一種新型的具有帶阻特性的超寬帶天線*

吳毅強，張平平，胡少文，鄧 淼，周輝林

(南昌大學電子信息工程系，南昌330031)

一種新型的具有帶阻特性的超寬帶天線*

吳毅強*，張平平，胡少文，鄧 淼，周輝林

(南昌大學電子信息工程系，南昌330031)

設計制作了一種新型的具有帶阻特性的超寬帶微帶天線。采用在六邊形輻射貼片上開一對稱的U形槽，實現了天線的帶阻特性。仿真結果表明，可以方便地通過改變U形槽的寬度來改變阻帶的位置和寬度。可實現天線頻帶寬度(S11≤-10 dB)為3.015 GHz～13.270 GHz，相對帶寬達126%，并能精確阻隔WLAN(5.725 GHz～5.85 GHz)頻率段，實驗結果表明該天線適用于超寬帶系統的應用。

超寬帶;U形槽;帶阻功能;WLAN

隨著無線通訊需求的不斷增加，超寬帶UWB (Ultra-Wide-Band)無線通訊技術以其低功耗、高帶寬、低復雜度等優點而備受關注。2002年美國聯邦通信委員會(FCC)批準將3.1～10.6 GHz頻段作為超帶寬技術的應用。另外隨著智能手機、平板電腦的普及，WLAN的應用越來越廣泛，其頻段被超寬帶天線所工作的頻段所覆蓋，隨之而來的頻段之間的干擾問題也越來越突出。為了克服這一問題，需要在超寬帶系統的頻段內濾除WLAN窄頻段，采取具有帶阻特性的超寬帶微帶天線是一個可行的方法。現在有許多文獻［1-12］中提到了可以實現帶阻特性的各種不同方法，例如在天線上開不同的縫、在主貼片的兩邊或頂部加載寄生貼片、使用調諧支線等。

其中文獻［12］作者提出的具有帶阻特性的超寬帶天線。首先，其阻帶頻率段比較廣(5.0 GHz～5.95 GHz)，抑制WLAN信號精確度不高;其次，WLAN在5 G頻率段協議802.11a，國內標準使用的頻率段范圍為5.725 GHz～5.850 GHz，其天線阻帶頻率段在5.0 GHz～5.95 GHz，與其相差比較大，表明此天線不適合在國內使用。本文設計了一種新穎的具有帶阻特性的超寬帶天線，在六邊形輻射貼片上開一對對稱的U形槽，可以很精確地抑制5.725 GHz～5.85 GHz頻段，而不至于屏蔽其他頻段，適合在國內使用，且其工作帶寬可達到3.015 GHz～13.270 GHz，包含了整個UWB頻段，同時在整個工作頻帶內又具有比較好的輻射方向圖。

1 天線結構設計

該天線使用的介質板材料為FR4，εr=4.4，損耗正切tanδ=0.02，基板尺寸為52 mm×28 mm× 1.59 mm。圖1所示為天線的幾何結構。天線由開了一對對稱U型槽的六邊形金屬輻射貼片和長方形底金屬片組成，采用阻抗為50Ω的微帶線進行饋電，金屬帶寬度為Wf。其中U型槽結構對天線實現阻帶特性起到關鍵作用，且改變U型槽寬度可以很好地控制阻帶的頻段。U型槽改變了天線表面的電流分布，在某個頻率段電流集中在U型槽的底部，饋電附近的阻抗接近于0，從而使天線在該頻率段產生較大的衰減和阻抗匹配，形成阻帶。在HFSS中建立模型，對天線幾何尺寸進行大致優化，初步確定天線的尺寸，如表1所示。

圖1 天線結構

表1 天線尺寸 單位:mm

2 天線的分析與仿真

首先對未開U形槽的天線進行仿真，天線在3.068 GHz～12.479 GHz頻率段S11≤-10 dB;開了對稱U型槽后再對其進行仿真，天線在4.34 GHz～5.125 GHz頻率段S11≥-10 dB，出現了一個稍尖銳的阻頻段，對比如圖2所示，表明U型槽結構對天線實現阻帶特性起到決定性作用。

圖3 L s1對S11的影響

為了更好了解U型槽寬度對阻帶頻率段位置的影響，先對U型槽寬度Ls1進行大致優化，使其在3.2 mm～7.2 mm，間隔為1 mm變化，仿真結果如圖3所示。發現阻帶頻率段位置隨Ls1的增大而降低，Ls1在4.2 mm接近于WLAN協議802.11a在國內的標準。

為了使阻帶更接近于此頻率段，再對Ls1進行更加細化的優化，使其在4.1 mm～4.3 mm，間隔為0.1 mm變化，仿真結果如圖4所示。

圖4 對L s1的細化

天線在Ls1=4.2 mm時，頻率段5.70 GHz～5.91 GHz駐波比小于2，最接近于5.725 GHz～5.850 GHz這個頻段，偏差在幾十MHz左右，表明天線能夠很精確地抑制WLAN802.11a頻段(5.725 GHz～5.850 GHz)。同時，天線的頻帶寬度(S11≤-10 dB)為3.015 GHz～13.27 GHz，相對帶寬達126%，且具有對稱的方向圖和良好的增益。圖5(a)、5(b)所示為天線在3.0 GHz、6.0 GHz和9.0 GHz下的仿真輻射方向圖，達到了預期的效果。

圖2 U型槽對S11的影響

圖5 天線的輻射方向圖

3 天線制作與實測結果

為了驗證所設計的天線的實用性，根據上述分析及HFSS優化后得到的尺寸，對該天線進行實際的加工制作和測試，并利用AV3620矢量網絡分析儀及功率計對天線實物進行測試，天線的實物圖和測試的反射系數如圖6所示。天線的增益、輻射方向圖如圖7所示。

圖6 天線實物和實測回波損耗

圖7 實測天線的輻射方向圖和增益圖

從圖6可以看出，天線的帶阻頻段的實測值與仿真曲線有偏差，主要是由SMA接頭以及焊錫的散射效應所引起，此外加工誤差也會對天線的回波損耗產生影響。該天線基本上能夠滿足微波通信的要求。

從圖7中(a)、(b)可以看出，天線的實測輻射方向圖稍有些偏差，從圖7(c)可以看出實測的增益與仿真的增益基本上吻合，實測值與仿真曲線有些偏差，主要是因為加工誤差和測量誤差所引起的。

4 結論

在超寬帶天線輻射貼片上開一對稱的U形槽，改變了此天線上的電流分布，可以通過改變U形槽的寬度調節阻帶范圍。本文所設計制作的超寬帶天線具有優良的阻抗特性和輻射特性，其最顯著的特點是能精確抑制WLAN協議之一802.11a標準中國所使用的頻率段(5.725 GHz～5.850 GHz)。仿真和實測結果表明此制作的超寬帶帶阻天線具有實用價值。

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A Novel UWB M icro-Strip Antenna w ith Band-Notched Characteristics*

WU Yiqiang*，ZHANG Pingping，HU Shaowen，DENGMiao，ZHOU Huilin
(Department of Electronic，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

A novel UWBmicro-strip antenna with band-notched characteristicswas designed and manufactured.Using a hexagons patch as the radiation elementand cutting a pair of symmetrical U-shaped slot，the band-notched characteristics of the antenna was realized.Simulated results show that the width of the U-shaped slot determined the center frequency and the bandwidth of the notched band.With the presented design，the bandwidth(return loss≤-10 dB)starts from 3. 015 GHz up to 13.270 GHz thatmeans a relative bandwidth of126%and it effectively eliminates the 5.725 GHz～5.85 GHzWLAN range.Measured results confirm that the proposed antenna is suitable for UWB applications.

Ultra-wideband(UWB);U shaped slot;band-notched function;WLAN

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.001

TN92 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0001-04

項目來源:國家自然科學基金項目(61062009)

2013-05-11修改日期:2013-05-23

EEACC:5270

吳毅強(1959-)，男，江西上饒人，現任南昌大學電子系教授，碩士生導師，主要從事射頻與微波技術及其應用的教學與研究，wyq555@126.com;

張平平(1990-)，男，江西南昌人，碩士研究生，現讀于南昌大學電子系，研究方向為射頻微波技術與天線設計，zpp360121@126.com.