新型小尺寸雙陷波超寬帶天線設計

曹新宇 張金玲 楊虹蓁

（1.北京郵電大學電子工程學院，北京100876；2.北華航天工業學院電子工程系，河北 廊坊065000）

引 言

超寬帶無線電技術最初主要是用于雷達、準確定位等領域.2002年，美國聯邦通信委員會通過了允許超寬帶技術用于民用化的規范，并將3.1～10.6GHz的頻率范圍分配給通信系統和測量系統使用.超寬帶天線與窄帶天線的本質區別在于，它是通過發射和接收時間為納秒級的窄脈沖來進行通信的.該技術是通過提高信道的帶寬進一步來提高信道容量的，信道帶寬可以達到數個GHz.正因為如此，超寬帶技術擁有窄帶技術無法比擬的優點，非常適合用于短距離無線通信［1-2］.

由于超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）無線系統與其他無線系統共享頻率資源，在重疊頻段系統間信號彼此將形成干擾，如在5.1～5.8GHz頻段，與無線局域網絡（Wireless Local Area Networks，WLAN）會產生同頻段干擾.為避免可能造成的信號誤碼，最有效的辦法就是設計具有阻帶濾波特性的超寬帶天線，使其在它系統使用頻段上形成信號抑制，從而降低系統間干擾，因此具有阻帶特性的UWB天線近年來成為了研究熱點.同時，為了拓展超寬帶天線的應用，方便集成化，對天線的尺寸和結構的要求也相當苛刻.小型化和平面化的設計要求，決定了天線設計和加工的成本及難度，間接影響了天線的應用場合和領域，因此也是一個重要的設計考量.

針對上述超寬帶天線的頻段陷波和小型化要求，設計了一款小型化平面雙陷波超寬帶天線［3］.

1 天線結構設計

常見的小型UWB天線主要包括印刷型單極子和寬縫隙天線［4］.按照饋電方式的不同，可以將超寬帶天線分為三類：同軸饋電超寬帶天線、共面波導饋電超寬帶天線、微帶線饋電超寬帶天線.

共面波導和微帶線饋電結構的超寬帶天線，由于它們均體積小、剖面尺寸小，易于系統集成，而且改變接地的形狀能得到不同的頻段效應，因此這兩類結構得到了人們的青睞.

當然微帶線饋電與共面波導饋電方式也有差別，微帶線饋電的天線在介質板的上下兩面都有金屬片，背面的金屬既可作為微帶線的接地板，同時也起到了一定的電磁兼容效果.

根據上述特點，本文設計采用了印刷型單極子微帶線饋電超寬帶天線結構.為了滿足寬帶頻譜要求，在傳統的單極矩形天線的基礎上，采用斜切角和地板開槽技術，設計出頻段覆蓋3.1～10.6GHz完整頻段的超寬帶天線.

對于平面單極天線而言，它的尺寸大小主要取決于低頻值，為使駐波比小于2，可以用圓柱體側面展開尺寸近似地給予估算.下面給出圓柱體的估算公式：

式中：L為估算圓柱高；r為圓柱底面半徑；λ為低頻端對應的波長，mm；f為低頻端對應的頻率，GHz.當考慮饋線地板與天線的間隙g時，選用公式（3）.

通過上面的估算公式，可以得到矩形單極天線的初始尺寸，這里選取的矩形貼片尺寸為22mm×16mm，在該初始尺寸基礎上，加以參數優化和斜切角技術處理，完成超寬帶天線設計.該天線印制在相對介電常數為2.2，厚度為1mm的聚四氟乙烯材料上，圖1給出了超寬帶天線設計的正反面結構圖.

圖1 超寬帶天線結構圖（左為正面，右為反面）

2 陷波結構設計

超寬帶陷波功能的實現手段大致可劃分為兩類：槽線法和寄生貼片法.實現陷波特性的主要原理在于將槽線和寄生貼片等效為諧振器，并且使要陷波的頻點產生諧振［5］.

通過設計優化，發現饋電間隙對天線性能影響較大.饋電間隙減小會增大介質上表面的輻射貼片與下表面的微帶線地板之間的電容性，從而影響輻射頻段.通過參數優化選定在饋電間隙為1mm時，頻段和匹配效果最佳.圖2給出了所設計天線的回波損耗曲線.從圖2可以看出在3.1～10.6GHz頻段，損耗小于-10dB，且傳輸參數比較平滑，很好地滿足了超寬帶天線的頻段要求.

比較兩種實現手段，槽線法更容易分析和估算，且性能更加可靠，在設計中也更容易優化和調整.設計中槽線長度可由下式估算：

圖2 超寬帶天線回波損耗曲線

本設計選用U形槽槽線法構造半波長諧振器，選在無線局域網5.15～5.825GHz和全球微波互聯網3.4～3.6GHz兩個應用頻段產生陷波，形成信號的抑制，使各系統工作信號頻段隔離，不受彼此信號干擾，實現信號正常傳輸和接收.為了確保系統間信號的有效隔離，這里選擇略展寬的陷波頻段，以形成保護間隙，設計在3.3～3.8GHz和5.0～5.9 GHz頻段實現陷波.通過對所設計的超寬帶天線電流仿真分析，得知電流能量主要集中在貼片縱向的中部，因此在此開槽諧振效果明顯.設計采用了層疊的U形槽線，在限定頻段實現陷波功能.圖3給出了陷波天線設計結構圖.

圖3 超寬帶雙陷波天線結構圖

通過分析仿真驗證了在層疊槽線間隔不小于2mm時，陷波槽線彼此之間影響可忽略.圖4給出了外層槽線尺寸長度參數L2優化曲線圖.由優化曲線圖再次驗證了調整3.5GHz陷波槽線參數時，對5.5GHz陷波頻段影響甚微.此層疊的槽線布局進一步保證了天線小型化和多陷波特性的設計要求.

圖4 陷波槽線參數L2優化曲線圖

上述為陷波天線的結構設計過程，在分析中，根據超寬帶性能指標要求，對結構參數進行了全面優化，表1列出了天線優化結構參數.

表1 陷波天線設計優化結構參數

3 性能參數分析

采用HFSS設計仿真軟件，對天線結構進行建模，選取聚四氟乙烯介質基板，建立了30mm×18 mm×1mm小尺寸陷波天線，對超寬帶陷波天線重要性能參數分析和仿真，給出了分析結果曲線，如圖5、6所示.

從圖5可以看出，天線在3.1～10.6GHz的超寬帶頻段中，除3.3～3.9GHz和5.0～5.9GHz頻段，實現了超寬帶天線的設計要求，回波損耗不大于-10dB，駐波比小于2，在陷波頻段損耗平均有7 dB的增長，產生了很好的陷波抑制作用.

圖6給出了天線在3、6、9GHz頻點處的遠場E和H面輻射圖.從圖6可以看出該天線在E面輻射方向圖近似偶極子，在H面輻射近似全向輻射，雖然在9GHz處方向圖略有惡化，H面輻射場強也有所減弱，但輻射強度仍滿足超寬帶天線通信的要求.

圖5 雙陷波天線回波損耗圖

圖6 超寬帶陷波天線輻射場強圖

4 結 論

通過分析和研究，設計了一種小尺寸超寬帶雙陷波天線，通過層疊槽線方式，在選定的3.5GHz和5.5GHz兩中心頻點所在頻段產生陷波，通過設計和仿真驗證了所設計天線具有較好的陷波效果，層疊式的槽線有利于減小天線的結構尺寸，并且為多陷波天線的小型化設計提供了方便.同時給出了遠場輻射圖，設計滿足超寬帶天線的通信輻射要求.下一階段將進一步分析超寬帶可調陷波天線及其天線小型化處理.

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