緊湊型帶阻特性矩形微帶貼片超寬帶天線設計與實現*

楊 波，羅 斌

（1.四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040；2.西南交通大學信息科學與技術學院，成都 611756）

0 引言

天線是無線通信系統不可或缺的部分，并且極大地影響了其性能，因此，超寬帶寬（Ultra Wide Bandwidth，UWB）的天線已經受到了研究人員的極大關注［1-3］。目前，寬帶天線的類型主要包括介質諧振器天線、印刷縫隙天線、印刷單極天線和平面微帶貼片天線。其中，因為具有重量輕、成本低、體積小、易于批量制造的優勢和寬帶特性，微帶貼片天線被認為是超寬帶應用的最佳選擇［4］。現階段，關于微帶天線的研究主要注重于帶寬改進，其可分為3 類［5］：一種是在錐形貼片中進行場分布；另一種是實現多個共振的饋電方案；第3 種使用不同形狀的插槽和孔徑，以產生較寬帶寬。

現有研究文獻中，大多數天線帶寬有限，幾乎未涵蓋指定的超寬帶頻段（3.1 GHz～10.6 GHz）［6-8］。參考文獻［9-13］中介紹的天線具有非常寬的阻抗帶寬，涵蓋UWB 頻帶和Ku 頻帶（12 GHz～18 GHz）。然而，這些天線在較高頻率下存在大尺寸或不規則輻射方向圖的缺點，并可能對無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）造成干擾。特別需要注意的是，陷波帶的功能是UWB 天線的所需參數之一，以避免現有指定頻帶的干擾，尤其是頻繁用于無線局域網的子帶5.1 GHz～5.9 GHz。因為UWB 通信常被用于無線局域網覆蓋下的短距離通信。文獻［14］中的天線具有緊湊的尺寸、寬阻抗帶寬（1.88 GHz～12.01 GHz）和陷波特性，但會產生復雜的天線幾何形狀和不穩定的輻射方向圖，尤其是在高頻條件下。

緊湊型微帶貼片天線設計具有非常寬的工作帶寬（2.9 GHz～23.5 GHz），不僅涵蓋UWB 波段、X波段（8 GHz～12 GHz）和Ku 波段，還包括較低的K波段（18 GHz～27 GHz）應用。因此，本文選擇緊湊型微帶貼片為UWB 天線設計方向。本文設計主要目的是增強WLAN 帶阻特性的天線的帶寬，同時保持穩定的輻射和較小天線尺寸，使其適用于便攜式電子設備。所提出的天線結構非常簡單（部分地面上具有U形槽的矩形截斷貼片），并且參數很少。貼片的下角用半圓截斷以實現寬帶特性，而陷波是通過在輻射貼片上蝕刻U 形槽而實現的。在泰康利TLY-5 基板（εr=2.2）上進行了具體實現。仿真和實驗結果表明，該天線可有效適用于WLAN 系統頻段的超寬帶通信中。

1 提出的UWB 天線設計

1.1 天線結構

提出天線的幾何結構如圖1 所示。天線由簡單的截斷矩形貼片和部分接地面組成，印刷在長度為L、寬度為A 和厚度為H 的泰康利TLY-5 基板的兩側。基板的相對介電常數（εr）為2.2，損耗角正切（tan δ）為0.000 9。部分接地面的長度是Lg，寬度與基板A 的寬度相同。R 是截斷貼片下角的圓的半徑。寬度為WS的U 形槽的位置用P 表示，而LS和Ly分別表示槽的水平長度和垂直長度。天線由具有50 Ω 特性阻抗且寬度為WF的微帶饋電。天線設計的整體尺寸為A×L×H mm3，這是具有陷波特性的最小UWB 天線設計之一。優化天線的參數總結如下：A=13mm，L=22mm，H=0.78mm，Lg=8.7mm，Lp=12 mm，P=8 mm，LS=11 mm，Ly=5 mm，WS=0.5 mm，WF=1.5 mm，R=3.5 mm。

圖1 天線的幾何形狀和配置

1.2 UWB 天線設計

通過改變貼片長度Lp、貼片寬度A、饋線寬度WS和接地平面Lg的長度，設計并優化了具有有限平面圖的常規矩形輻射貼片。與其他微帶貼片天線一樣，該天線的最大預期帶寬為3.1 GHz～11 GHz。之后，利用半徑為R 的圓來截斷貼片的下端來修改輻射路徑。對R 進行調諧，與初始設計相比，阻抗帶寬增加了一倍以上。也就是說，天線在2.9 GHz～23.5 GHz 之間獲得了非常寬的阻抗帶寬，傳統貼片和改進貼片天線的電壓駐波比［10］（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）如下頁圖2 所示。實際上，輻射貼片的場分布是通過截斷輻射貼片的下角來支持多種諧振模式來實現的，而不只是利用完整地面上傳統微帶貼片天線內的一個諧振。相互閉合的多個諧振（f0，f1，…，fn）被合并，以提供更寬的帶寬。微帶貼片天線在基本共振（f0）處的表現為1/4 波長單極子，而在較高模式下f1，…，fn將是f0的諧波，如圖3所示。因此，可以通過一個簡單的方法和一些調整變量來實現非常寬的帶寬。

圖2 傳統貼片和改進貼片天線的VSWR

圖3 演示多個共振的重疊以實現更寬的帶寬

1.3 陷波UWB 天線的設計

陷波功能是UWB 天線的重要特性之一，特別是在WLAN 頻帶上，可以避免對現有授權頻帶的干擾。貼片上刻有U 形槽，以避免對WLAN 系統造成干擾，例如在5 GHz～6 GHz 頻段上運行的IEEE 802.11a 和HIPER-LAN/2。由U 形槽產生的陷波帶頻率可按如下進行計算：

天線可以通過諧振結構短截線來建模，該短截線由在傳輸線模型中彼此并聯的電感器和電容器組成。在陷波帶（4.9 GHz～6.1 GHz），輸入阻抗非常高，輸入電抗不是0 Ω（圖5），造成微帶饋線和輻射元件之間的總阻抗不匹配。然而，在其他頻率（通帶）下，由于良好匹配的阻抗，短截線沒有影響。因此，實現了有效的帶阻功能，以過濾WLAN 信號。

圖4 帶有和未帶有U 形槽的天線的VSWR

圖5 天線和等效電路的阻抗

2 天線設計具體過程介紹

圖6 具有陷波帶特性的2.9 GHz～23.5 GHz 天線的設計過程

設計天線的詳細過程如圖6 所示。使用了基于有限元方法的商用模擬器Ansoft HFSS 來對天線進行建模和優化。最初，設計了簡單的微帶線饋電的矩形貼片。通過調整變量Lp、L、A、WF和Lg來優化天線，以獲得與傳統微帶貼片天線一樣的最佳帶寬。Lp和A 表示貼片的尺寸，因此，它對中心頻率以及阻抗匹配產生影響，而WF（饋電微帶的寬度）和Lg（接地面的長度）極大地影響天線的阻抗匹配。發現Lg對天線匹配很敏感，因此，在設計天線的過程中對其進行更改時要特別仔細。

之后，通過用半徑為R 的圓截斷貼片的下角來修改輻射貼片，以獲得更寬的帶寬。可以通過改變R的值，來實現非常寬的天線帶寬。最后，在貼片上蝕刻U 形槽，并通過改變槽的尺寸（Ls、Ws、Ly）和槽P的位置來對其進行優化，以實現對所需WLAN 的陷波。槽的長度（LS+Ly）決定中心陷波頻率，而槽WS的寬度有助于選擇陷波帶的頻率范圍。槽（P）的位置要有利于天線，獲得更好的阻抗匹配和陷波特性。

3 實驗結果與分析

3.1 VSWR 和峰值增益測量

天線原型是在0.79 mm 厚的泰康利TLY-5 基板［8］上制造的，以便用于實驗驗證，如圖7 所示。使用安捷倫矢量網絡分析儀來測量所設計天線的VSWR 和輻射特性。圖8 顯示了模擬和測量的VSWR。測量結果與數值計算結果一致。從結果可以清楚地看出，天線可在3.9 GHz～23.5 GHz 的帶寬下工作，在WLAN 頻段（4.9 GHz～6.1 GHz）內具有帶阻功能。天線的VSWR 在很寬的范圍內仍然小于2（阻止帶除外），相當于156%的分數帶寬。

圖7 天線的原型

圖8 天線VSWR 隨頻率的變化

圖9 顯示了天線的測量和模擬峰值增益隨著頻率變化的情況。可以看出所提出的天線在感興趣的頻率范圍內獲得穩定的峰值增益曲線，最大值為6.1 dB，在陷波帶周圍發現急劇下降（4.9 GHz～6.1 GHz）。在5.5 GHz 時，增益值大約是-5 dB。這證明了天線的陷波特性的有效性。峰值增益在低頻時較低，并且隨著頻率的增加而增加，這是由于在較高頻率下天線的有效尺寸增加。測量增益和模擬增益之間的微小差異可能是由于測量誤差造成的。

圖9 天線峰值增益隨頻率的變化

3.2 H 平面和E 平面輻射方向圖分析

圖10 和下頁圖11 分別顯示了H 平面（xz 平面）和E 平面（yz 平面）上的模擬和實測輻射方向圖（4 GHz、8 GHz、12 GHz 和16 GHz）。繪制輻射方向圖的主要目的是證明天線可以在非常寬的頻帶上工作。該天線在UWB 波段（3.1 GHz～10.6 GHz）、X 波段（8 GHz～12 GHz）和Ku 波段（12 GHz～18 GHz）上具有穩定且接近全向的輻射特性。H 平面上的輻射方向圖幾乎是對稱的，并且對于4 GHz、8 GHz、12 GHz和16 GHz 是全向的，而它在E 平面中是啞鈴狀的雙向。該輻射方向圖類似于在y 軸處定向的寬帶單極天線。由于在高頻下等效輻射面積增加，因此，16 GHz 處E 平面輻射方向圖幾乎沒有變化。

圖10 xz-平面（H-平面）上提出天線在不同頻率下的輻射模式

圖11 yz-平面（E-平面）上提出天線在不同頻率下的輻射模式

為了更好地分析天線的輻射機制，在圖12 中評估了陷波帶（5 GHz）和通帶（10 GHz 和15 GHz）的模擬電流分布。由于槽的共振，更多的電流集中在5.5 GHz 的槽中。功率被反射回端口，導致陷波帶的產生。在10 GHz 和15 GHz 時，電流密度集中在輻射器中，特別是在截頭角和饋電區域。因此，可以有效地輻射功率，以產生對稱的輻射方向圖和較高增益。

圖12 天線在不同頻率下的電流分布

3.3 性能對比

最后，在表1 中將該天線與現有已提出的UWB天線在大小、帶寬和陷波特性方面進行了比較。可以看出，提出的天線不僅解決了UWB 信號對WLAN 頻帶產生的干擾，同時提供了相當小的天線尺寸，帶寬更寬并且具有全向輻射方向圖。總之，由于其天線配置簡單、尺寸更小、陷波功能、輻射方向圖穩定性以及非常寬的帶寬特性，所提出的天線優于現有天線。

表1 所提出的天線與現有UWB 天線的性能比較

4 結論

本文實現了具有WLAN 帶阻特性的緊湊型2.9 GHz～23.5 GHz 微帶貼片天線。該天線主要由改進型矩形貼片構成，包括由微帶線和部分接地面饋電，并印刷在泰康利TLY-5 基板（0.79 mm）的兩側，介電常數為εr=2.2。通過截斷貼片的下角來獲得天線的寬帶特性，而通過在輻射貼片上蝕刻U 形槽來引入陷波帶。仿真和測量結果表明，在VSWR 小于2 時，天線具有陷波帶（4.9 GHz～6.1 GHz）可以有效抑制WLAN 信號，同時具有2.9 GHz～23.5 GHz 的較寬阻抗帶寬。除了具有緊湊的尺寸、良好的輻射穩定性和較寬的阻抗帶寬這些優點外，該UWB 天線還具有機械堅固性、易于集成到電路板中以及出色的低成本批量生產適宜性等特點。