许媛
摘 要：2002年美国联邦通信委员会把频带为3.1～10.6GHz的超宽带频段规划为商用频段以后，平面天线凭借相对小的体积、较宽的带宽、良好的辐射效率、全方向辐射性能、便捷的生产工艺、较小的资金投入以及高集成性能等多种优点，被广泛地研究与应用。该文对超宽带天线的结构设计原则以及方法做了介绍并对所设计的超宽天线进行了分析和仿真分析，得出所设计的超宽天线拥有良好的性能。
关键词：共面波导 超宽天线 仿真
中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（c）-0086-02
随着通信技术的快速发展，超宽带天线的研究也逐步展开，并且逐步朝着小型化方向发展。超宽带天线的小型化过程中，除了要求所设计的天线自身体积小，拥有相对宽的通信频段，具备优良的辐射性能外，同时也要求天线拥有相对优良的信号保真性能。
1 超宽带天线的结构设计
我国很多的学者构建了多种天线架构，以达到小型超宽带天线的各种性能要求。例如，构建了单极子天线、U槽贴片天线等。上述几种类别的天线在设计时，均通过对称的共面波导结构，让天线的通信频段可以高达11 GHz，不过所设计的天线自身体积相对大。若想要天线拥有相对高的通讯频段，可以通过改变贴片数量、形状、双馈点等多种方式实现，而不同的方法有各自的特征。所以，在进行天线结构的设计过程中，应当全面考虑各种因素的影响，从而使所设计的天线可以达到相关的需求。此次所设计的天线结构如图1所示。
将所设计的天线刻蚀于铜质的底板之上，其是由共面波导接地面、非对称的开槽、贴片以及相应的馈电结构共同构成。而相应的馈电结构则包含有馈电信号带以及相应的细缝。所采用的铜质底板的大小为35 mm×35 mm×1.6 mm，所设计的天线完成信号辐射是通过多边开槽以及相关的贴片而共同完成。再经由进一步的仿真模拟，获取到开槽以及贴片的最优形状与大小，在仿真软件中构建相应的模型。
2 超宽天线的分析和仿真
要想更好地確保天线具有优良的使用效果，应当全面地对介质底板自身厚度、大小以及共面波导构造进行分析与优化。超宽天线所拥有的馈电结构能够通过下式进行计算而得：
上式中，h为介质底板所拥有的厚度值；为底板的常规介电常数；为底板拥有的有效介电常数；W为底板宽度的大小；W3为馈电线自身的宽度大小；S2为馈电线和地面所形成的间隙大小。
通过上述的几个计算式，能够得到共面波导馈电线所拥有的带宽值W3以及缝隙值S2。
所设计的超宽天线具备怎样的性能与所设置的多边开槽、贴片以及缝隙有密切的关联。通过仿真模拟软件，对所设计的天线各项性能进一步地仿真并对相关参数进行优化。现阶段，对于小型超宽天线的研究多是采用对称型的共面波导形式，不过在设计过程中虽然是依照对称波导进行的设计，而现实的产品通常是不具备对称结构的。在实际应用中，非对称型的共面波导和相关的装置与元件之间进行连接，会具有更为优越的匹配度与灵活性。而对于一些较为特别的环境来说，需用到非对称型的共面波导结构。而人们也可以将对称型的共面波导结构看成是非对称型的共面波导结构中较为特殊的个例，所以对于非对称型的共面波导结构进行探讨，会更加具有代表性。
通过模拟仿真软件进行分析，得出超宽天线的阻抗性能图，如图2所示。
可以从图2中得出，在所开槽大小不断增加的过程中，超宽天线所具备的阻抗性能会随之变得更加优良。之所以会产生这种现象，是由于开槽尺寸有所加大，会促使贴片和共面波导的接地面之间的耦合有所减小，同时也就会使两者所形成的谐振现象有所减弱，进而优化了超宽天线的阻抗性能。不过，当频率为8 GHz左右时，超宽天线所拥有的阻抗性能明显降低，之所以会产生此种现象，是由于超宽天线的共面波导接地面与贴片所具有的耦合电容有所改变，最终导致了超宽天线的阻抗性能有所降低。
对超宽天线所具有的性能参数H2进一步的仿真与优化，得出贴片的大小对其性能改变的关系图，如图3所示。
所采用的贴片尺寸相对小时，贴片所具有的辐射量也会较小，导致超宽天线自身的带宽不大。而在贴片尺寸不断加大的过程中，其所拥有的阻抗性能也随之改变。
对贴片和共面波导所拥有的馈电间隙进行仿真和优化，得出相应的关系图，如图4所示。
从图中能够得到，当S3数值不断降低时，超宽天线所具有的带宽呈现逐渐减小的趋势。这是因为当馈电间隙不断减小过程中，使贴片与共面波导接地面所具有的耦合电容有所改变，进一步导致了超宽天线自身的阻抗性能有所降低。
对超宽天线进行辐射与增益的仿真与优化中得出，所设计的天线拥有非常优良的方向性以及辐射增益。通过仿真得出所设计的超宽天线在位于相对低频的H面中，表现出了全面辐射的性能，其中当以及时，其辐射值达到了最大。超频天线的增益模拟图，如图5所示。
从图中可以得出，在频率为2.8～8 GHz范围之内，其增益值均超出了3 dB。而且，超宽天线的增益在频率不断增大的情况下，呈现逐渐增加的趋势，其最大的增益值为8.17 dB，这和普通的天线相比而言，所拥有的增益性能要优良得多。因此，所设计的超宽电线能被应用于收发天线中。
3 结语
以往所采用的天线频带相对较窄，而且体积较大，而共面波导技术则可以有效地解决上述弊端。而且，采用一定的仿真技术，对所设计的天线进行性能的进一步完善与优化，可以使超宽天线的工作频带增加至2.2～8GHz之间，此种超宽天线具备相对简洁的构造，具有较强的增益性能，可以达到现阶段超宽通讯的要求，具备技术可行性。
参考文献
[1] 刘刚，李宁，郭学玲.小型双陷波共面波导馈电超宽带天线仿真分析[J].通讯世界，2016（6）：31-33.
[2] 邓开乐，王代强.新型共面波导馈电超宽带单极子天线设计[J].电子元件与材料，2016（5）：15-18.
