一種新型陷波特性超寬帶天線設計

胡帥江，王光明，張晨新，鄭 龍

(空軍工程大學導彈學院，陜西 三原 713800)

責任編輯:時 雯

近年來，隨著無線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，超寬帶(Ultra-wideband，UWB)天線以其具有傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低、抗干擾能力強等技術特點，使得它在雷達系統(tǒng)、通信領域、軍事等方面受到越來越多的關注［1］。超寬帶通信的頻段確定為3.1～10.6 GHz［2］，但隨著超寬帶通信頻段的重新劃分，原有的頻段與WIMAX增補頻段(基于IEEE 802.16標準)、5 GHz頻段無線局域網(wǎng)(HiperLAN)重疊的頻帶將不能使用，從而產(chǎn)生了問題。

為了降低系統(tǒng)之間的相互干擾、提高頻譜利用率，可以在系統(tǒng)的天線端加入陷波結構［3-8］。目前產(chǎn)生陷波特性的結構有多種形式，例如在貼片上加載縫隙結構或者在貼片上添加匹配枝節(jié)等，使超寬帶天線在相應的頻段內(nèi)具有較大的反射系數(shù)、出現(xiàn)“陷波”(帶阻)特性而呈現(xiàn)收發(fā)“鈍態(tài)”。因此，具有陷波功能的小型平面超寬帶天線已經(jīng)成為近年來的一個熱門研究課題。本文設計了一個具有雙陷波特性的超寬帶平面單極子天線。該天線的輻射貼片與接地板結構相似，通過在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側加載新型陷波結構分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz產(chǎn)生陷波。通過對加工好的天線進行測試，驗證陷波處天線的輻射效率和增益較低，形成帶阻，解決了UWB與WLAN，WiMAX之間相互干擾的問題。

1 天線的結構設計

設計的天線采用尺寸為24 mm×32 mm×0.508 mm、介電常數(shù)εr=2.2的羅杰斯5880作為介質板材料。天線采用50Ω阻抗匹配微帶饋電，輻射貼片與接地板結構相似，通過在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側加載新型陷波結構分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz產(chǎn)生陷波，其中U型縫隙長度近似為陷波處對應波長的一半，實現(xiàn)了UWB與WIMAX頻段和WLAN頻段的電磁兼容，天線正面、背面以及寄生單元結構如圖1a、圖1b、圖1c所示(其中深色部分為金屬)，用HFSS10對天線進行仿真優(yōu)化得天線的尺寸參數(shù)見表1。

表1 天線結構尺寸 mm

圖1 天線結構示意圖

2 天線陷波原理

從天線電流密度分布方面對3.5 GHz頻段處以及5.5 GHz頻段處的陷波特性產(chǎn)生的原因進行了詮釋，用HFSS軟件對天線加入縫隙結構和寄生結構前后的電流幅度分布進行仿真，結果如圖2所示。

圖2中，a圖為天線未加載縫隙時的電流分布，b圖為天線加載寄生單元等效結構時在5.5 GHz頻率處的電流分布，c圖為天線加載縫隙及寄生單元結構后在3.5 GHz頻率處的電流分布，d圖為天線加載縫隙及寄生單元結構后在5.5 GHz頻率處的電流分布。比較4幅圖可以看出，天線未加載縫隙及寄生單元時表面電流主要分布在饋線以及貼片與地面邊緣處，天線能正常輻射;天線加載縫隙后表面電流主要集中在縫隙附近，天線不能正常輻射，即在3.5 GHz處于陷波狀態(tài);天線加載饋線旁邊的寄生單元后5.5 GHz處的表面電流主要集中于單元上，天線無法正常輻射，加載寄生單元等效結構時也有類似的效果。

按照電路理論分析，加載縫隙相當于引入電感和電容的并聯(lián)電路，從而在原有的匹配電路中增加了一個并聯(lián)諧振點，造成阻抗不匹配，形成較大的反射系數(shù)，加載寄生陷波單元原理上相當于加載了對應頻率的濾波器，從而實現(xiàn)陷波，其等效電路如圖3所示，濾波器的諧振頻率點F可由式(1)大致得出，其中L為電感，C為電容。天線加載縫隙及寄生單元結構前后的阻抗變化如圖4所示，圖中，im(Z0)、im(Z0)分別表示天線加載陷波結構前的電阻和電抗，im(Z1)、im(Z1)分別表示天線加載陷波結構后的電阻和電抗。比較陷波結構加入前后的阻抗曲線可得，天線加載陷波結構后天線在陷波處明顯阻抗失配，這便是產(chǎn)生陷波的原因。

式中:c為自由空間中的光速;fb為陷波處的諧振頻率;εe為等效介電常數(shù)。

在圖1中，U型縫隙結構對應3.5 GHz陷波頻段，寄生結構單元對應5.5 GHz陷波頻段，兩結構之間基本無影響。其中調節(jié)縫隙的長度可以調節(jié)諧振點的位置，調節(jié)縫隙的寬度可以改變陷波頻段的寬度，縫隙越寬，陷波頻段越寬;而加載的寄生單元則比較難以調節(jié)，寄生單元的尺寸、位置以及其中金屬化過孔的尺寸和位置對陷波性能都有很大的影響，而且陷波結構尺寸與陷波頻率的數(shù)值對應關系還不是十分明確，將于下一步進行深入的理論研究。諧振點引入縫隙長度l的近似公式為

3 天線的仿真、測試與分析

用Ansoft HFSS10仿真軟件對加載陷波結構加入前后的天線進行仿真，并對設計的天線進行了加工和測試，天線加工實物圖如圖5所示。

圖5 天線實物圖

圖6給出了天線的S11曲線，其中包括加載陷波結構前、加載寄生單元等效結構、加載雙陷波結構及實測的S11仿真曲線。由圖可得天線加載寄生單元與寄生單元等效結構的仿真結果基本相近，雙陷波天線S11的仿真結果與實測結果基本一致，阻抗帶寬大于4.5∶1，加載縫隙后天線分別在3.3～3.8 GHz和5.2～5.7 GHz頻段處產(chǎn)生陷波，但是也伴隨著對通帶內(nèi)的回波損耗特性的小幅度影響。天線的部分頻段增益仿真結果如圖7所示，通帶內(nèi)增益基本大于5 dB，適用于移動通信，阻帶內(nèi)增益分別下降7 dB和3 dB，陷波抑制作用比較明顯。

圖8給出了天線加載縫隙后分別在3 GHz，6 GHz，9 GHz的方向圖仿真結果。從圖中可以看出，整個頻段GainPhi和GainTheta方向圖基本相似，這是由天線本身的結構決定的。隨著頻率的升高，天線主輻射方向的波瓣寬度逐漸增大，而且在整個頻帶范圍內(nèi)，天線的輻射方向圖基本一致，近似為全向輻射，滿足UWB天線在整個頻帶范圍對輻射方向圖的要求。

圖8 天線增益方向圖

4 結論

本文提出了一種新型雙陷波特性超寬帶平面天線，天線采用50Ω阻抗匹配微帶饋電，輻射貼片與接地板結構相似，尺寸僅為24 mm×32 mm，易加工且便于集成，設計的天線阻抗帶寬覆蓋了3～13.5 GHz的頻率范圍，帶寬比大于4.5∶1，且方向圖特性良好。通過在輻射貼片上加載U型槽以及在饋線一側加載新型陷波結構分別在3.3～3.8 GHz和5.3～5.6 GHz產(chǎn)生陷波，實現(xiàn)了UWB與WLAN頻段和WIMAX頻段的電磁兼容，并對陷波原理進行了理論分析。天線的理論計算結果、仿真結果和實測結果基本吻合，表明通帶內(nèi)天線的輻射效果良好，阻帶內(nèi)天線增益明顯下降，有效實現(xiàn)了陷波抑制輻射作用。

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