一種基于微帶槽天線的帶阻性UWB天線的研究

曹瓊瓊， 單志勇

(東華大學 信息與科學技術學院，上海 201620)

0 引言

隨著無線通信的快速發展，對無線通信的容量以及傳輸速率提出了越來越高的要求。超寬帶(UWB,Ultra-wide Band)就是一種能實現設備之間高速互操作的無線通信技術。它使組建高速無線個人局域網(WPAN)，實現無線局域網[1]和個人局域網無線互聯接入成為可能。隨著UWB技術的發展，UWB天線的設計和研究成為天線與電波傳播領域的一大熱點[2]。

一般來說，微帶天線[3]是窄帶天線，實際上可以采用多回路、分層結構、刻槽等技術展寬微帶天線的頻帶寬度。文中所設計的天線是帶有開槽的雙貼片微帶天線，它比單貼片天線更具優勢。因為它造出一段很長的輻射電流通路，從而產生很多個頻率較低的諧振頻率點，使天線的工作帶寬變得更寬，從而達到 UWB天線的設計標準；再加上該天線采用了漸變結構，與傳輸線達到良好的調配效果，讓S11參數在很大的一段頻率范圍內小于-10 dB。所以，它能比單貼片天線的帶寬大上10倍以上。

1 具有帶阻性能的UWB天線的模型

這里研究的天線把著眼點放在整個 3.1～10.6 GHz頻段上[4],選用了一種微帶饋電的小型平面超寬帶天線。該天線類似一般的微帶槽天線[5-8],為了獲得超寬帶的頻率特性，天線的微帶饋電單元采用了漸變結構的圓弧形調諧枝節，金屬地板則設計成對稱的多邊形結構。該天線是建立在介電常數為4.4的Arlon CLTE/LC (tm)的介質基板上，因為W=λ/2，λ=c/f，f至少應在3.1～10.6 GHz的范圍內取值，取f=300/48=6.25 GHz,恰好近似等于該頻段的中心頻率 6.85 GHz，則W=24 mm,L=W=24 mm，h＜＜λ取為 1.5 mm。所以大致確定了該天線的大體尺寸為（W=24 mm，L=24 mm，h=1.5 mm）。由此，選用了如圖1所示的天線結構。天線制作在相對介電常數為4.4，厚度為1.5 mm，損耗角正切tanδ≤0.001的聚四氟乙烯基板上。

該天線采用了較為光滑的圓弧形漸變結構，使得負載阻抗能夠在一個比較寬的頻帶上與饋線的特性阻抗[9]相等，處于良好的調配狀態。此外，在它的中心位置還開了一小段圓弧狀的阻帶縫隙，能夠比較有效地阻隔民用頻帶范圍（WLAN，5.15～5.25 GHz，5.25～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz這 3個100 MHz頻段），避免了兩者之間的干擾。

圖1 天線結構示意

圖1中的參數：L=24 mm，W=24 mm，h=1.5 mm，Wf=3 mm，e=6.5 mm，d=1 mm，L2=2 mm，r1=6 mm，W2=12 mm，r3=3 mm，r4=3 mm，r5=2.5 mm，s= 0.15 mm，L1=5 mm，W1=22 mm，r2=3 mm。

圖2 用 HFSS軟件構建的天線模型

2 仿真結果

2.1 S11參數頻響特性曲線

如圖3所示，在2.9～10.81 GHz范圍，回損S11滿足超寬帶天線的基本要求[10]（-10 dB以下）。同時，該天線具有一定的阻帶，能夠濾除民用頻段范圍，有效的防止兩段頻段之間的干擾。這可以通過調節天線前端那個阻帶縫的位置和大小來調節所要濾除的頻段范圍。在目前設定的參數下，它濾除了8.90～9.45 GHz這一小段約0.55 GHz寬度的頻段（從圖3中可以看出實際上要超過這個數），雖然不滿足規定的要求，但足以說明它完全具備了濾除民用頻段WLAN包含在超寬帶UWB范圍內的那一小段頻段的能力（3段合在一起的頻段范圍在5.15～5.825 GHz，帶寬等于0.675 GHz）。此外，其在超寬帶頻帶范圍并沒有出現偏離標準的頻帶存在。

圖3 回損S11參數頻響特性曲線

2.2 Z阻抗參數頻響特性曲線

如圖4所示，在UWB的頻段范圍內，該天線的負載電阻RL基本上在50 Ω左右進行徘徊變化，該天線的Z阻抗參數頻響特性曲線在超寬帶所要求的頻段上變化顯得幅值擺動幅度較小，所以它的調諧度更好。同理，該天線的負載電抗XL也基本上在0 Ω左右進行徘徊變化。從而看出該天線總體上處于諧振狀態，從而使其能與饋線的特性阻抗Zo起到良好的調配作用。

圖4 Z阻抗參數頻響特性曲線

2.3 極化態軸比AR參數頻響特性曲線

該天線具有足夠大的軸比AR，如圖7所示，說明此天線的極化態屬于線極化波，符合 UWB天線的極化形式要求，且該天線輻射與接收線極化來波的能力更強。在作為發射天線時，它能完全發射線極化的電磁波，而輻射圓極化態或者橢圓極化態的電磁波則要損失一半的功率；在用作接收天線時，同理可知，它能完全接收線極化態的電磁波，而在接收圓極化態或者橢圓極化態的電磁波時則要損失一半的功率。此外，可以發現：隨著頻率f的變小，天線的極化性能越好，即對線極化來波的接收或輻射作用效果越好，這就有效的防止了橢圓或圓極化來波對其進行的電磁干擾作用。

圖5 極化態軸比AR參數頻響特性曲線

2.4 駐波比VSWR參數頻響特性曲線

如圖6所示,該天線在9.51～10.57 GHz具有一定的阻帶。因為從而天線的駐波比頻響特性曲線與天線的負載反射系數 S11頻響特性曲線實際上是等同的，ρ的取值范圍為1-+∞，其中ρ越接近 1，天線負載阻抗與饋線特性阻抗處于良好的匹配狀態，此時微帶饋電線工作于接近行波狀態，來波的功率能夠完全或者盡可能大的被天線負載所吸收，從而信號功率能夠最大限度的被天線輻射出去或者接收進來。

圖6 駐波比VSWR參數頻響特性曲線

2.5 輻射方向圖

通過對圖7的觀察可知，該天線的波瓣圖變化不很明顯，隨著頻率f的增加，只是天線的增益在急劇增加，這是由于輻射頻率越高，輻射強度越強的緣故；波瓣圖方面，E面（即θ方向）的波瓣只是變得越來越窄而已，只有H面（即φ方向）的波瓣形狀在7～9 GHz之間有比較明顯的變化，波瓣的上半部分有向下半部分壓縮的趨勢。

圖7 具有帶阻性能的UWB天線的方向

3 結語

通過高頻電磁仿真軟件（HFSS）進行仿真，結果表明該天線對特定的民用頻率范圍有一定的濾除作用，阻抗帶寬為7.5 GHz，即電壓駐波比VSWR在3.1～10.6 GHz頻段上小于2，具有良好的方向圖特性。此外，調諧性能和輻射頻率的增高是以犧牲軸比 AR為代價的，這勢必會帶來一個比較現實的問題：天線的帶寬逐漸增寬，但天線的極化軸比卻在不斷的減小，當達到一定程度的時候，必將避免不了橢圓或圓極化波對其產生的干擾作用。隨著時代的發展，如何尋求帶寬增大與軸比卻不斷減小的事實之間一種合適的解決方案，勢必日益會提升到天線及射頻工作者所要研究問題的日程中來。該天線結構簡單,性能良好,是現代社會不可或缺的無線電工作手段之一。

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