一種三陷波超寬帶天線研究與設計

宋威

摘 要：文章提出了一種小尺寸具有三陷波特性的超寬帶天線。所設計天線的基本結構有50 Ω饋電線，對稱梯形加矩形輻射貼片和凹字形地板。天線的尺寸為28 mm×24 mm×1.524 mm。HFSS仿真結果表明：該天線在3.1～12 GHz頻段內回波損耗小于﹣10 dB，電壓駐波比小于2，在3.3～3.8 GHz，5～6.1 Hz，7.9～8.8 GHz 3個頻段內具有陷波特性，分別有效抑制了WiMAX系統、WLAN系統和ITU對于UWB系統的干擾，且具有良好的輻射方向特性。

關鍵詞：小尺寸；三陷波；UWB天線

美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）在2002年通過了允許將超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術劃分了3.1～10.6 GHz 的工作頻帶，用于民用通信的規范，使得UWB技術成為了研究熱點，并且得到迅速發展[1]。UWB技術是一種具有抗干擾性能強，傳輸帶寬寬，發送功率小，傳輸速率高等優點的通信技術。但是由于通信技術的發展，通信協議增多，頻譜資源日益緊張。例如UWB通信頻段內還存在如WiMax（3.3～3.8 GHz），WLAN（5.125～5.825 GHz），ITU（7.9～8.7 GHz）。為了解決以上問題，通常是設計具有陷波特性的UWB天線。

近年來，已有多種技術實現陷波特性的UWB天線被設計出來[2-10]。如在天線輻射體上蝕刻各種形狀的縫隙或者槽線以及缺陷地等結構來獲得所需頻段上的陷波。例如，天線尺寸大，沒有實現小型化，集成難度大；結構復雜，給天線制作帶來了一定困難。

本文針對這些不足之處，設計出了一種三陷波天線。結構簡單，尺寸僅有28 mm×24 mm×1.524 mm。此天線通過U型縫隙，C型縫隙以及一對U型旁支結構實現三陷波特性。

1 天線的結構與設計

天線印刷在相對介電常數為3.55和厚度為1.524 mm的RO4003TM的介質板上，并通過3.5 mm×12 mm的50 Ω的微帶線進行饋電。一個3.5 mm×1.5 mm的矩形凹槽被刻蝕在地板上，在天線貼片上添加一個U型縫隙，一個C型縫隙以及在饋電線兩邊各添加一個U型旁支結構，從而實現天線的三陷波特性，同時為了獲得好的阻抗匹配特性，對接地板的形狀和尺寸進行了優化設計。根據縫經驗公式（1），c為光速，l為槽的長度，εr為基板的相對介電常數。根據這所計算的結果只能作為估計值，為了得到更好的結果，需要通過HFSS進行參數優化與設計。

（1）

最終通過HFSS參數優化設計，得到天線優化參數如下：L=28 mm，L1=9.5 mm，L2=1.5 mm，L3=16 mm，L4=6 mm，L5=3.1 mm，L6=6.9 mm，L7=1.4 mm，L8=2 mm，L9=2.4 mm，W=24 mm，W1=3.5 mm，W2=16.2 mm，W3=3.6 mm，W4=11 mm，W5=6 mm，W6=4.2 mm，a1=0.9 mm，a2=0.2 mm，a3=0.3 mm。

2 仿真結果與分析

天線的帶寬為3.1～12 GHz，但在3.3～3.8 GHz，5～6.1 GHz，7.9～8.8 GHz的頻段內的回波損耗大于﹣10 dB，分別有效抑制了WiMAX系統，WLAN系統和ITU信號對于UWB系干擾，符合三陷波特性。天波回波損耗如圖1所示。

天線的電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR），在3.1～12 GHz的頻段內，有3個阻帶，分別是3.3～3.8 GHz，5～6.1 GHz，7.9～8.8 GHz，其余頻段都保持VSWR小于2，滿足了UWB頻段范圍和三陷波頻段要求。

天線H面輻射方向圖都為橢圓形，具有全向輻射特性，在高頻略微有點畸變。天線E面輻射方向圖都為“8”字形，在各個頻段表現較為一致。總的來說，滿足UWB頻段的通信要求。

3 結語

文中提出一種小尺寸三陷波超寬帶天線，天線的整體尺寸為28 mm×24 mm×1.524 mm，結構簡單，易于加工制作和系統集成。在矩形加等邊梯形的輻射貼片上通過刻蝕U型縫隙，C型縫隙以及增加一對U型旁支結構實現在3.3～3.8 GHz，5～6.1 GHz，7.9～8.8 GHz 3個頻段上的陷波特性，分別有效抑制了WiMAX系統，WLAN系統和ITU信號對于UWB系統的干擾。該天線在整個工作頻段具有輻射特性級增益，符合UWB通信要求，具有很好的研究前景。

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