一種具有阻帶特性的超寬帶天線設(shè)計(jì)**

楊治麗 陳美娥 王均宏 張 展 王顯剛 北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所

1 引言

自從2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）宣布將3.1GHz～10.6GHz頻段劃歸民用以后，UWB（Ultra Wideband）通信就因其通信容量大、輻射功率密度低、抗多徑干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和保密性好等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。UWB天線的設(shè)計(jì)與研究是超寬帶通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用共面波導(dǎo)或微帶饋電的印刷平面UWB天線具有體積小、剖面尺寸小、易于系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，受到研究者的青睞[1-3]。然而UWB頻段內(nèi)還存在其他窄帶無線通信系統(tǒng)，例如IEEE802.11a規(guī)定的工作在5.15GHz～5.35GHz和5.725GHz～5.825GHz頻帶范圍內(nèi)的無線局域網(wǎng)。為了抑制不同系統(tǒng)之間的相互干擾，設(shè)計(jì)一種具有阻帶特性的UWB天線是非常必要的。研究者已經(jīng)在這方面做了很多工作，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]在天線的輻射貼片上開槽，文獻(xiàn)[6]在輻射貼片旁邊增加一對(duì)寄生貼片，文獻(xiàn)[7]在微帶饋線中引入了一個(gè)諧振單元，相當(dāng)于窄帶濾波器的作用，它們都使超寬帶天線在無線局域網(wǎng)的頻帶范圍內(nèi)具有了阻帶特性。

本文對(duì)文獻(xiàn)[1]中的天線進(jìn)行改進(jìn)，在其輻射貼片上蝕刻細(xì)長(zhǎng)的縫隙，改變其電流分布，使改進(jìn)后的天線在4.7GHz～5.84GHz的頻帶范圍內(nèi)具有阻帶特性，避免無線局域網(wǎng)的干擾。

2 天線設(shè)計(jì)與仿真

2.1 天線結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[1]提出的超寬帶天線印制在厚度為1.52mm的介質(zhì)基板（Ro4003，εr=3.38）上，其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，采用微帶線饋電，與50Ω端口進(jìn)行匹配。在該天線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在輻射貼片上蝕刻矩形縫隙，如圖1（b），細(xì)縫左邊沿與貼片的左邊沿對(duì)齊，細(xì)縫與貼片下邊沿的距離為d，細(xì)縫長(zhǎng)l、寬w。

圖1 改進(jìn)前（a）和改進(jìn)后（b）天線的結(jié)構(gòu)圖

本文采用電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)天線模型進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)細(xì)縫的長(zhǎng)度、寬度和位置，最終得到具有良好阻帶特性的超寬帶天線。阻帶天線的最優(yōu)結(jié)構(gòu)：l=8.5mm，w=1mm，d=13.5mm，其反射系數(shù)S11如圖2所示，除去阻帶范圍，在3GHz～11GHz范圍內(nèi)S11<-10dB，符合UWB的標(biāo)準(zhǔn)要求。在4.7GHz～5.84GHz范圍內(nèi)，天線的對(duì)應(yīng)阻帶帶寬為1140MHz，將整個(gè)IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的WLAN工作頻帶都包含進(jìn)去了，可以達(dá)到抗干擾的目的。

圖2 阻帶天線的反射系數(shù)

阻帶天線的方向圖如圖3所示。在低頻時(shí)，其E面和H面都具有很好的全向性，在高頻段時(shí)天線方向圖的全向性有所下降。圖4給出了天線在UWB頻帶范圍內(nèi)的增益，在阻帶范圍內(nèi)天線的增益銳減，體現(xiàn)了天線的阻帶特性。

圖3 天線在3.5GHz（a）和10GHz（b）的方向圖

圖4 UWB頻帶范圍內(nèi)天線的增益

2.2 結(jié)果分析

圖5是天線在5.7GHz時(shí)的電流分布。如圖5（a），沒有開縫時(shí)，輻射貼片上電流較小，分布均勻。若在貼片上開縫，且細(xì)縫尺寸為l=8.5mm，w=1mm，d=13.5mm時(shí)，如圖5（b），細(xì)縫左邊沿與貼片的左邊沿不重合，假設(shè)距離為m，當(dāng)m>0時(shí)，細(xì)縫的位置對(duì)電流分布幾乎沒有影響。在圖5（c）中，細(xì)縫與輻射貼片的左邊沿重合，即m=0，可以很明顯的看到細(xì)縫周圍的電流增大，輻射貼片上電流分布改變，特別是右邊的支節(jié)和微帶饋線上的電流都增大了。由于電流的邊緣效應(yīng)，在貼片上的電流主要集中于貼片的邊緣，貼片內(nèi)部的電流很小，當(dāng)m>0時(shí)，縫隙不會(huì)切斷貼片邊緣的電流，對(duì)天線的影響較小。當(dāng)縫隙邊緣與貼片邊緣齊平時(shí)，切斷了邊緣電流，電流主要集中在縫隙處，引起阻抗適配并產(chǎn)生很大的衰減，形成阻帶。另外，從圖6可以看出，當(dāng)m=0時(shí)，在3.5GHz和10GHz時(shí)縫隙對(duì)電流分布產(chǎn)生的影響較小，對(duì)天線性能的影響也就較小。

圖5 天線在5.7GHz時(shí)的電流分布

圖6 阻帶天線在不同頻率的電流分布

在輻射貼片上所開縫隙的長(zhǎng)度l、寬度w、以及開縫的位置d都將影響到天線的阻帶特性，接下來分別對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行討論。

圖7 細(xì)縫長(zhǎng)度l對(duì)天線S11的影響

圖7給出了細(xì)縫長(zhǎng)度l對(duì)天線反射系數(shù)S11的影響。隨著細(xì)縫長(zhǎng)度l的增加，天線的阻帶范圍向低頻移動(dòng)，因?yàn)榧?xì)縫長(zhǎng)度直接決定電流沿著細(xì)縫所走的路徑長(zhǎng)度，細(xì)縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電流路徑越長(zhǎng)，所對(duì)應(yīng)的諧振波長(zhǎng)也越長(zhǎng)，所以諧振頻率越低。同時(shí)細(xì)縫長(zhǎng)度l的增加也使得阻帶帶寬相應(yīng)減小。從圖中還可以看到，細(xì)縫長(zhǎng)度對(duì)阻帶的下限頻率影響較小，主要是影響阻帶的上限頻率，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，上限頻率越低。

細(xì)縫寬度w對(duì)天線反射系數(shù)S11的影響見圖8。w的增加使得反射系數(shù)峰值點(diǎn)向低頻移動(dòng)，但變化很小，這主要是因?yàn)榧?xì)縫寬度增加，對(duì)電流路徑的增加效果不明顯。細(xì)縫寬度w增加時(shí)，阻帶帶寬也相應(yīng)展寬。

圖8 細(xì)縫寬度w對(duì)天線S11的影響

細(xì)縫位置d對(duì)天線反射系數(shù)S11的影響如圖9所示。當(dāng)d增加時(shí)，反射系數(shù)峰值點(diǎn)向高頻移動(dòng)，阻帶帶寬相應(yīng)減小。

圖9 細(xì)縫位置d對(duì)天線S11的影響

綜上所述，調(diào)節(jié)細(xì)縫的長(zhǎng)度、寬度以及位置可以精確控制阻帶的范圍，有效抑制無線局域網(wǎng)對(duì)超寬帶系統(tǒng)的干擾。

3 結(jié)束語

在超寬帶天線輻射貼片上開矩形縫隙，改變了天線的電流分布，并可以通過對(duì)縫隙長(zhǎng)度、寬度以及位置的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)阻帶范圍的調(diào)節(jié)。本文提出的超寬帶天線不但具有良好的阻抗特性和輻射特性，而且在4.7GHz～5.84GHz的頻帶范圍內(nèi)具有阻帶特性，可以避免5GHz無線局域網(wǎng)的干擾。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的超寬帶阻帶天線具有實(shí)用價(jià)值。

[1]Chen Z N,See T S P,Qing X M. Small Printed Ultrawideband Antenna With Reduced Ground Plane Effect[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,55(2): 383-388.

[2]W Zayd,A Ismail,M M Isa,et al. Improved Performance of UWB Antenna by Substrate Perforation and Slit Notch[C].Proceedings of the 2009 IEEE 9th Malaysia International Conference on Communications, Kuala Lumpur Malaysia,2009: 33-36.

[3]Li W W,Cai Lishao,You Baiqiang,et al. Design of Printed Notched-Monopole UWB Antenna[C]. IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems, 2009: 271-274.

[4]ChoY J,Kim K H,Choi D H,et al. A Miniature UWB Planar Monopole Antenna With 5-GHz Band-rejection Filter and the Time-domain Characteristics[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006,54(5): 1453-1460.

[5]晏峰,姜興,黃朝暉. 共面波導(dǎo)饋電的帶阻UWB天線設(shè)計(jì)[J]. 電子器件, 2011,34(3): 254-257.

[6]Kim K H,Cho Y J,Hwang S H,et al. Band-notched UWB Planar Monopole Antenna with Two Parasitic Patches[J].Electronics Letters, 2005,41(14): 783–785.

[7]Qu S W,Li J L,Xue Q. A Band-notched Ultrawideband Printed Monopole Antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2006,5(1): 495-498. ★