热点[1]。超宽带天线的设计和研究是超宽带的关键技术之一。为了适应高速集成电路小型化的需求，平面单极天线在超宽带无线通信设备中受到了广泛的青睐[2-5]，原因在于其诸多的优点：尺寸小、结构紧凑、频带宽。常见的平面单极天线有矩形平板单极天线、圆盘单极天线、椭圆盘单极天线。为了提高天线的带宽，通常采用偏置馈电、双点或多点馈电、短路以及切角等技术[4-5] 。

文章提出了一种新型结构的超宽带平面单极天线。该天线由一个倒置的“月牙”形金属贴片以及矩形槽口[6]金属接地板所构成，采用微带线对其进行馈电。通过数值仿真和实验测量，最终可得天线回波损耗S11<-10 dB覆盖的频率范围从

1 天线的基本结构

图1给出了月牙形超宽带平面单极天线的结构示意图。该天线制作在相对介电常数为4.4，厚度为1.6 mm的FR4介质基片上。介质基片的正面为天线的辐射单元，一个倒置的月牙形金属贴片，该形状是由圆心在同一直线上的两个圆相交所构成，两圆的半径分别为r1，r2，而圆心距为d。半径为r1的大圆剔除两圆相交部分便构成了一个月牙形的金属贴片结构。介质基片的背面为16 mm×4 mm接地板，在接地板上挖去一个L×W矩形凹槽。其主要目的是为了调节天线的阻抗匹配，从而展宽天线的带宽。该天线采用微带线进行馈电，馈线的宽为2 mm。整个天线的尺寸为18 mm×16 mm。

收稿日期：2008-06-30。

基金项目：苏州大学青年学术骨干教师基金资助项目（R2317152）。作者简介：施胜杰（1984-），女，硕士研究生，主要研究方向射频与无线通信、天线的设计与研究；郭辉萍（19-），女，副教授，

主要从事电磁理论、电磁散射及无线通信教学、科研工作。

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图1 天线结构（单位：mm）

2 天线的数值分析

在研究的过程中，发现接地板上矩形凹槽的尺寸对天线的阻抗带宽有着十分重要的影响，在这里，固定r1=5.5 mm，r2=3.5 mm，d=2.5 mm，选取不同的凹槽尺寸来观测天线的回波损耗，如图2所示。从图2中可以看到，随着凹槽尺寸的变化，天线的阻抗带宽呈现着明显的变化。当L=0 mm，W=0 mm时，表示没有凹槽的情况，此时低端频率向高频处移动。当L=7 mm，W=2 mm和L=8 mm，W=2 mm时，虽然低频的起始频率点较低，但是阻抗带宽明显变窄，说明频率升高时天线的输入阻抗与外接的50Ω端口不相匹配。而当L=7 mm,W=1 mm时，天线的阻抗带宽达最佳。 0-5-10)-15dB ( S11-20-25L = 0 mm,W = 0 mmL = 7 mm,W = 1 mm-30L = 7 mm,W = 2 mmL = 8 mm,W = 2 mm-3524681012Frequency (GHz)f/GHz图2 回波损耗S11随L，W的变化

接下来研究辐射金属贴片形状的变化对天线阻抗带宽的影响。首先使天线的辐射单元由“月牙”趋向“新月”方向变化，这里通过选取固定的r1=5.5 mm，d=2.5 mm，逐渐增大r2来实现。从图3中可以看到，随着r2的增大，谐振的强度明显减弱,低端频率逐渐向高频处移动，回波损耗S11< -10 dB的阻抗带宽也相应地变窄了。其原因在于当金属贴片面积缩小后，输出端的匹配阻抗发生了变化，从而导致了带宽的变化。然后使天线的辐射单元由“月牙”趋向满月”方向变化，这里通过选取固定的r1=5.5 mm，r2=3.5 mm，逐渐增大d来实现。从图4中可以看出，d的变化对天线阻抗带宽的影响相对于r2就小得多了，但对谐振频率点的位置和谐振强度还是有影响的，具体表现为d增大后，谐振的强度变弱了。综合以上几个因素，最终选取金属贴片的参数为r1=5.5 mm，r2=3.5 mm，d=2.5 mm来进行研究。

0-5-10)Bd( 1-15S1-20r2 = 3.5 mmr2 = 4.5 mm-25r2 = 5.5 mmr2 = 6.5 mm-3024681012f/GHz图3 回波损耗S11随r2的变化 0-5-10)Bd( -15 1S1-20d = 2.2mm-25d = 2.5mmd = 3mmd = 4mm-3024Frequency (GHz)681012f/GHz图4 回波损耗S11随d的变化

图5，图6分别给出了天线在4 GHz，7 GHz，10 GHz时的E面和H面的归一化辐射方向图。从这两幅图中可以看到， E面为“¥”,H面为全方向。

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“3 实验结果

基于上述数值仿真分析结果，加工了一副实验天线，如图7所示。天线的结构参数分别为 L=7 mm，W=1 mm，r1=5.5 mm，r2=3.5 mm，d=2.5 mm。在网络分析仪AgilentN5230A上进行测试，实测数据与仿真的数据取得较好的吻合，如图8所示。可见该天线回波损耗小于-10 dB的频带范围为3.2~11.8 GHz，相对带宽达到近115％，阻抗带宽达到3.6倍频。

S11<-10 dB覆盖的频率范围从3.2～11.8 GHz,相对带宽达到近115％，而天线的大小仅为18 mm×16 mm。由于该天线具有超宽带、小型化、结构紧凑、加工简便等特点，因而便于和射频电路器件集成，易于满足通信系统的要求。但还需要作进一步的研究，将低频端降至3 GHz以下，并需要进一步改善其辐射特性，提高天线增益。

参考文献

[1] Chen Z N, Ammann M J. Wideband monopole antenna for multi-band wireless systems[J].IEEE Antennas and PropagationMagazine,2003, 45(2): 146-150.

图7 天线实物 0[2] Hammoud M, Poey P, Colombel F. Matching the input impedance

of a broadband disc monopole[J]. Electronics Letters,1993,29(4): 406-407.

MeasurementSimulation -5[3] Tseng C F, Huang C L. Planar monopole with wideband

operation[J]. Microwave and Optical Technology Letters,2007, 49(3): 696-699.

S (dB)-1011-15[4] Antonino-Daviu E, Cabedo-Fabres M, Ferrando-Bataller M, et al.

-20Wideband double-fed planar monopole antennas[J]. ElectronLetters, 2003, 39(23): 1635-1636.

2468Frequency (GHz)1012-25f/GHz[5] Ammann M J, Chen Z N. A wideband shorted planar monopole

with bevel[J].IEEE Transaction on Antennas Propagation,2003, 51(4): 901-903.

图8 天线实测和仿真的回波损耗

4 结语

提出了一种新型的超宽带平面单极天线，并对影响天线性能的因素作了分析和比较，且制作了天线的实物，进行了实验验证。实验和计算结果吻合得较好，实测的回波损耗（上接第111页）

图6仿真分析结果表明，AF-QCSK误码率略差与FM-DCSK，但是其数据传输率提高了，它的速率是FM-DCSK的3倍，牺牲较小的误码率而获得3倍的信息传输速率是值得的。

[6] Choi W J, Jung J, Chung K H, et al. Compact microstrip-fed

antenna with band-stop characteristic for ultra-widebandapplications[J]. Microwave and Optical Technology Letters,2005,47(1): -92.

(2): 1692-1701.

[3] Zbigniew Galias, Gian Mian, Mario Maggio. Quadrature chaos-shift keying: theory and performance analysis[J]. IEEETrans.CAS, 2001, 48(12):1510-1519.

[4] Kolumbàn G, Kennedy M P. Chaotic communications with

3 结语

文中提出的一种改进的混沌键控调制方式，这种调频调幅正交混沌键控方式的误码率性能要次于FM-DCSK，但是其数据传输的速率是FM-DCSK的3倍。在通信技术飞速发展的时代，这种新的键控方式有很广阔的应用前景。这种改进的调制方式的抗多径干扰和抗多用户干扰的性能，还有待进一步研究。

参考文献

[1] Kolumbàn G, Kennedy M P. Enhanced version of DCSK and FM-DCSK data transmission system[J]. IEEE.CAS, 1999,(4): 475-478.

[2] Kolumbán G. Theoretical noise performance of correlator-based chaotic communication schemes[J]. IEEE Trans, 2000,

correlator receivers: theory and performance limits[J].IEEE Trans.CAS, 2002, 90(5):711-732.

[5] Jianming Wang, Zhenlin Xu. A new version of DCSK data

transmission scheme[J].IEEE Trans, 2002,(4):685-687.[6] Lau F C M, Tse C K. Chaos-based digital communication

systems[M]. Berlin: Springer-verlag,2003.

[7] Sergio Callegari, Riccardo Tovatti, Gianluca Setti. Chaos-based FM signals: Application and implementation issues[J].IEEE Trans, 2003, 50(8): 1141-1147.

[8] Tam W M, Lau F C M, Tse C K. Analysis of bit error rates for

multiple access CSK and DCSK communication systems[J].IEEE Trans, 2003, 50(5):702-707.

[9] 马骏，蒋铃鸽，何晨.一种改进的混合差分混沌键控及性能分析[J].

上海交通大学学报，2004，38(10)：1814-1817.

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