一種超寬帶單陷波天線

李順利，岳宗平，侯守坡

（河南機電職業學院，河南鄭州 451191）

0 引言

美國聯邦通訊委員會（Federal Communications Commission，FCC）規范了帶寬為3.1～10.6 GHz 的頻帶作為超寬帶（Ultra-Wide Band，UWB）通信的頻帶，超寬帶平面天線在無線通信、導航、雷達、軍事、探測和科學研究中得到了廣泛的應用。超寬帶通信技術具有低功耗、高帶寬、高傳輸速率、低復雜性、抗多徑能力強、發射信號功率譜密度低、安全性高等優點，在軍事通信、民用數字家電和消費網絡設備等領域中得到越來越多的重視。有專利提出過一種基于左手材料的超寬帶限波濾波器，該專利結構緊湊、尺寸較小，能在一定范圍內起到一定的濾波作用，但是基于左手材料的濾波器整體結構復雜、不易加工，且濾波范圍不夠精確，而且由于超寬帶頻段內還存在著其他窄帶無線通信信號，如X 上波段（7.25～7.75 GHz），因此為了避免窄帶信號對超寬帶天線產生電磁干擾，濾除超寬帶波段中的窄帶信號和擁有簡化結構的裝置是尤為必要的。

1 單陷波天線結構

為了解決天線產生的電磁干擾，濾除不需要的信號，本文提供一種超寬帶單陷波天線。該結構包括基板在內，基板內設有同心的第一圓環和第二圓環、第一矩形，基板的另一面設有第二矩形，其中第一矩形與兩個圓環在同一面上，第一圓環與第一矩形為一個整體；第二圓環在第一圓環內，第二圓環與第一圓環之間為開口凹槽；第二矩形與接地板垂直固定，開口凹槽開口部分的中心、第一圓環的圓心、第一矩形的中心在同一直線；第二矩形的缺口的中心在所述直線上，第一圓環、第二圓環、第一矩形、第二矩形表面覆銅（圖1～圖5）。圖中，基板的長為L，寬為W；第一圓環的外徑為R1、內徑為R2；第二圓環的外徑為R3，內徑為r；第一凹槽的開口長度為d；第一矩形的邊長為h 和d1，第一矩形的長為h 的一邊到平行于基板一邊的距離為d2；第二矩形的邊長為L1和L；缺口的邊長為W1和L2。開口凹槽具有阻帶特性，利用其阻帶特性，在超寬帶天線上設置開口凹槽，可以使超寬帶天線具有陷波功能，解決了濾除窄帶信號對超寬帶天線產生的電磁干擾的濾除范圍不高的問題，并簡化了濾除裝置結構（圖6～圖9）。

圖1 正面示意

圖2 底座示意

圖3 空間示意

圖4 立體示意

圖5 整體示意

圖6 陷波天線的回波損耗S11 曲線

圖7 3.23 GHz 頻率點遠場輻射

圖8 8.18 GHz 頻率點遠場輻射

圖9 7.46 GHz 頻率點的天線遠場輻射

2 單陷波天線工藝

一種超寬帶單陷波天線包括基板，在基板的一面設置有共同圓心的第一圓環和第二圓環，在基板上的第一矩形與兩個圓環在同一面上；所述第二圓環在第一圓環內，第二圓環與第一圓環上開口凹槽的開口部分的中心、第一圓環的圓心、第一矩形的中心在同一直線上且所述開口凹槽的開口部分遠離第一矩形，第一圓環與第一矩形為一個整體，第一矩形與接地板垂直固定，接地板與基板垂直；第二矩形設在基板的另一面，第二矩形也與接地板垂直固定，而且第二矩形設有缺口，缺口的中心在所述直線上；所述第一圓環、第二圓環、第一矩形、第二矩形表面覆銅。

缺口可以是矩形。第一矩形、第二矩形分別與接地板焊接固定。所述的基板為通過蝕刻雙面覆銅的FR 微波介質的方法制作的基板。

如圖1～圖5 所示：一種超寬帶單陷波天線，基板的一面設有共同圓心的第一圓環和第二圓環，在基板上還設有第一矩形、第一矩形內設有第二矩形，第一矩形與兩個圓環在同一面上。第一二圓環之間的開口凹槽開口中心、第一圓環的圓心、第一矩形的中心在同一直線上且開口凹槽的開口部分遠離第一矩形。開口凹槽的開口中心是指開口處的幾何中心，即當開口凹槽為未封閉的環槽時，那么開口中心即為開口處圓弧的中心點；若開口凹槽在實施時為未封閉的矩形，那么開口中心即為開口處連接線的中心點。

第一圓環和矩形是一個整體，第一矩形與接地板垂直固定，接地板與基板垂直；第二矩形與接地板垂直固定，第二矩形上還有缺口，缺口的中心也在直線上，即缺口的幾何中心、第一矩形的幾何中心、開口凹槽中心三點共線。第一圓環、第二圓環、第一矩形、第二矩形表面覆銅，開口凹槽具有阻帶特性，利用其阻帶特性，在超寬帶天線上設置開口凹槽，可以使超寬帶天線具有陷波功能。

如圖2、圖4、圖5 所示，缺口為矩形。為使第一矩形和第二矩形分別與接地板固定，其固定方式采用焊接。

如圖1～圖5 所示，天線的結構還能通過蝕刻雙面覆銅的FR4 微波介質基板的方法制作，相比起在第一圓環、第二圓環、第一矩形、第二矩形表面覆銅而言，通過蝕刻雙面覆銅的FR4微波介質基板的方法更容易制作天線。

其中天線通過第一矩形進行饋電，當天線通過接地板接收到高頻電流信號時，信號經由基板的正反兩面組成的天線結構變為無線電磁波輻射傳輸，把不需要的信號頻段濾除，高頻電流信號經由該超寬帶陷波天線傳輸后把工作范圍內的信號傳輸。超寬帶陷波天線在3.37～7.10/7.70～10.53 GHz 頻率段范圍內性能良好；在7.10～7.70 GHz 頻率段范圍內性能較差，此段信號被濾除。此款天線既滿足了超寬帶天線對于3.10～10.6 GHz 寬頻帶的要求，又能成功濾除與超寬帶重疊的其他波段。

優選實施的方法：制作出上述結構的天線，選取的基板材質的相對介電常數εr值為4.6、損耗角正切tanσ 值為0.017，雙面覆銅后FR4 微波介質基板的總厚度為1.6 mm，符合本設計的材料要求。在初步設計出超寬帶單陷波天線的基本結構之后，采用HFSS 軟件對其進行仿真計算：陷波天線在3.37～7.10/7.70～10.53 GHz 頻率段范圍內S11＜-10 dB，在7.10～7.70 GHz 頻率段范圍內S11＞-10 dB，如圖6 所示；即陷波天線在3.37～7.10/7.70～10.53 GHz 頻率段范圍內性能良好，在7.10～7.70 GHz 頻率段范圍內性能較差。此款天線既滿足了超寬帶天線對于3.10～10.6 GHz 寬頻帶的要求，又能成功濾除與超寬帶重疊的其他波段。

驗證本結構在非陷波處天線的輻射特性，現隨機選取3.23 GHz、8.18 GHz 頻率點的天線遠場輻射，如圖7、圖8 所示。為驗證在7.10～7.70 GHz 頻率段范圍內陷波天線的陷波特性，選取7.46 GHz 頻率點的天線遠場輻射，如圖9 所示。由歸一化輻射方向圖可以看出，在非陷波處即當頻率為3.23 GHz、8.18 GHz 時陷波天線的E 面方向圖呈“8”字形結構，H 面方向圖呈圓形結構，在整個頻段內近似于等幅全向輻射，符合遠區輻射特性；在陷波處即頻率為7.46 GHz 時陷波天線輻射方向圖嚴重失真，在E 面和H 面呈現不規則形狀，發生嚴重畸變。即說明超寬帶單陷波天線工作在超寬帶范圍內，且可濾除X波段窄帶信號，有效避免了窄帶信號對超寬帶產生的影響。

3 結束語

相對于現有技術而言，本文提出的結構有益效果是：所述開口凹槽具有阻帶特性，利用其阻帶特性，在超寬帶天線上設置開口凹槽，可以使超寬帶天線具有陷波功能，解決了濾除窄帶信號對超寬帶天線產生的電磁干擾的濾除范圍不高的問題，以及濾除裝置結構復雜的問題。