紧凑型弯曲半圆盘单极UWB天线外文翻译资料

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紧凑型弯曲半圆盘单极UWB天线

aAhmed Abdelraheem and Mahmoud Abdelrahman Abdalla

摘要：本文介绍了一种改进的小型半圆形单极子超宽带（UWB）天线。这种小型天线的尺寸（4.3cmtimes;3.4cm）与典型的共面波导（CPW）圆形单极天线尺寸（5.5cmtimes;4cm）相比有较大优势，同时所提出的天线被证明完全具有UWB通信性能。天线匹配8.4 GHz以上带宽（2.2-10.6 GHz），反射系数小于-10 dB。通过VSWR的仿真和测量验证匹配带宽。通过辐射效应证明了频带上的有效功率辐射，辐射效率在不低于81％。通过以下几点研究全方位特性，首先，测量三种不同配置的传递函数幅度，面对面，面对边和边对边（不同方向的所有频率），其次，在三个选定的跨越带宽的频率下测量辐射图（所有方向在不同频率）。通过对时间响应的详细研究证明了脉冲为0.25ns的全向性。衡量天线传递功能主要是对其幅度和相位的测量。然后，在提出的UWB天线的UWB系统的终端处应用满足FCC所限制的脉冲。 最后，将几乎不失真的归一化的输出脉冲与输入脉冲进行比较。

关键词：光盘单极UWB，紧凑型弯曲，半圆形，时间响应，基带窄脉冲

1介绍

在过去十年中，随着高数据速率应用程序，低功耗的通信以及雷达系统的需求越来越高，超宽带（UWB）系统的需求也越来越高。 联邦通信委员会（FCC）对3.1-10.6GHz频带的 UWB应用程序提出[1]：天线本身对该技术的要求是具有匹配宽带阻抗，效率高，具有频带上的全向辐射特性，和能够支持覆盖在特定频带上的窄脉冲的时间响应。

满足这些天线的要求可概括为：（1）良好的天线匹配 - 在高UWB频率下具有稳定的模型和非降级的天线效率，（2）天线时间响应使其能够保留较窄的时域脉冲（宽谱脉冲）形状，直到达到传播信道。这些天线的要求必须通过简单，低成本和低轮廓的结构来达到，这对于通信天线是优先选择的。

针对于可以在UWB频率下服务，同时可以方便地安装在小型通信设备平台中的小型化输出天线，特别是手持式的。平面单极天线是很好的候选人，用于共面波导（CPW）和微带馈电配置中的UWB天线。在不同的单极形状中，圆形单极圆盘天线对于满足上述典型的UWB天线要求是非常好的选择[2-9]。此外，地面整形适应是适应辐射模式的附加路径[10]。同时，国际最重大的趋势是获得紧凑型天线而不是大型天线，这方面的例子是[11-15]。

CPW结构具有许多有吸引力的特征，如它们简单，廉价的制作程序，简明的系列和分流连接。此外，有源元件具有平面结构性质，因此可以轻松连接其他CPW配置。

在本文中，引入了紧凑型CPW馈电修改的半圆形单极天线，以覆盖2.2-10.6 GHz的带宽。通过将天线性能与其完整版本的典型圆形天线相同的带宽进行比较，实现了所需天线的主要紧凑度目标。除了设计的天线紧凑性之外，其辐射图和辐射效率特性被精心保留在由FCC规定的频带上并延伸到x频段的末端。 此外，基于电磁全波模拟和对设计天线特性的实验测量，引入了综合的频域和时域研究。

本文的组织结构如下：第二部分设计详细讨论天线; 介绍了具有完整尺寸的布局。此外，提出了传统的CPW圆形单极子分析用于与所提出的天线进行比较。在第三节，讨论了所提出的天线的制造，提出了模拟和测量VSWR的结果。提取模拟电流分布，以确保天线在频带上的稳定性能。提出了模拟和测量的辐射图，并进行了比较，以确认天线的稳定性能。提取和计算模拟辐射效率，以确保频带上的有效辐射。在部分四，对天线的时间响应进行了严格的调查。测量天线传输功能的实验设置采用不同的天线方向进行。首先，将第一阶瑞利脉冲应用于系统传递函数，并测试接收天线端子处的色散。

2天线设计

具有良好匹配性能的UWB单极天线的设计有几种方法[16]。一种方法是基于扰乱在天线结构中形成的电磁共振。这可以简单地通过增加衍射边缘来扩大谐振峰值来实现。这种方法受到导致图案变窄和多个辐射波瓣的高阶模式的激发的限制。另一种方法是仅允许一个辐射区域。 该区域尺寸比波长小得多。这可以通过利用吸收负载或通过减少衍射边缘来实现。 在实际中，这可以通过使用光滑的圆形边缘而不是锋利的边缘来实现。作为这种类型天线的限制因素，天线的增益和其模式格局是相对依赖的。一方面应该认真考虑进行匹配，另一方面保持格局和天线增益的权衡。

所提出的天线设计一方面达到了一个很好的妥协，另一方面保持了模式和辐射效率。 此外，与典型的CPW圆形单极天线相比，所提出的天线减小了33.5％的尺寸天线设计从典型的CPW圆形单极天线开始，在[17]中进行了深入的研究和分析。 典型的CPW圆形单极天线的布局如图1（a）所示。 这种圆形单极天线具有50 V CPW馈电传输线，W = 2 mm，中心带宽度，G = 0.25 mm，中心带与接地层之间的间距，FR-4基板（er 4.4和厚度 H = 1.6mm）。17]中提出的典型的CPW圆形单极子引入了匹配带宽， 跨越分配给具有0.25l1的光盘直径的UWB应用（3.5-10.6 GHz）的整个FCC带宽，其中l1是对应于第一共振频率（不同频率的不同单极子）。图2示出了在FR-4基板（1.6mm厚度和er 4.4）上设计的典型CPW圆形单极天线的模拟反射系数。 从图中可以看出，第一次谐振发生在3.6GHz，表示圆盘直径为0.24l1（20.2mm）的CPW圆形单极天线。 这里应该注意的是，选择具有最接近的第一共振频率的典型单极子作为所提出的天线，以建立合理的比较。

为了减小圆形单极天线的尺寸，并保持单极辐射器的平滑圆形衍射边缘，使天线辐射器成为如图1（b）所示的没有锋利边缘的弯曲半单极天线，建议。详细的设计是通过对单稳态进行强烈优化而实现的。 很明显，与典型的圆形天线相比，整体天线尺寸（3.4times;4.3 cm2）有了33.5％尺寸的缩小。

图1（a）典型的圆形单极UWB天线的布局和（b）所提出的弯曲半圆形单极UWB天线

图2 典型的圆形单极天线的全波模拟结果

3天线分析

制造天线的照片如图3（a）和3（b）所示。 如图所示，通过数字游标卡尺（4.4times;3.45cm2）测量整个天线尺寸。 通过使用铜蚀刻铜金属化来去除所使用的FR4基板的两侧上的金属化的不需要的屏蔽部分，进行天线配置制造工艺。

3.1天线匹配

通过VSWR研究了所提出的UWB天线的匹配性能。 这是通过全波模拟完成的，并通过实际测量证实。所提出的紧凑型半圆盘单极天线的全波模拟和测量VSWR如图4所示。很明显，除了在7 GHz的测量的VSWR中的小峰值之外，模拟和测量的VSWR在2.2 GHz至10.6 GHz频带内都低于2。这可以称为制造缺陷或在测量环境中的潜在误差反映。除了上述不匹配之外，可以观察到测量和模拟结果之间的良好一致性。

3.2辐射空间特征

如果天线在整个有益的频带内显示稳定的特性，则UWB性能得以实现。 天线将在整个频带上保持全向辐射图的线索可以从频带内的不同频率的天线电流分布推导出来。模拟电流分布已经在3.1,5.1,7.1和9.1GHz的频率下被提取，如图5所示。图5（a）示出了在3.1GHz的一次谐波处的电流分布。 在5.1GHz，图5（b）示出了二次谐波。 分别在图5（c）和5（d）中的7.1和9.1GHz的电流分布描述了三次谐波和四次谐波。

在图6中，以相同的频率提取模拟的三维（3D）辐射图。 根据图5和图6，下面的说明是显而易见的。 在低次谐波时，单极子作为振荡单极子。驻波的特点占主导地位；如图6（a）所示，3.1GHz的辐射图具有理想环形的形状。 在二阶谐波处，两个小峰出现在半圆盘中。 那些电流峰值迫使辐射图在phi; =45度角的方向上膨胀，如图6（b）所示。 在三阶谐波处，行波特征开始出现，半圆单极中的三个峰值电流在phi; = 45°处图形显著凸出，并且图形在（phi; = 90°，theta;= 45°）处明显收缩，如图6（c）中所示。在四阶谐波下，驻波和行波特征明显不同; 半圆形单极子中的四个电流峰值在这些频率上更加显著和可分离，但是该模式仍然保持全向特征。 那些当前的峰值使辐射图案严重变形。 从图6（d）可以看出，辐射图在phi; = 30°处凸出并且在phi; = 90°时显示出有小节点，从图6（d）可以看出，在phi; = 45°时。 虽然在这些频率下在3D模式中存在变形错位，但是图案仍然保持着不同的方向性。

为了验证和进一步演示辐射图在不同频率下的全向性，将模拟和测量的二维的辐射图绘制在两个垂直平面（E平面（XZ）和H平面（ YZ）），如图7所示。

到目前为止，设计的天线的UWB性能在回波损耗和有益的频带上的辐射模式已经被证明。 为了完成所提出的UWB天线的研究，已经研究了辐射效率。 图8显示了频带上的模拟辐射效率。辐射效率在2.2 GHz时约为95％，而在10.6 GHz时，辐射效率可以缓慢降低至不小于81％。 在整个频带上提取的平均天线增益几乎在3dB左右恒定。 这些结果表明，天线能有效地辐射到可达频带上。

图3 通过数字游标卡尺测量制造的UWB天线的照片（a）宽度和（b）长度

图4.拟议天线的测量和模拟VSWR

4天线时间响应

在本节中，提出的UWB天线的时间响应被证明能够支持窄脉冲覆盖定义的FCC频谱以用于UWB应用。为了实现该目的，已经制造了两个天线作为发射和接收天线。对于不同的天线方向，测量从一个天线到另一个天线（S 21）的距离为120cm的传输系数，以表示系统传递函数（幅度和相位）。 一阶瑞利脉冲最适合FCC掩模的发射限值[18]。所使用的覆盖UWB FCC带宽的一阶瑞利脉冲（alpha;=45 ps）表示如下。

(1)

其中，a是ps中的脉冲参数，t是以ns为单位的时间。

将所选择的脉冲应用于系统传递函数，并计算系统响应，然后通过卷积处理通过系统传递函数（S 21），并经历了在整个频带上暴露于传递函数的相位变化。 然后在接收天线端子处示出输出脉冲，以查看原始输入脉冲的距离为了能够在瑞利脉冲和系统传递函数之间进行卷积处理，必须首先通过反傅里叶逆变换（IFFT）将其转换到时域。

在解释系统相对于输入脉冲的行为之前，将要研究系统传递函数，首先，用于对幅度响应和相位响应的呈现。 此后，脉冲将被应用于系统传递函数，并且将根据系统传递函数调查来呈现和解释输出脉冲。

用于测量传输系数的实验装置（S21）由先前设计的UWB天线的两个相同模型组成，分隔120厘米的距离，并连接到2端口矢量网络分析仪的端口。

对于相对于彼此的面对面，面对边和并排的天线取向进行了三种配置，并且对于每种配置，测量其透射系数（S 21）。

首先，对系统的幅度响应进行调查。 系统传递函数的测量幅度如图 9所示，为三种设置配置。从图9可以看出。在6GHz以上，三个天线方向的传递函数的幅度几乎相同，这是可以从特定频带中较低频率的频带的良好全向特性预期到的逻辑结果。在频带的上端，传输函数的微小差异明显。 同样，这个逻辑结果，可以从图像上端完美全向形状的方向图形变化中看出。然而，考虑到传递函数的结果（全频率和不同方向的幅度），并且还考虑了整个频带上的模拟和测量的辐射图（所有取向和不同频率的辐射特性），所提出的天线可以保证保持在全频带上良好全方位特性。 这些结果保证了传输窄脉冲（涵盖由FCC定义的频带）良好的空间辐射特性。

其次，要研究系统的相位响应，因为其非线性对时域中的脉冲的失真负有很大的责任。 系统传递函数在整个频段的测量相位如图1所示。 为了使相位响应的非线性行为易于检测，相位的值被展开。从图10可以看出，除了使相位变化不是完全线性的轻微的非线性行为之外，线对相位变化几乎保持在面对侧和并排配置的整个频带上。 另一方面，面对面配置显示了从7 GHz的线性行为偏离，直到从2到7 GHz的轻微的非正常行为的带的结束。

基于以前的结果，可以预期的是：首先，在面对面和并排配置的情况下，系统对输入脉冲的响应几乎相似。其次，从另外两种配置的面对面配置的情况下，系统对输入脉冲的响应不同。第三，总的来说，接收到的脉冲预期会保持其形状，但是由于传递函数相位响应中的先前描述的非线性，它将受到振铃。此外，在面对面配置的情况下，这种振铃效果预计将更加明显。这是由于在带的上端出现的线性行为的偏离。具体来说，从7到11 GHz，偏离线性行为是显而易见的。虽然面对面和并排配置相位响应几乎相同，但是通过7.5-11 GHz频段存在明显的差异。这种差异使面对面配置阶段的响应稍微偏离线性行为。为此，可以参考“面对面”和“并排配置”的脉冲之间的不完全相似性。

现在，将瑞利脉冲应用于测量的系统传递函数。 如果在时域中所选择的脉冲为f（t），并且定时域中的系统传递函数为h（t），则接收天线r（t）的终端处的接收脉冲通过卷积处理计算，如表达式 ：

r(t)=f(t)times;h(t) (2)

卷积过程使用MATLAB代码数字执行。 接收的脉冲然后在图1中示出。 图11示出了针对三个测量的不同设置配置的通过系统的归一化测量输出脉冲。

值得提及的是，对于每个信号，已经对其最大值进行了脉冲的归一化。 这种归一化的目的是为了在时域中脉冲形状之间的脉冲比较，而不管在从发射天线的终端到接收天线的终端的路径期间每个脉冲遭受多少衰减。

根据之前对三个设置配置系统的相位响应的分析，测量的输出脉冲的形状可以解释如下：

首先，对应于三种配置的三个脉冲保持以5ns为中心的瑞利脉冲的原始形状，彼此完全一致并且是原瑞利脉冲。 提到原瑞利脉冲，应该指出理想的脉冲是一个具有相同形状的脉冲，而没有振铃效应。 第二，由于三种配置的系统的相位响应有轻微的非线性变化，如图1所示，

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