一種小型雙陷波超寬帶印刷天線

劉璐璐， 孫緒保， 石紅艷， 高 飛

（山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島266590）

0 引言

隨著對(duì)3.1GHz～10.6GHz頻率波段的認(rèn)可與分配利用，超寬頻技術(shù)成為未來(lái)高速率無(wú)線通信、高精度雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中最有前途的技術(shù)之一。自IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)提出將3.1GHz～10.6GHz頻段分配給超寬帶使用后，超寬帶通信系統(tǒng)越來(lái)越受到重視。UWB天線不僅要求天線具有體積?。?］、輻射效果良好、覆蓋特性全向等特點(diǎn)，還應(yīng)避免與其他通信系統(tǒng)的相互干擾［2］。

在規(guī)定的超寬帶頻段范圍內(nèi)存在其他通信系統(tǒng)可用的窄帶寬，所以存在電磁干擾的問(wèn)題，主要重疊的通訊頻段有全球微波接入互操作性工作頻率3.3GHz～3.7GHz，局域網(wǎng)工作頻率5.15GHz～5.825GHz，衛(wèi)星通信系統(tǒng)X 波段下行工作頻率7.25GHz～7.75GHz等。能否實(shí)現(xiàn)小型化UWB 天線的阻帶性能已成為當(dāng)今社會(huì)研究的重點(diǎn)。用帶阻濾波器連接到超寬帶天線里可以抑制這些波段，但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)帶有陷波特性的超寬帶天線，能有效解決這一問(wèn)題。即在受干擾的頻段內(nèi)讓天線呈現(xiàn)較大的反射系數(shù)，降低天線的發(fā)射和接收功能，使得天線具有陷波特性。文獻(xiàn)［3］通過(guò)對(duì)比幾種天線仿真結(jié)果說(shuō)明超寬帶印刷單極天線可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較小的尺寸，超寬帶印刷縫隙天線能獲得相對(duì)較高的增益，其中介紹了一種超寬帶單陷波天線即在輻射體上嵌入U(xiǎn) 型縫隙使得在5 GHz頻率附近形成阻帶功能以抑制局域網(wǎng)工作頻率5.15GHz～5.825GHz。文獻(xiàn)［4］介紹了一種采用微帶線饋電，具有雙陷波特性的燕尾形平面超寬帶天線，即在天線的輻射體上分別嵌入了一個(gè)C字形縫隙和一對(duì)對(duì)稱排布的線形縫隙以在3.2 GHz～4.3 GHz和5.3 GHz～6.2 GHz兩個(gè)頻段產(chǎn)生陷波。

近年來(lái)，已經(jīng)通過(guò)大量研究仿真證明在輻射貼片里蝕刻一對(duì)T 型殘端或U 型縫隙［5］，在貼片地面嵌入C 型或線型縫隙可以獲得雙陷波或三陷波超寬帶天線［6-9］。

本文提出了一種利用微帶線饋電的雙陷波超寬帶天線，它比單陷波頻率的天線更加實(shí)用。首先將圓形單極子天線改進(jìn)成有切角的超寬帶天線，然后通過(guò)在貼片上蝕刻三個(gè)半圓環(huán)槽以達(dá)到5.15GHz～5.825GHz和7.25GHz～7.75 GHz實(shí)現(xiàn)陷波的效果。半圓環(huán)長(zhǎng)度約為所設(shè)計(jì)陷波頻率對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)時(shí)，電流就集中在縫隙的周圍，引起該頻率附近的阻抗失配以實(shí)現(xiàn)天線的陷波特性。

1 天線的結(jié)構(gòu)

圖1所示為本文建議的天線模型。天線尺寸為25×29×0.8 mm3，介質(zhì)是FR4，相對(duì)電介質(zhì)常數(shù)為4.4，損耗正切角為0.02。超寬帶天線由50Ω 的微帶線饋線、缺角圓形貼片和三個(gè)縫隙等組成。在天線輻射單元上開(kāi)槽，縫隙破壞了原先的電流分布，增加了電流路徑，在待定頻率上引起諧振，實(shí)現(xiàn)陷波效應(yīng)。

圖1 天線模型（單位mm）

2 天線仿真

使用Ansoft公司推出的電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行仿真，通過(guò)改變狹槽、輻射貼片、介質(zhì)板等的大小、形狀和位置對(duì)天線超寬帶的帶寬，陷波的帶寬，帶寬抑制水平等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

改變參數(shù)R2，R3的數(shù)值，通過(guò)影響?yīng)M槽長(zhǎng)度對(duì)天線進(jìn)行優(yōu)化。利用長(zhǎng)度約為陷波頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的二分之一的半圓環(huán)狹槽使得天線在5.45 GHz和7.4GHz處回波損耗大于-10dB，達(dá)到不干擾超寬帶通信系統(tǒng)的目的。

由圖2和圖3天線的回波損耗圖可以看出陷波頻率隨著R2和R3的減小即隨著狹槽總長(zhǎng)度的減小移動(dòng)到較高的頻率。

圖2 R2 對(duì)天線回波損耗的影響

圖3 R3 對(duì)天線回波損耗的影響

縫隙間的作用對(duì)天線各個(gè)指標(biāo)也會(huì)產(chǎn)生影響，由圖4可以看出在7.4GHz頻段處，兩個(gè)相同的半圓環(huán)狹槽比一個(gè)半圓環(huán)狹槽效果好，提高了天線的參數(shù)性能指標(biāo)。由于在兩個(gè)狹槽間產(chǎn)生一定的干擾，所以不同狹槽間的距離在小型輻射貼片上能減少的距離是有限的。

如圖5所示，可以看出基本單極子天線的回波損耗以及縫隙S2，S3.1和S3.2各自產(chǎn)生的陷波頻率。

圖6為雙頻陷波超寬帶天線的仿真結(jié)果。超寬帶頻率范圍為3.1 GHz～12 GHz，在4.8 GHz～6GHz和7.15GHz～7.95GHz范圍內(nèi)具有陷波特性，其他范圍內(nèi)有良好的阻抗特性和小于-10dB 的回波損耗。圖7 為天線在4.8 GHz，8.5GHz，10GHz處H 面和E 面的輻射方向圖?？梢钥闯鎏炀€在各個(gè)頻率處H 面和E面有良好的輻射方向特性。

圖4 只有S3.2與有S3.1和S3.2時(shí)天線的回波損耗

圖5 無(wú)狹槽與有狹槽時(shí)超寬帶天線的回波損耗

圖6 雙陷波超寬帶天線的回波損耗

圖7 H 面和E面的輻射方向圖

3 結(jié)論

本文提出了一種小型雙陷波超寬帶印刷天線。陷波特性是通過(guò)在輻射板上開(kāi)三個(gè)半圓環(huán)型槽，引入半波長(zhǎng)諧振結(jié)構(gòu)而獲得的，從而該天線在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)具有雙陷波特性。仿真結(jié)果顯示，天線的回波損耗和全方位輻射方式符合超寬帶天線的要求。該超寬帶天線具有抗干擾性強(qiáng)，傳輸率高，頻譜利用率高，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此這種天線是一種具有實(shí)用價(jià)值的小型化超寬帶天線。

［1］ Sun，Xu-Bao，Cao，Mao-Yong etc.A Planar Circular Disc Monopole Antenna with Improved Bandwidth［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2012，54（3）：593-595.

［2］ Z.N.Chen.UWB Antenna：From Hype，Promise to Reality［J］.IEEE Antennas Propag.Conf.，2007：19-22.

［3］ 鐘順時(shí)，梁仙靈，延曉榮.超寬帶平面天線技術(shù)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（2）：308-315.

［4］ 周海進(jìn)，孫寶華，李建峰.具有雙陷波特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25（3）：13-17.

［5］ C.Y.Hong，C.W.Ling，I.Y.Tarn，etc.Design of a Planar Ultrawideband Antenna with a New Band-notch Structure［J］.IEEE Trans.Antennas Propag.，2007，55（12）：3391-3397.

［6］ K.Yin and J.P.Xu.Compact Ultra-wideband Antenna with Dual Bandstop Characteristic［J］.Electron.Lett.，2008，44（7）：453-454.

［7］ X.Qu，S.S，Zhong，W.Wang.Study of the Bandnotch Function for a UWB Circular Disc Monopole Antenna［J］.Microw.Opt.Technol.Lett.，2006，48（8）：1677-1670.

［8］ Qiu，J.，Du，Z.，Lu，J.，Gong，Ke.A Bandnotched UWB Antenna［J］.Microw.Opt.Technol.Lett.，2005，45（2）：152-154

［9］ Trang Dang Nguyun，Dong Hyun Lee，and Hyun Chang Park.Design and Analysis of Compact Printed Triple Band-notched UWB Antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propag.Letters，2011，（10）：403-406.