新型的小型平面全向超级宽带单极子天线设计
刘文坚 褚庆昕 杨颖颖
（华南理工大学电子与信息工程学院，广州 510640)
摘 要：本文提出了一种新型的平面全向超宽带单极子天线模型，该设计采用50欧姆共面波导馈电，仿真分析显示：该天线在3-27.5 GHz的频段范围内，回波损耗S11
New Compact CPW-fed Planar Super
wideband Monopole Antenna Designs
LIU WEN-JIAN, CHU QING-XIN, YANG YING-YING
（School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou,
Guangdong 510640）
Abstract: In this paper, A design of a compact CPW-fed planar monopole antenna for ultrawideband (UWB) application is presented. The antenna consists of a disc metal patch on a printed circuit board fed by a 50 Ω coplanar waveguide (CPW). The proposed antenna has an impedance bandwidth of 3-27.5 GHz with a return loss
Keywords: microstripe antenna; circular dise monopole (CMD); Superwideband (SWB); ultrawideband (UWB)
1 引言
自从美国联邦通信委员会（FCC）于2002年2月将3.1-10.6GHz频段划归超宽带（UWB）的民用频段[1]，UWB无线通信系统的设计和应用便成为了无线通信领域激烈竞争的焦点。作为超宽带系统的重要组成部分，超宽带天线的设计也成为了科学界和工程界的热门研究课题。
传统的超宽带天线如双锥天线、圆锥天线、螺旋形天线、喇叭天线等等，在一定程度上经过改进，
基金项目：国家自然科学基金U0635004与广东省自然科学
基金07118061。
可以达到超宽带的工作频率，但是由于先天结构的
限制，在平面化和体积上有很大的局限。经过不断的研究，单极子天线被越来越多的人重视，由于其制作成本低廉、工作带宽宽，方向性稳定，而且在带内色散弱等优点，被认为是超宽带天线研究中最具有潜力的结构之一[2~4]。Narayan Prasad Agrawall在[5]里面给出天线辐射体为半径25mm的圆的单极子天线（circular dise monopole CMD）模型，其工作带宽为：1.17-12GHz，并将圆辐射体的形状改变成椭圆形，进行了进一步的研究。
J.Liang在文献[6] 中提出了一个40*47mm的共面圆的单极子天线，天线辐射体为半径12.5mm的圆，其工作带宽为2.73 GHz 到超过 12 GHz。本文
801
基于文献[6]中的天线的结构，在圆形辐射体上引入双C型槽，天线的尺寸减小为原来的46.4%，同时天线带宽大大拓展，涵盖了整个厘米波段，我们对这种远超过超宽带天线带宽的天线，初步定义为超级宽带天线（Superwideband SWB Antenna）。
2 圆单极子超宽带微带天线结构设计和结果
图1所示为圆单级子超宽带微带天线几何结构图。我们将天线的结构图印制在厚度 1.6mm 的 FR4 玻璃纤维强化环氧树脂（fiberglass reinforced epoxy resin）微波基板上，其介电系数为4.4。我们使用圆形结构作为天线的辐射体，这是因为，根据参考文献[5]我们可以知道，当天线采用圆形的幅射金属片时，所需用来调匹配的间距是最小的。馈入方式采用5 0 Ω的微带线馈入讯号。天线的整体尺寸为L×W =29.1×30 mm2。而接地面大小为30 ×10mm2，圆形幅射金属片的半径为 9.4 mm。共面波导传输线具有50Ω的特性阻抗，宽度为W2=2.4 mm,与地板之间的间隔为C2=0.3 mm。两端地板各自切除了一个三角形来实现更好的阻抗匹配。
图1 天线A结构
使用HFSS软件对天线进行仿真计算。图2所示为天线A（图1）的反射系数频响曲线。从图中可以看出，在3-27.5 GHz的频率范围内，天线的反射系数小于-10dB,带宽达到了24.5GHz，相对带宽为160.7%。
802
图2 天线A反射系数S11（仿真）
图3所示为天线A在4、7、10三个频点的E面和H面的模拟辐射方向图。
如图3(a)所示，在4、7GHz两个频点， E面方向图以0-180度轴为中心对称，半功率波束宽度（HPBW）>80度，图2(b)所示，天线A在4、7、10GHz三个频点辐射场型为全向形。由上述结果我们可以得出结论，天线A在超宽带频段内，具有良好的全向辐射特性。
(a)
(b)
图3 天线1在4、7、10GHz频率上的仿真方向图
（归一化）(a) E面、(b) H面
3 双C型槽单极子超级宽带天线结构设计和结果分析
我们通过圆辐射体上引入双C型槽，得到一种全新的天线结构，通过双C型槽的引入增加辐射体的在高频带的性能，在保证方向图性能的同时，使得工作带宽涵盖整个厘米波段。新的天线如图4所示
:
图4 天线B结构
如图4所示，我们在圆辐射体上进行开槽，构
成新的辐射体，该辐射体的结构由三个圆a1、a2、b1组成，参考最初构成天线A的圆辐射体的圆a1，圆2的圆心向Y轴方向位移0.5mm（S2=0.5mm）其半径为Ra2=8.2mm，圆3的圆心向Y轴方向位移1mm（S1=1mm）其半径为Ra2=7mm，其他参数和天线A类似。
同样的我们利用HFSS对天线B进行仿真并与实测结果进行比较，其反射系数如图5所示。
图5 天线B反射系数的仿真和测量结果
由天线B仿真和实测结果比较可知，结果比较吻合，同时与天线A仿真结果比较，绝对带宽为29GHz，相对带宽为165.7%，绝对带宽比天线A增大4.5GHz，同时带宽覆盖整个厘米波段（3～30GHz）。
图6为天线B的在4、7、10三个频点的E面和H面的模拟辐射方向图。
如图6所示，天线B方向图性能与天线A类似。在4、7GHz两个频点的归一化E面为一个8形，随着频率的增加，10GHz频点的方向图有一定的恶化，但在4、7、10GHz三个频点的归一化H面辐射场型保持为全向形。该天线在整个超宽带频段内也同样具有良好的全向辐射特性。
(a) E面（4GHz） (b) H面（4GHz）
(c) E面（7GHz） (d) H面（7GHz）
(e) E面（10GHz） (f) H面（10GHz）
图6 天线B在4、7、10GHz频率上的归一化仿真和实测方向图（归一化） (a) 4GHz E面、(b) 4GHz H面、(c) 7GHz
E面、(d) 7GHz H面、(e) 10G E面、(f) 10G H面
图7是天线A和天线B的增益特性图。在3～11GHz频段内，天线A的增益为2.5～5.5dB，而天线B的实测增益为1～5dB。
803
使得工作带宽涵盖整个厘米波段（SHF）并能在3～32GHz频段内反射系数S11
参考文献
[1] Federal Communications Commission, First Report and
Order, Revision of Part 15 of the Commission’s Pulse Regarding Ultra-wideband Transmission Systems, Feb.
图7 天线A增益的仿真结果和天线 B增益的仿真和实测结果比较
2002
[2] P. P. Hammoud and F. Colomel, Matching the input
impedance of a broadband disc monopole, Electron. Lett., 1993(29), pp. 406-407
[3] Y. Kim, D.H. Kwon, CPW-fed planar ultra wideband
antenna having a frequency band notch function, Electronics Letters, April 2004 (40), pp. 403-405 [4] Seok H. Choi, Jong K. Park, Sun K. Kim, Jae Y. Pak, A
new Ultra-Wideband Antenna for UWB Applicatioon, Microwave and Optical Technology Letters, 2004 (40),
图8 天线B实物图
399-401
[5] Narayan Prasad Agrawall, Girish Kumar, K.P. Ray.
Wide-band Planar Monopole Antenna. IEEE Trans. Antennas Propagat., Feb. 1998 (46), pp.294
[6] J.Liang, L.Guo, C.C.Chiau, X.Chen and C.G.Parini,
"Study of CPW-Fed circular disc monopole antenna", IEEE Proceedings Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 152, no. 6, December 2005, pp. 520-526.
4 结论
本文提出了一种小型共面波导馈电超级带天线。其大小为29.1×30mm，仿真结果表明，该天线实现了在3-27 GHz频段内反射系数S11
作者简介：刘文坚，男，博士，主要研究领域为超宽带天线；褚庆昕，男，教授、博士生导师，主要研究领域为滤波器、天线、左手媒质、FDTD、空间功率合成等。
804
新型的小型平面全向超级宽带单极子天线设计
作者：作者单位：
刘文坚， 褚庆昕， 杨颖颖
华南理工大学电子与信息工程学院，广州 510640
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7110690.aspx
新型的小型平面全向超级宽带单极子天线设计
刘文坚 褚庆昕 杨颖颖
（华南理工大学电子与信息工程学院，广州 510640)
摘 要：本文提出了一种新型的平面全向超宽带单极子天线模型，该设计采用50欧姆共面波导馈电，仿真分析显示：该天线在3-27.5 GHz的频段范围内，回波损耗S11
New Compact CPW-fed Planar Super
wideband Monopole Antenna Designs
LIU WEN-JIAN, CHU QING-XIN, YANG YING-YING
（School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou,
Guangdong 510640）
Abstract: In this paper, A design of a compact CPW-fed planar monopole antenna for ultrawideband (UWB) application is presented. The antenna consists of a disc metal patch on a printed circuit board fed by a 50 Ω coplanar waveguide (CPW). The proposed antenna has an impedance bandwidth of 3-27.5 GHz with a return loss
Keywords: microstripe antenna; circular dise monopole (CMD); Superwideband (SWB); ultrawideband (UWB)
1 引言
自从美国联邦通信委员会（FCC）于2002年2月将3.1-10.6GHz频段划归超宽带（UWB）的民用频段[1]，UWB无线通信系统的设计和应用便成为了无线通信领域激烈竞争的焦点。作为超宽带系统的重要组成部分，超宽带天线的设计也成为了科学界和工程界的热门研究课题。
传统的超宽带天线如双锥天线、圆锥天线、螺旋形天线、喇叭天线等等，在一定程度上经过改进，
基金项目：国家自然科学基金U0635004与广东省自然科学
基金07118061。
可以达到超宽带的工作频率，但是由于先天结构的
限制，在平面化和体积上有很大的局限。经过不断的研究，单极子天线被越来越多的人重视，由于其制作成本低廉、工作带宽宽，方向性稳定，而且在带内色散弱等优点，被认为是超宽带天线研究中最具有潜力的结构之一[2~4]。Narayan Prasad Agrawall在[5]里面给出天线辐射体为半径25mm的圆的单极子天线（circular dise monopole CMD）模型，其工作带宽为：1.17-12GHz，并将圆辐射体的形状改变成椭圆形，进行了进一步的研究。
J.Liang在文献[6] 中提出了一个40*47mm的共面圆的单极子天线，天线辐射体为半径12.5mm的圆，其工作带宽为2.73 GHz 到超过 12 GHz。本文
801
基于文献[6]中的天线的结构，在圆形辐射体上引入双C型槽，天线的尺寸减小为原来的46.4%，同时天线带宽大大拓展，涵盖了整个厘米波段，我们对这种远超过超宽带天线带宽的天线，初步定义为超级宽带天线（Superwideband SWB Antenna）。
2 圆单极子超宽带微带天线结构设计和结果
图1所示为圆单级子超宽带微带天线几何结构图。我们将天线的结构图印制在厚度 1.6mm 的 FR4 玻璃纤维强化环氧树脂（fiberglass reinforced epoxy resin）微波基板上，其介电系数为4.4。我们使用圆形结构作为天线的辐射体，这是因为，根据参考文献[5]我们可以知道，当天线采用圆形的幅射金属片时，所需用来调匹配的间距是最小的。馈入方式采用5 0 Ω的微带线馈入讯号。天线的整体尺寸为L×W =29.1×30 mm2。而接地面大小为30 ×10mm2，圆形幅射金属片的半径为 9.4 mm。共面波导传输线具有50Ω的特性阻抗，宽度为W2=2.4 mm,与地板之间的间隔为C2=0.3 mm。两端地板各自切除了一个三角形来实现更好的阻抗匹配。
图1 天线A结构
使用HFSS软件对天线进行仿真计算。图2所示为天线A（图1）的反射系数频响曲线。从图中可以看出，在3-27.5 GHz的频率范围内，天线的反射系数小于-10dB,带宽达到了24.5GHz，相对带宽为160.7%。
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图2 天线A反射系数S11（仿真）
图3所示为天线A在4、7、10三个频点的E面和H面的模拟辐射方向图。
如图3(a)所示，在4、7GHz两个频点， E面方向图以0-180度轴为中心对称，半功率波束宽度（HPBW）>80度，图2(b)所示，天线A在4、7、10GHz三个频点辐射场型为全向形。由上述结果我们可以得出结论，天线A在超宽带频段内，具有良好的全向辐射特性。
(a)
(b)
图3 天线1在4、7、10GHz频率上的仿真方向图
（归一化）(a) E面、(b) H面
3 双C型槽单极子超级宽带天线结构设计和结果分析
我们通过圆辐射体上引入双C型槽，得到一种全新的天线结构，通过双C型槽的引入增加辐射体的在高频带的性能，在保证方向图性能的同时，使得工作带宽涵盖整个厘米波段。新的天线如图4所示
:
图4 天线B结构
如图4所示，我们在圆辐射体上进行开槽，构
成新的辐射体，该辐射体的结构由三个圆a1、a2、b1组成，参考最初构成天线A的圆辐射体的圆a1，圆2的圆心向Y轴方向位移0.5mm（S2=0.5mm）其半径为Ra2=8.2mm，圆3的圆心向Y轴方向位移1mm（S1=1mm）其半径为Ra2=7mm，其他参数和天线A类似。
同样的我们利用HFSS对天线B进行仿真并与实测结果进行比较，其反射系数如图5所示。
图5 天线B反射系数的仿真和测量结果
由天线B仿真和实测结果比较可知，结果比较吻合，同时与天线A仿真结果比较，绝对带宽为29GHz，相对带宽为165.7%，绝对带宽比天线A增大4.5GHz，同时带宽覆盖整个厘米波段（3～30GHz）。
图6为天线B的在4、7、10三个频点的E面和H面的模拟辐射方向图。
如图6所示，天线B方向图性能与天线A类似。在4、7GHz两个频点的归一化E面为一个8形，随着频率的增加，10GHz频点的方向图有一定的恶化，但在4、7、10GHz三个频点的归一化H面辐射场型保持为全向形。该天线在整个超宽带频段内也同样具有良好的全向辐射特性。
(a) E面（4GHz） (b) H面（4GHz）
(c) E面（7GHz） (d) H面（7GHz）
(e) E面（10GHz） (f) H面（10GHz）
图6 天线B在4、7、10GHz频率上的归一化仿真和实测方向图（归一化） (a) 4GHz E面、(b) 4GHz H面、(c) 7GHz
E面、(d) 7GHz H面、(e) 10G E面、(f) 10G H面
图7是天线A和天线B的增益特性图。在3～11GHz频段内，天线A的增益为2.5～5.5dB，而天线B的实测增益为1～5dB。
803
使得工作带宽涵盖整个厘米波段（SHF）并能在3～32GHz频段内反射系数S11
参考文献
[1] Federal Communications Commission, First Report and
Order, Revision of Part 15 of the Commission’s Pulse Regarding Ultra-wideband Transmission Systems, Feb.
图7 天线A增益的仿真结果和天线 B增益的仿真和实测结果比较
2002
[2] P. P. Hammoud and F. Colomel, Matching the input
impedance of a broadband disc monopole, Electron. Lett., 1993(29), pp. 406-407
[3] Y. Kim, D.H. Kwon, CPW-fed planar ultra wideband
antenna having a frequency band notch function, Electronics Letters, April 2004 (40), pp. 403-405 [4] Seok H. Choi, Jong K. Park, Sun K. Kim, Jae Y. Pak, A
new Ultra-Wideband Antenna for UWB Applicatioon, Microwave and Optical Technology Letters, 2004 (40),
图8 天线B实物图
399-401
[5] Narayan Prasad Agrawall, Girish Kumar, K.P. Ray.
Wide-band Planar Monopole Antenna. IEEE Trans. Antennas Propagat., Feb. 1998 (46), pp.294
[6] J.Liang, L.Guo, C.C.Chiau, X.Chen and C.G.Parini,
"Study of CPW-Fed circular disc monopole antenna", IEEE Proceedings Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 152, no. 6, December 2005, pp. 520-526.
4 结论
本文提出了一种小型共面波导馈电超级带天线。其大小为29.1×30mm，仿真结果表明，该天线实现了在3-27 GHz频段内反射系数S11
作者简介：刘文坚，男，博士，主要研究领域为超宽带天线；褚庆昕，男，教授、博士生导师，主要研究领域为滤波器、天线、左手媒质、FDTD、空间功率合成等。
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新型的小型平面全向超级宽带单极子天线设计
作者：作者单位：
刘文坚， 褚庆昕， 杨颖颖
华南理工大学电子与信息工程学院，广州 510640
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7110690.aspx