超寬帶(UWB)技術作為一種無線通信技術，在短距離室內高速無線通信方面也受到人們越來越多的關注。根據FCC規(guī)定，將3.1～10.6 GHz之間的7.5 GHz頻段分配給超寬帶通信業(yè)務使用。在超寬帶系統(tǒng)中，超寬帶天線是關鍵部件，因此，相當多的研究者致力于超寬帶天線的發(fā)展，以實現(xiàn)高的數據傳輸速率、低功耗、簡單的硬件結構，如射頻識別、傳感器網絡、雷達、定位跟蹤等。
近來許多研究集中在分形天線，分形天線的優(yōu)點如尺寸小、重量輕、厚度薄正好滿足手持設備的要求，采用分形概念是天線原理與設計很有前景的研究方向之一，許多研究者對分形天線做出了積極的研究，如帶有分形雙枝樹縫隙的雙波段開槽共面波導饋電天線，采用分形概念的樹形超寬帶天線和超寬帶杠鈴形天線，Sierpinski分形天線和snowflake分形天線等。這些天線通過采用不同結構的分形特性，能得到更好的阻抗匹配帶寬和輻射方向圖。
本文在超寬帶杠鈴形天線基礎上，提出了一種改進措施，從而獲得更好的阻抗帶寬，天線采用部分接地技術和分形概念。
1 天線結構設計
杠鈴形及改進的杠鈴形超寬帶天線結構如圖1和圖2所示，圖中給出了天線的頂視和側視圖，輻射單元長度為Wo，寬度為Lo，饋線寬度Wf，長度為Lf，輻射單元蝕刻在FR4基板上(厚度h=1.5mm，εr=4.4)，基板尺寸為Lsub×Wsub，天線背面有部分接地面，尺寸為Lg×Wsub。改進的杠鈴形超寬帶天線是在圖1結構基礎上蝕刻出臺階形缺口，對應缺口的尺寸為W1，W2，…，W5和L1，L2，…，L5，天線輻射單元位于x-y平面，輻射單元厚度方向對應x-z平面。
關鍵字：杠鈴形 超寬帶天線
2 天線仿真
按照圖1和圖2尺寸采用HFSS 10.0進行了仿真，回波損耗仿真結果如圖3所示。可以看出圖2的回波損耗低于圖1，圖2天線回波損耗小于-10 dB帶寬為72.6%(3.48～7.45 GHz);按照圖2結構加工出改進的杠鈴形超寬帶天線，饋電采用50 Ω同軸側饋，回波損耗實測結果如圖3所示，回波損耗小于-10 dB，帶寬為74.7%(3.45～7.56 GHz)。
圖4和圖5分別為圖1，圖2結構時天線在x-z，y-z平面方向圖(對應頻率4 GHz，5 GHz和6 GHz)，可以看出兩種結構的天線Eθ基本重合，而Eφ的大小在-20～-15 dB以下，從圖中可看出兩種結構天線方向圖基本一致。
從圖4和圖5方向圖可以看出，在z軸(θ=0°)和-z軸(θ=180°)近似為零點，而最大輻射方向不在θ=90°方向。
圖6為對應頻率f=4 GHz，6 GHz時的三維方向圖及加工的實物照片，頻率為5 GHz及4 GHz時方向圖相似，頻率為4 GHz時，增益為3.47 dB，頻率為6 GHz時，增益為3.15 dB。
3 結論
提出了一種改進的杠鈴形超寬帶天線，通過在杠鈴形天線上增加階梯形缺口，使天線回波損耗更小，而天線方向圖與原杠鈴形天線基本一致，實測結果表明，改進的杠鈴形超寬帶天線回波損耗小于-10 dB，帶寬達74.7%(3.45～7.56 GHz)。