一种新型超宽带磁天线

一种新型超宽带磁天线

赵 波 张晓娟 方广有

(中国科学院电子学研究所 北京 100190)

摘 要: 该文设计制作了一种新型实用的超宽带磁天线。天线采用平衡馈电，文中对天线的回波损耗、辐射性能和时域响应进行了数值仿真和实验测试。在驻波比小于2时天线有107%的阻抗带宽，大约100%的方向图带宽，工作频段完全覆盖超宽带通信频谱。研究表明，天线有大于5dB的平稳增益，能够不失真地传播脉冲波形。而且由于磁场能量占优，不易于与近场物体互耦，特别适合于室内等物体繁杂的地方应用，有非常强的实用价值。 关键词：磁天线；超宽带；脉冲；平衡馈电

中图分类号：TN826 文献标识码：A 文章编号：1009-56(2009)04-1004-03

A Novel UWB Magnetic Antenna

Zhao Bo Zhang Xiao-juan Fang Guang-you

(Institute of Electronics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)

Abstract: A novel compact UWB magnetic antenna is designed and manufactured. This antenna has a balanced feed , moreover, numeric simulations and experiments are carried out to investigate its return loss, radiation behavior, and time-domain response. The antenna offers 107% impedance bandwidth under VSWR<2 and 100% radiation bandwidth, which covers ultra wideband frequency spectrum applications. The achieved performance in the band has fairly constant>5dB gain, and suitability for pulse transmission with minimized distortions. Further more, it have relatively large magnetic near-fields that are difficult to undesired coupling with near-by objects, so it is very suitable for application to some environment cluttered up with objects such as home. It makes some sense to the application.

Key words: Magnetic antenna; Ultra-wideband; Pulse; Balance-fed

1 引言

2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准了UWB运用于商业通信，工作在3.1-10.6GHz的免授权频谱，这一举措有力地推动了UWB的发展。UWB技术特别适合于短距离高数据率传输，在前8m内的网络连接速度惊人，差不多是IEEE802.11a的10倍，未来它将成为短距离无线通信的主流技术[1,2]。现有的UWB技术一般采用短脉冲传输信息，分数带宽达到了110%，设计出相应的天线成为一个技术难题。在许多脉冲雷达中，有用信息包含在脉冲回波的波形中，因此设计天线必须要求最小化脉冲失真。而传统的宽带天线不太满足脉冲激励：(1)非频变天线：例如螺旋天线，通常体积大而且是频率色散的；(2)TEM喇叭天线：体积大而且方向性系数很高，无法对一个比较大的范围进行监测；(3)阻抗加载天线：如偶极子加载天线，虽然带宽增加了，因为超宽带天线在系统中类但损耗增加，效率明显下降[3,4]。似于一个带通滤波器，从频域来说，最小化脉冲失真等同于传输函数增益平稳和相位线性，表现在天线特性参数：(1)

宽的阻抗带宽；(2)方向图不随频率变化[5]。由于磁天线的磁场能量在近场占优，而磁场比电场的耦合能力弱，所以在许多复杂环境中磁天线比电天线更适用[6]。

本文介绍了一种新型的适合脉冲激励的超宽带磁天线。综合现有的几种磁天线结构优点，先改进了磁天线结构，再用仿真软件对天线结构进行优化，然后制作天线原型，最后测量天线的特性参数，在UWB频段内有5dB的方向性增益和-10dB的回波损耗。

2 天线结构模型

1983年，Harmuth设计出large current radiator 基本1999年，Farr结构，即金属片在接地板上，采用平衡馈电[7]。等人在此基础上进行改进，将平的辐射片改成了圆弧形，采用一端馈电一端接匹配负载的方式[8]。2003年，Boryssenko设计出tongue天线，将辐射片改成了渐变形状，采用同轴馈电，无需接负载[9]。 Harmuth和Farr的天线没有大的阻抗带宽，而且方向图也只在一个狭窄的频率范围不错。Tongue天线采用渐变结构，极大地提高了阻抗带宽，但是由于结构本身的不对称性，方向图随频率变化明显，最大辐射方向也不在天线的正交轴上，使用时必须倾斜一定角度，

2007-12-24收到，2008-04-29改回 国家自然科学基金(60551002)资助课题

第4期 赵 波等：一种新型超宽带磁天线 1005 很不方便。

根据天线设计理论，一个性能优良的天线可视为从馈电端电流到辐射场的匹配网络，并可以进行辐射能量的合理分布[10]。综合以上结构，本文设计制作宽度渐变的辐射片，用宽度不变的铜片做为天线基座即反射板。如图1所示，反射板正面轮廓线由分段的反正切函数描述，辐射板三维结构可以分为正面曲线和侧面宽度渐变的二维结构。辐射板宽度对驻波比影响很大，用函数描述制作前铜片的宽度，如图2所示。形状函数为

⎧⎪⎪⎪⎡2q⎤mLW(q)=⎪⎪Wmin+⎢⎨⎢⎣L⎥⎥⎦(Wmax−Wmin), q≤2

⎪⎪⎪⎪⎪⎩W(q)=W⎡2q−L⎤m

(1) max+⎢⎢⎣L⎥⎥⎦(Wmin−Wmax), 其他其中参量Wmin和Wmax定义辐射片的最小和最大宽度，L是辐射片弯折前长度，m是变形因子。

图1 天线几何结构 图2 辐射板宽度函数

3 天线仿真与设计

本文选用Ansoft公司的软件HFSS10.0来优化设计天线，它是基于有限元法的三维高频电磁场仿真软件。图 3(a)是天线模型的正视图，图3(b)是用HFSS仿真的网格划分图。

天线优化的主要的目标是在工作带宽内达到50Ω的输入电阻和接近0的输入电抗，最后再从中挑选辐射方向图优良的参数值。主要的优化参数如下：(1)辐射片宽度函数(见式(1))中的3个参数ωmin，ωmax和m；(2)在馈电点处辐射片与反射片的高度差H；(3)反射板的宽度和高度。

优化的约束条件主要是天线的尺寸大小，一般要求天线的尺寸越小越好，这里设定小于10cm。当然最后还需要考虑方向图。 依据仿真结果，在天线传播实验室制作并测量

图3

了一个超宽带天线，如图4所示。天线元设计成一个相当紧凑的结构9cm×7cm×2.8cm，最低工作频率可达3GHz，最高频主要由天线大小和馈电高度决定，这里设计成10.6GHz。

图4 天线原型

4 仿真和测量结果

用仿真软件HFSS10.0，计算图3的模型。图5和图6是仿真和测量的驻波比和增益。天线阻抗带宽主要受低频影响，这是由馈电点和辐射片形状决定的。在频率范围内有大于5dB的平稳增益，变化小于1dB。由图7可见，天线的主瓣方向保持在Z轴方向，3dB宽度都80度左右，方向图的一致性良好，随频率变化小。天线主极化是线极化。

图5 驻波比 图6 天线增益随频率的变化

图4的天线尺寸是9cm长(E面)，7cm宽(H面)和2.8cm高。3GHz，6GHz，10GHz仿真和测量的E面和H面方向图如图7所示。驻波比和方向图的测量与仿真值有差异，主要原因是数值仿真工具都是基于用网格划分物体，本天线又是三维曲面建模，逼近实物程度始终有限。另外馈电点处的网格划分对结果影响尤其巨大，为了减少仿真时间，对结构进行了简化，没有对实际馈电网络建模。

5 时域特性分析θ(D)

在微波暗室中对天线的时域特性进行了测量，发射和接收都采用本文设计的天线。由瑞利距离知，如要测量远场，两天线的距离至少要大于R=2D2/λ，

此处D为9cm，λ取0.0283m。用脉冲发生器产生一个脉冲信号接到发射天线，接收天线连到抽样率为20GS/s的数字示波器。

比较发射信号和接收的脉冲信号，观察信号幅度、半功率宽度和持续时间的变化。发射信号持续时间0.5ns，半功率宽度0.08ns，频率覆盖范围3.6-11GHz。E面θ=90°时两信号如图8所示。由图可知，接收信号幅度为0.75，1.2ns

1006 电 子 与 信 息 学 报 第31卷

图7 仿真和测量的方向图

图8 参考和测量信号

的持续时间，半功率宽度0.09ns。脉冲主瓣变化不大，但是产生了一点波纹。不过脉冲失真很小，因此本天线完全可以用于传输短脉冲。

6 结束语

本文设计制作了一种新型超宽带磁天线。使用HFSS对天线结构进行了仿真优化，制作了天线原型，并在微波暗室中测量了天线的频域和时域特性。

天线结构紧凑，原型只有9×7×2.8cm3

，分数带宽达到107%。

在整个UWB频率范围下驻波比小于2，天线增益比较平稳，从低频的5dB变到高频的6dB。对覆盖UWB频段的几个频点进行远场测量，结果表明辐射方向图基本不随

频率变化。对发射和接收的脉冲信号波形进行了测量比较， 天线对脉冲波形失真很小。此天线造价低廉，性能良好，非常适合于UWB系统采用。

参 考 文 献

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赵 波： 男，1983年生，硕士生，研究方向为超宽带天线的设计、

分析和优化和微波电路设计.

张晓娟： 女，19年生，副研究员，硕士生导师，从事电磁场与

微波技术、电磁散射与遥感、天线、计算电磁学等方向的研究工作.

方广有： 男，1963年生，研究员，博士生导师，从事超宽带电磁

学理论及其应用、损耗介质中隐蔽目标的电磁探测、超宽带成像雷达技术、微波成像新方法和新技术等方面的研究工作.