一種雙陷波超寬帶天線設計與研究

施榮華 徐 曦 董 健

(中南大學信息科學與工程學院 長沙 410075)

1 引言

自從美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)將超寬帶(UltraWide Band, UWB)應用于商業領域[1]，工作頻率為3.1~10.6 GHz的通信系統得到了大力的發展。在超寬帶系統中，超寬帶天線[2-5]是重要的組成部分和研究熱點。從發展趨勢來看，超寬帶天線要求在極寬的頻段內有良好的全向輻射特性，并能夠高效地進行輻射。然而，超寬帶通信系統的工作頻段覆蓋了其它的窄帶通信系統頻段，如 3.3~3.6 GHz的無線城域網(WiMax)頻段和5.1~5.9 GHz的無線局域網(WLAN)頻段。這些窄帶通信系統的存在會對超寬帶天線的工作產生一定的干擾。為了抑制這些干擾，可以在超寬帶天線的基礎上引入一種陷波結構，使天線成為具有頻帶阻隔效應的陷波天線，這種天線最早由美國的 Schantz等人[6]在 2003年提出。

具有陷波特性的超寬帶天線能夠通過多種不同的結構加以實現，如在天線結構中引入寄生單元[7,8]，采用分形結構[9,10]，加入調諧枝節[11,12]，開槽[13-16]等。其中在輻射貼片或者接地板上開槽的方法應用最為廣泛。開槽結構的陷波天線結構簡單，并且在整個頻帶內阻抗匹配影響不大。一般的開槽方法是將槽口開成線形，即槽口寬度很小，通過改變槽口長度來調節陷波特性。而線形槽的形狀多種多樣，如直線形、U形、V形等，無論形狀如何變化，都是將天線的表面電流進行了改變，從而形成陷波特性。文獻[13]中提出了一種在矩形的支節上開V形槽以實現陷波特性的超寬帶微帶天線，該天線結構簡單，并且具有良好的輻射方向性。而在文獻[14]中，除了在輻射貼片上開一個 C形槽外，還在接地板上開出一個細長的縫隙，形成一種組合的陷波結構，產生的阻帶陡度更陡峭，帶寬更寬，具有良好的陷波特性。但以上兩種設計中，并沒有引入實現多頻率覆蓋的多陷波結構，不能同時避免來自不同通信系統的干擾。文獻[15]通過在貼片饋線上開出兩個環形的細槽實現了雙陷波特性。而文獻[16]則通過在貼片上開出兩個L形槽和一個E形槽，在天線背面添加一個V形支節實現雙陷波特性。這些天線能夠在阻帶上實現良好的陷波功能，且在各個通帶都具有良好的輻射特性。但在這些設計中，天線只能通過改變槽的長度來控制陷波的范圍，這使天線在調整陷波中心頻率時方法非常單一。

本文提出了一種在輻射貼片上開圓弧狀H形槽和在接地板上開L形槽來實現雙陷波特性的超寬帶天線。通過改變圓弧狀H形槽中的一個或幾個參數，對陷波的中心頻率進行控制，這使天線在控制陷波范圍時有了更多的選擇。同時在接地板上開出兩個L形槽以使天線具有雙陷波的功能，擁有兩個阻帶。仿真和實測結果都證明該天線具有良好的雙陷波特性，能夠在超寬帶頻帶內避免諸如WiMax, WLAN以及其它窄帶通信系統的干擾。同時在通帶內，該天線具有良好的輻射方向特性以及穩定的增益。上述特性使該天線具有很好的應用價值。

2 天線結構和設計原理

超寬帶天線的結構如圖1所示，該天線印制在厚度為1.6 mm，相對介電常數為4.4的FR-4板上。天線的正面是一個圓形的輻射貼片，由50 Ω的微帶線進行饋電。天線背面的接地板形狀經過了如下改造[2]：切除矩形接地板上方的2個邊角，在板上開2個對稱的矩形槽，切除接地板下方2個矩形使接地板成T字形。在接地板上采用這樣的形狀能夠很大程度地增加天線的工作帶寬，減小回波損耗[2]。超寬帶天線的尺寸由表1列出。

圖1 超寬帶天線結構示意圖

表1 超寬帶天線參數尺寸(單位mm)

上述的超寬帶天線沒有引入陷波結構，沒有陷波特性，因而無法避免來自超寬帶頻帶上其它系統的干擾。為此，本文在此超寬帶天線的基礎上，引入雙陷波結構，使天線能夠在超寬帶頻帶內產生 2個阻帶。如圖2所示，在天線的圓形輻射貼片上開一個帶圓弧狀的H形槽以形成陷波結構，同時，在接地板上開出2個總長度都為l，槽寬度都為0.2 mm的L形槽，引入另一個中心頻率不同的陷波。對于在接地板上所開的槽，根據半波長諧振結構的原理，應該將槽的長度設置為相應陷波中心頻率對應波導波長的一半。相當于引入了相對應頻率點的陷波器。當天線在這一頻率附近進行工作時，表面電流大量集中在槽口附近，造成阻抗失配，從而形成陷波。陷波中心頻率與槽長度的關系用式(1)表示為

圖2 雙陷波超寬帶天線結構示意圖

式中fnotch為形成陷波的中心頻率，c為光速，由于產生陷波的L形槽有2個，因而L為2個L形槽長度l的和，εeff為根據工程需要所設定的有效介電常數。假設εr為介質的相對介電常數，其計算方法如式(2)所示：

另一個產生陷波的圓弧狀H形槽結構雖然在形狀上有變化，但其原理同樣是通過改變天線的電流分布，達到陷波的目的。不同于線形槽只通過改變槽長度來改變陷波中心頻率，圓弧狀H形槽擁有多個能對陷波范圍產生影響的參數，相關的參數研究將在下一節進行分析。

3 實驗結果分析

3.1 圓弧狀H形槽的參數研究

為了使天線具有陷波的功能，在圓形的輻射貼片上開出一個圓弧狀 H形槽。以覆蓋工作頻帶為3.3~3.6 GHz的WiMax應用為目的設計陷波結構來對該槽進行設計。圓弧狀H形槽的設計參數如圖3所示，RH表示外圓弧的半徑大小，LH0表示內外圓弧的半徑之差，LH1表示連接兩弧之間槽口的寬度，α表示弧形與水平線的夾角。

圖3 圓弧狀H形槽的參數

在進行參數研究之前，利用電磁仿真軟件Ansoft HFSS對天線的表面電流分布進行了研究：在通帶天線表面電流分布平均，而在阻帶天線的表面電流集中在圓弧狀H形槽附近。這表明圓弧狀H形槽結構能夠通過改變天線的表面電流分布，形成諧振結構，使天線實現陷波功能。通過多次仿真計算，將槽的各個參數大致確定，對參數的值在小范圍變化中進行優化設計。如圖4所示，在其它參數不變的情況下，槽的各個參數對陷波中心頻率的位置有著大小不一的影響。在圖4(a)中，參數RH的取值分別為7 mm, 8 mm, 9 mm，當RH的值在2 mm的范圍內逐漸增大時，可以看到陷波明顯地向低頻位置移動，由4.5 GHz下降到3 GHz附近。在圖4(b)中，參數LH0分別取值2.2 mm, 3.2 mm, 4.2 mm，可以看到，在變化上限同樣是2 mm的情況下，參數對陷波位置的影響很小，陷波中心始終在3.8 GHz附近。在圖 4(c)和圖 4(d)中，分別對參數LH1和夾角α進行不同取值的仿真。參數LH1的變化范圍在2 mm內，而陷波中心頻率受其影響由4.5 GHz下降到 3.8 GHz。對夾角α進行不同的取值分別為π/ 6,π/ 4和π/3，結果顯示，陷波中心頻率隨著夾角度數增大，由4.5 GHz下降到3.6 GHz。從圖4(c)和圖 4(d)可以看出，參數LH1和夾角α對陷波中心頻率有較大的影響，但影響程度不如參數RH。最終，通過仿真將參數設定為：RH=8 mm,LH0=3.2 mm,LH1=2 mm,α=π/ 3。

圖4 圓弧狀H形槽的參數研究

從以上的參數研究中，可以得出圓弧狀H形槽各個參數對陷波中心頻率的影響程度，從而得到結論：圓弧狀H形槽中多個參數都對陷波中心頻率有較大影響。所以圓弧狀H形槽的特性是調整槽中的一個或幾個影響較大的參數將陷波控制在理想的位置，并通過調整影響較小的參數對陷波中心進行微調，使中心頻率的位置更為準確。相對于線形槽僅能靠改變槽長度來控制陷波位置，圓弧狀H形槽結構的優勢在于能夠以槽參數組合的形式來達到此目的。顯然，這樣的陷波結構更加靈活，更能夠適應實際生產和應用的需要。

3.2 天線的陷波特性分析

在輻射貼片和接地板上開槽之后，超寬帶天線具備了雙陷波特性。經過對槽口參數的設定，將陷波的中心頻率設置為3.6 GHz和5.6 GHz，從而就能避免來自WiMax以及WLAN系統的信號干擾。如圖5所示的天線回波損耗圖中可以看出，在加入了雙陷波結構之后，天線在2個頻帶擁有了陷波的功能。

圖5 雙陷波超寬帶天線的回波損耗

為了更好地解釋該天線產生陷波的原因，圖 6顯示了天線在頻帶內的輸入阻抗曲線。從圖中可以看到，天線的輸入阻抗在兩個陷波頻帶發生了劇烈的變化：阻抗實部遠大于50 Ω，阻抗的虛部脫離了原來0 Ω的范圍。從中可以得到的結論是天線的電抗曲線在這兩個頻帶呈現為并聯諧振電路特性，天線呈現出陷波的特性。

圖7為天線的等效電路圖。在天線中引入了陷波結構，等效于在電路圖中增加了兩個諧振枝節。結合圖6中的天線阻抗曲線，可以理解為這兩個諧振枝節的存在相當于電路中串聯了兩個 LC并聯諧振電路。同時需要將兩個并聯諧振電路的諧振頻率設定在3.6 GHz以及5.6 GHz附近。這兩個諧振枝節在兩個陷波頻帶時分別產生諧振作用，導致天線無法正常地接收信號，避免來自其它通信系統的信號干擾。

圖6 雙陷波超寬帶天線的輸入阻抗

圖7 雙陷波超寬帶天線的等效電路圖

3.3 實測結果分析

根據仿真計算對天線各個參數進行優化選擇之后，選擇合適的材料制作了天線實物。天線的基板采用介電常數為4.4的FR-4板，利用50 Ω的帶法蘭頭轉接器作為饋電接口，天線實物的尺寸為35.5×30.0×1.6 mm3。利用矢量網絡分析儀對天線實物進行了測試，天線的回波損耗如圖8所示。從圖中可以明顯地看出，實測結果與仿真結果十分接近，天線在3.6 GHz和5.6 GHz頻帶附近產生陷波，達到了設計的目的。造成實測結果與仿真結果的細小差別的原因可能是制造精度的不足或天線轉接頭的接觸問題。

天線的增益經過實測在圖9中顯示。從圖中可以看到，天線在超寬帶頻帶中的通帶內增益穩定在3~5 dBi之間，而在兩個產生陷波的阻帶內增益有明顯下降，最多下降到-5 dBi附近。從增益的角度來看，該天線在通帶內有良好的增益，能夠穩定地工作，而在阻帶范圍內無法正常工作，從而避免了來自其它系統的信號干擾。

從應用的角度看，超寬帶天線在具備陷波功能的同時，需要在通帶具備全向的輻射特性。圖10展示的是天線在3個通帶(2.9~3.3 GHz, 3.8~5.1 GHz,6.0~10.6 GHz)中某頻率點的輻射方向圖的仿真分析結果。從圖中可以看出，輻射方向圖在 E面(yz-平面)呈現的形狀為一個較寬的“8”字，而在H面(xz-平面)近似為一個圓形。這個結果表明，該天線在3個不同的通帶都具備良好的輻射方向特性，能夠滿足超寬帶通信系統的工作要求。

圖8 雙陷波超寬帶天線的實測結果

圖9 雙陷波超寬帶天線的增益

圖10 雙陷波超寬帶的輻射方向圖

4 結論

本文提出一種具有雙陷波特性的超寬帶天線，能夠在超寬帶頻帶內穩定工作，并屏蔽來自WiMax和WLAN等窄帶通信系統的信號干擾。該天線的陷波結構由輻射貼片上的圓弧狀H形槽和接地板上的兩個L形槽產生。對圓弧狀H形槽的參數研究表明，相對于線形槽，這種開槽結構能夠以槽參數組合的形式更有效地對陷波中心頻率進行控制。同時，通過仿真和實測結果分析，驗證了該天線除了具有良好的陷波特性外，在輻射方向性上也表現出色。

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