超宽带天线的研究现状与展望-刘汉

第35卷第6期电子元件与材料Vol.35No.62016年6月ELECTRONICCOMPONENTSANDMATERIALSJun.2016超宽带天线的研究现状与展望刘汉，尹成友，范启蒙（电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥230037）摘要:对超宽带天线已有的研究方法进行了总结和分析，概述了相关拓宽频带的措施，总结了超宽带天线的设计思想，对近年来超宽带天线的研究现状进行了介绍，最后研究了天线的Q因子，对未来利用Q因子设计宽带天线进行了展望。关键词:超宽带；天线；综述；Q因子；现状；展望doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.002中图分类号:TN823文献标识码:A文章编号:1001-2028（2016）06-0008-08ResearchstatusandprospectofUWBantennaLIUHan,YINChengyou,FANQimeng(StateKeyLaboratoryofPulsedPowerLaserTechnology,ElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China)Abstract:Thecurrentresearchmethodsofultra-wideband(UWB)antennaaresummarizedandanalyzedinfirst;then,themethodstobroadenantennabandwidtharesummarized;thirdly,theresearchstatusofUWBantennaisintroduced;atlast,theQfactorisstudied,whichcanbeusedtodesignUWBantennainthefuture.Keywords:UWB;antenna;review;Qfactor;presentstatus;expectation作为一种谐振式天线，微带天线也有其固有的缺点——阻抗带宽窄，这严重影响了它在微波领域的广泛应用。随着移动通信的飞速发展，通信系统对天线带宽的要求越来越高，尤其是2002年2月FCC（美国联邦通讯委员会）将3.1~10.6GHz频段划归为超宽带的民用频段后[1]，超宽带天线逐渐成为研究热点，因此，展宽微带天线的带宽至UWB频段具有十分重要的意义。目前设计宽带天线的方法主要是利用仿真软件和数值计算方法完成。利用仿真软件中比较常用的展宽频带的措施有：选择合适的介质基板改变贴片形状[2]、分形技术[3]、在贴片或接地板开槽[4]和附加阻抗匹配网络[4]等，通过这些方法均可以很好地展宽带宽；利用数值方法设计宽带天线时，多是与优化算法结合，设定相应的优化目标，达到设计要求。常用的数值算法有矩量法、时域有限差分法和有限元法。为了能够对超宽带天线的研究方法有一个系统的认识和了解，本文首先对超宽带天线的设计思想进行了总结，并对近年来超宽带天线的研究现状进行了介绍，最后考虑到Q因子与天线带宽的关系，对Q因子的研究与进展进行了概述。1超宽带天线的设计思想微带天线的宽频带设计方法和形式多种多样，但是万变不离其宗，笔者通过对这类天线进行研究，总结了这类天线宽带技术的设计思想：(1)渐变阻抗思想：因为信号在阻抗不连续的地方发生反射，因此阻抗匹配的要领在于沿着传输线逐步改变阻抗，以尽可能减小反射。从能量方面来解释就是细线或突兀的形状会使电流集中并增加电抗性储能，这会使天线带宽变窄，而结构渐变的话，电抗性储能就会减小，天线带宽增加。(2)平面-立体对应思想：对于面旋转得到的体天线，性能与其截面构成的平面天线相当。收稿日期：2016-03-15通讯作者：刘汉基金项目：总装备部预研基金资助（No.51333020201）作者简介：刘汉（1988－），男，安徽庐江人，博士研究生，主要研究超宽带微带天线，E-mail:[e-mail]；尹成友（1964－），男，安徽巢湖人，教授，主要研究天线与电波传播，E-mail:[e-mail]；范启蒙（1993－），男，河南濮阳人，研究生，主要研究天线与电波传播，E-mail:[e-mail]。网络出版时间：网络出版地址：综述2016-05-3111:06:09第35卷第6期9刘汉等：超宽带天线的研究现状与展望(3)单极子-偶极子对应思想：通过合理的设计，超宽带单极子天线和偶极子天线能具有相同的阻抗匹配特性。对于窄带天线，偶极子天线的阻抗是相应单极子天线的两倍，超宽带情况下，通过合理有效的设计，单极子天线的阻抗和相应的偶极子具有相同的阻抗。此时，天线的阻抗与外形无关，却对辐射单元和接地板之间的馈电间隙非常敏感。通过调整间隙，可以在很宽的频带内获得所需的良好匹配特性。(4)栅格表面等效思想：很多情况下，线状、格状和栅状结构天线性能可以具有与对应的立体结构天线性能相媲美，并且消耗的材料更少，易于加工。(5)外缘等效思想：在很多情况下，对于平面天线，去掉贴片内部区域，只保留其外缘，其性能变化不大。因为平面天线表面电流主要是流经外缘部分，在内部区域电流会比较少，因此可以考虑将天线内部贴片去掉，利用天线外缘等效整个天线。(6)平衡对称接地板结构等效思想：对于单极子天线，其地板设计是否得当也会对带宽产生影响。为了获得宽频带特性，一般要求地板具有对称结构。当地板和贴片位于介质板同一侧时，采用共面波导馈电；当地板和贴片在介质板两侧时，采用微带馈电。(7)多频思想：分形天线利用自相似特性，可以达到多频特性，以扩展带宽。小尺寸的结构影响高频特性，大尺寸的结构影响低频特性。通过对宽频带天线设计思想的总结，为后面超宽带天线的设计起到了指导作用，有助于简化设计过程，提高设计效率。2近年研究现状近年来，研究平面超宽带天线的文章呈现井喷式的发展。目前，在研究平面超宽带天线的文献中，出现了许多形状新颖、性能优良的天线，下面对近年来研究平面超宽带天线的文献进行了简要的归类总结，反映了平面超宽带天线的研究现状，预测了未来超宽带天线的研究方向。(1)采用新型贴片。Verma等[5]设计了一款鸡蛋型的超宽带天线，天线贴片尺寸的设计利用了抛物线方程，所得到的天线工作在2.9~11GHz，如图1所示。Liu等[6]设计了一款非对称共面条带馈电的天线，将贴片形状设计成阶梯形，达到了超宽带频段，再将蛇形槽嵌入贴片，进一步扩展带宽，天线能够工作在2.4~2.484GHz的蓝牙频段。这两款天线的设计思想是渐变阻抗性质。以上两款天线虽然形状新颖，带宽也达到了超宽带频段，但是带宽的展宽并不是很明显，方向图特性和增益特性与一般的超宽带天线相比并无多大改善。此外，第一款天线贴片尺寸的设计利用了抛物线方程，在用仿真软件建模时，难度会增大。图1鸡蛋型超宽带天线Fig.1EggshapedUWBantenna(2)设计了多输入多输出(MIMO)天线。Tang等[7]设计了一款MIMO天线，贴片的两个独立单元分别进行馈电，并在接地板上嵌入一对对称的条带，通过在地板打孔将一个枝节与贴片连接，这个条带起到了连接贴片与地板的作用，并且还可以作为阻抗转换器，这不仅获得了很好的隔离度，而且还实现了双陷波特性。Ren等[8]设计了一款地板含有L形槽的两个天线元，这两个天线元垂直放置，并且在地板上开了一个窄槽，如图2所示。两个天线元垂直放置获得了高隔离度，窄槽减小了两个天线元在3~4.5GHz的耦合。这类天线的设计思想是平面-立体对应性质和单极子-偶极子对应性质。此外，MIMO技术可以提高天线增益，并且天线所接收和辐射信号的容量会增大。设计MIMO天线，能够获得很好的性能，但是天线的结构较单输入单输出会变得复杂，同时还要解决不同单元之间的耦合作用。图2MIMO超宽带天线Fig.2MIMOUWBantenna(3)设计了可重构天线。Gupta等[9]用五个PIN二极管控制地板上的开关槽结构，分别实现超宽带工10刘汉等：超宽带天线的研究现状与展望Vol.35No.6Jun.2016作频段、单窄带工作频段、双窄带工作频段和三窄带工作频段，由于可重构特性，该天线能够用于认知无线电领域。Li等[10]设计了一种可重构天线，阶梯型的阻抗谐振器和圆弧形寄生单元可以形成陷波特性，在这两个单元之间加入四个开关，通过控制它们的开关，可以实现不陷波、单陷波和双陷波，如图3所示，该天线能够广泛应用于超宽带系统中。这两款超宽带天线的设计思想是渐变阻抗性质和平衡对称接地板结构等效性质。可重构天线的出现，可以使得一款天线能够应用于不同需求的场合，要对几个频段的信号进行抑制，陷波频段位置在哪，这都能很好地解决，缺点同样是在天线中加入了二级管开关，使得结构变复杂，加工难度变大，并且在集成电路中的应用受限。图3可重构超宽带天线Fig.3ReconfigurableUWBantenna(4)设计具有陷波功能的天线。在超宽带的工作频段内还存在其他窄带信号，为了保证各自系统的正常工作，需要抑制干扰。Liu等[11]通过在地板加入空的十字交叉谐振器，如图4所示，实现了三陷波特性，有效抑制了窄带信号的干扰。此外，Wang等[12-14]也利用相应的技术手段实现了三陷波超宽带天线。Aghdam[15]通过在贴片的π形槽中加入一个变容二极管可以调节陷波中心的位置，电容从0.63pF增加到2.67pF时，陷波中心频率从2.7GHz增加到7.1GHz。Choi等[16]设计了一款超宽带天线，通过加入SIR（stepimpedanceresonator）能够实现5GHz处的陷波和另一个位置可调的陷波。这几款天线的超宽带设计思想是平衡对称接地板结构等效性质，部分还用到了渐变阻抗性质和平衡对称接地板结构等效性质。天线陷波特性的设计思想可以理解为上述技术措施是在电路中并联了LC串联谐振电路结构或串联了LC并联谐振电路结构，当发生串联或并联谐振时，电磁能量分别存储在加入的槽、条带或其他类型谐振器附近，不能正常辐射，即具有陷波特性。以上虽然实现三陷波甚至多陷波，在实现陷波的过程中，依然是一些比较老的方法，实现陷波的个数的增加也仅仅是增加所加载的槽或条带的个数来达到，若要实现更多陷波时，结构必定会很复杂。图4具有陷波功能的超宽带天线Fig.4BandnotchedUWBantenna(5)采用新型的馈线。Ellis等[17]利用一种类似扳手形状的新型的馈线实现了单向单极子平面超宽带天线，这避免了因加入反射器使天线尺寸变大难以用于实际以及因改变接地板结构而影响天线的阻抗带宽和辐射特性，如图5所示。Cai等[18]采用新型的双馈线结构，通过在馈线加入两个方形槽结构实现三陷波。这两款天线的设计思想是单极子-偶极子对应性质，并且第二款天线还用到了平衡对称接地板结构等效性质。在这两篇文献中，采用新型的馈线仅仅是采用了共分结构，其所引申出的双馈线实际上可以看作是贴片结构，因此，新型馈线与普通馈线并无本质区别。图5新型馈线超宽带天线Fig.5NovelfeederUWBantenna以上就是近年来相关文献对平面超宽带天线的研究和设计，所设计的天线都具有良好的性能，但是，可以从中发现，目前在超宽带天线的研究和设计中，多采用的是仿真软件，对于设计超宽带天线没有一个理论作为指导，探究超宽带天线设计的理WsLsWtLtLftLL(mm)第35卷第6期11刘汉等：超宽带天线的研究现状与展望论指导，将是需要着力解决的问题，也是未来超宽带天线研究的一个新方向。3Q因子肯尼斯S.约翰逊最先提出了Q因子的概念，他定义Q因子为电感的感抗值与等效电阻之比。对于超宽带天线，多是用于集成设备中，对天线的尺寸提出了严格的要求，在达到性能指标的情况下，天线的尺寸越小越理想，这就涉及到了天线的尺寸极限问题。此外，还希望其带宽能够覆盖所期望的带宽，在某些情况下，需要带宽越宽越好