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[摘 要]随着宽带无线通信技术的迅速发展，宽带和超宽带天线技术的发展进入了新的阶段，传统三维结构的超宽带天线已经不能满足应用要求，平面化、小型化、易集成的超宽带天线已经成为设计的重点。面对这种变化，突破新的理论和关键技术已经成为当今超宽带天线研究的热点。本文设计了一种新型超宽带全向线天线，采用交叉闭合金属线增强了天线的全向辐射特性，提出了一种小半球加载的天线结构，有效改善了阻抗匹配特性。
[关键词]UWB；线天线；交叉结构；全向辐射；仿真
中图分类号：G55 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）22-0013-01
引言
超宽带（Ultra-wideband，UWB）无线通信技术以其高速率、低误码率等优异特性在高速无线通信、雷达跟踪、测距、精确定位制导等领域得到了迅猛的发展，已经成为下一代短距离、高速率商用无线通信系统的研究热点。而天线作为无线通信系统的射频前端，其性能将直接影响通信的品质。因此，对于UWB无线通信系统而言，UWB天线的研究具有极其重要的现实意义和应用价值。为了避免UWB无线通信系统与频段范围内的其他窄带系统信号产生相互干扰，需要使UWB天线在这些潜在的干扰频段内产生阻抗。笔者设计并制作了一种新型的超宽带全向线天线，采用交叉闭合金属线增强天线的全向辐射特性，并提出了一种球形加载的天线结构，拟改善其阻抗特性。
1 超宽带天线的特殊要求
（1）确定的工作带宽范围。超宽带天线的带宽必须要恰好覆盖所需要的频谱范围，带宽不能过小，否则无法完全辐射和接收超宽带信号，带宽也不能过大易对超宽带系统中的其他部件产生干扰，影响整体的性能；（2）高效的带宽利用率。传统的宽带天线，在同一时刻，带宽的利用率低，只有一小部分被使用，而超宽带天线，要求同一时刻整个频段均被使用，以保证 信号的有效传送；（3）近似线性的相频响应。从频域角度来看，要保证信号的无失真传送，超宽带天线必须保证在频谱上的相频特性近似线性；（4）能量辐射指向性。对于不同应用场合下的天线，要求不同的辐射方向性能；（5）小型化。为了方便将天线集成在PCB板上，要求天线尺寸小，低剖面等，易于加工和制作，同时降低加工成本。这对超宽带终端设备而言，是一个必然的要求。
2 天线结构
如（图1）所示，天线由两组交叉闭合的金属线构成。金属线以轴线为中心，在空间每隔45°放置半径80 mm的闭合半圆，金属线直径3 mm。在金属环的下部加载一个半径为10 mm的金属小半球，天线通过直径为3 mm的同轴线馈电，馈电距离为0.8 mm。天线整体尺寸高约173 mm。
3 天线设计与仿真
天线模型的建立和辐射特性仿真用基于有限积分法的CST 软件完成，仿真频带为0～30 GHz 。仿真结果显示，在0.47 ～28 .4 GHz 频带内，天线驻波系数小于2。圆球加载结构改善了阻抗从馈电点到自由空间的圆滑过渡，驻波系数在工作频带内平滑，大部分小于1.5，显示出了优越的超宽带特性。
（图2）和）圖3）分别给出了天线E 面和H 面的辐射方向图仿真结果，频点为0.68 ，5，15 ，25 GHz 。仿真表明，天线的E 面最大辐射方向为水平方向，并在工作频带内保持不变。天线结构近似对称，表面电流也呈现对称分布，上下两个单元距离水平面上的点位置相同，其产生的辐射场因相位延迟相同而获得增强。H 面方向图保持稳定，不圆度小于5 dB。设计中采用的交叉线结构，很好地改善了辐射方向图的稳定性。闭合金属线等角度放置，使表面的电流在空间中呈轴对称分布，因而在远场的水平圆周内获得幅度近似相同的辐射场。
4 天线加工与测试
根据仿真模型尺寸，制作并测试了该新型天线。图4给出了天线的实物图，天线中部是用于固定的白色硬泡沫。在微波暗室中，采用安捷伦E8363 B矢量网络分析仪进行天线性能测试。（图5）给出了天线的驻波系数测试结果，结果显示，在0.45～28.4GHz频带范围内，驻波系数小于2，与仿真结果保持了较好的一致性。
不过，制作过程中的手工加工精度不够，造成天线变形，产生了低频下降（20 MHz）和高频恶化的现象。在宽带线天线领域，目前已知的较为优秀的天线是文献[4]中所提到的锥形天线。该锥形天线的高度为400 mm，在0.18～18 GHz 频带范围内，驻波系数小于2.5。与之相比，文中论述的线天线具有更宽的工作频带，并且频带范围内的驻波系数小于2。
5 结论
文中设计的新型超宽带全向线天线，交叉结构有效改善了水平全向辐射特性，圆球加载的结构有效改善了在工作频带内的阻抗匹配特性。测试结果表明，在0.45～28.4 GHz频带内，天线驻波系数小于2；在工作频带内，保持了稳定的水平全向辐射特性，H面不圆度小于5 dB。与现有天线相比，该新型线天线不但具有质量轻、风阻小和灵活的优点，而且工作频带宽，方向图稳定，在电磁环境监测等领域具有一定的应用价值。
参考文献
[1] 王志靠.热镀锌工艺在天线钢结构件表面防护上的应用[J].表面技术，2003，32（3）：62-65.
[2] 张林鹤.基于RFID技术的军事物流系统的构建[J].包装工程，2010 ，31（9）：134—137.
[关键词]UWB；线天线；交叉结构；全向辐射；仿真
中图分类号：G55 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）22-0013-01
引言
超宽带（Ultra-wideband，UWB）无线通信技术以其高速率、低误码率等优异特性在高速无线通信、雷达跟踪、测距、精确定位制导等领域得到了迅猛的发展，已经成为下一代短距离、高速率商用无线通信系统的研究热点。而天线作为无线通信系统的射频前端，其性能将直接影响通信的品质。因此，对于UWB无线通信系统而言，UWB天线的研究具有极其重要的现实意义和应用价值。为了避免UWB无线通信系统与频段范围内的其他窄带系统信号产生相互干扰，需要使UWB天线在这些潜在的干扰频段内产生阻抗。笔者设计并制作了一种新型的超宽带全向线天线，采用交叉闭合金属线增强天线的全向辐射特性，并提出了一种球形加载的天线结构，拟改善其阻抗特性。
1 超宽带天线的特殊要求
（1）确定的工作带宽范围。超宽带天线的带宽必须要恰好覆盖所需要的频谱范围，带宽不能过小，否则无法完全辐射和接收超宽带信号，带宽也不能过大易对超宽带系统中的其他部件产生干扰，影响整体的性能；（2）高效的带宽利用率。传统的宽带天线，在同一时刻，带宽的利用率低，只有一小部分被使用，而超宽带天线，要求同一时刻整个频段均被使用，以保证 信号的有效传送；（3）近似线性的相频响应。从频域角度来看，要保证信号的无失真传送，超宽带天线必须保证在频谱上的相频特性近似线性；（4）能量辐射指向性。对于不同应用场合下的天线，要求不同的辐射方向性能；（5）小型化。为了方便将天线集成在PCB板上，要求天线尺寸小，低剖面等，易于加工和制作，同时降低加工成本。这对超宽带终端设备而言，是一个必然的要求。
2 天线结构
如（图1）所示，天线由两组交叉闭合的金属线构成。金属线以轴线为中心，在空间每隔45°放置半径80 mm的闭合半圆，金属线直径3 mm。在金属环的下部加载一个半径为10 mm的金属小半球，天线通过直径为3 mm的同轴线馈电，馈电距离为0.8 mm。天线整体尺寸高约173 mm。
3 天线设计与仿真
天线模型的建立和辐射特性仿真用基于有限积分法的CST 软件完成，仿真频带为0～30 GHz 。仿真结果显示，在0.47 ～28 .4 GHz 频带内，天线驻波系数小于2。圆球加载结构改善了阻抗从馈电点到自由空间的圆滑过渡，驻波系数在工作频带内平滑，大部分小于1.5，显示出了优越的超宽带特性。
（图2）和）圖3）分别给出了天线E 面和H 面的辐射方向图仿真结果，频点为0.68 ，5，15 ，25 GHz 。仿真表明，天线的E 面最大辐射方向为水平方向，并在工作频带内保持不变。天线结构近似对称，表面电流也呈现对称分布，上下两个单元距离水平面上的点位置相同，其产生的辐射场因相位延迟相同而获得增强。H 面方向图保持稳定，不圆度小于5 dB。设计中采用的交叉线结构，很好地改善了辐射方向图的稳定性。闭合金属线等角度放置，使表面的电流在空间中呈轴对称分布，因而在远场的水平圆周内获得幅度近似相同的辐射场。
4 天线加工与测试
根据仿真模型尺寸，制作并测试了该新型天线。图4给出了天线的实物图，天线中部是用于固定的白色硬泡沫。在微波暗室中，采用安捷伦E8363 B矢量网络分析仪进行天线性能测试。（图5）给出了天线的驻波系数测试结果，结果显示，在0.45～28.4GHz频带范围内，驻波系数小于2，与仿真结果保持了较好的一致性。
不过，制作过程中的手工加工精度不够，造成天线变形，产生了低频下降（20 MHz）和高频恶化的现象。在宽带线天线领域，目前已知的较为优秀的天线是文献[4]中所提到的锥形天线。该锥形天线的高度为400 mm，在0.18～18 GHz 频带范围内，驻波系数小于2.5。与之相比，文中论述的线天线具有更宽的工作频带，并且频带范围内的驻波系数小于2。
5 结论
文中设计的新型超宽带全向线天线，交叉结构有效改善了水平全向辐射特性，圆球加载的结构有效改善了在工作频带内的阻抗匹配特性。测试结果表明，在0.45～28.4 GHz频带内，天线驻波系数小于2；在工作频带内，保持了稳定的水平全向辐射特性，H面不圆度小于5 dB。与现有天线相比，该新型线天线不但具有质量轻、风阻小和灵活的优点，而且工作频带宽，方向图稳定，在电磁环境监测等领域具有一定的应用价值。
参考文献
[1] 王志靠.热镀锌工艺在天线钢结构件表面防护上的应用[J].表面技术，2003，32（3）：62-65.
[2] 张林鹤.基于RFID技术的军事物流系统的构建[J].包装工程，2010 ，31（9）：134—137.