雙阻帶特性的超寬帶單極子天線設(shè)計

崔恒榮 陸云龍 沈 偉 孫 蕓 王 偉 孫曉瑋

（中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050）

引 言

自從美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）將3.1～10.6 GHz這個頻段分配給超寬帶（UWB）應用以來，超寬帶天線得到了較多的研究［1-3］.印刷超寬帶單極子天線因為其結(jié)構(gòu)簡單、全向輻射和容易加工等優(yōu)點使其成為一種應用較多的設(shè)計方案［4-5］.為了增加天線的阻抗帶寬，在天線設(shè)計中引入了多種技術(shù)手段，如在貼片單元或者基底上開個細縫［6-7］、在天線貼片的對角上開縫或開槽［8-9］.但是，一些通信系統(tǒng)的工作頻段恰好在超寬帶系統(tǒng)的工作帶寬之內(nèi)，這會對超寬帶系統(tǒng)造成干擾，例如：IEEE802.11a的 WLAN （5.15～5.85GHz）系統(tǒng)和IEEE 802.16的 Wimax（3.3～3.6GHz）系統(tǒng).為了消除這些電磁干擾，在超寬帶的天線上增加1個或2個的阻帶顯得十分必要，這方面已有一些研究結(jié)果［10-12］.傳統(tǒng)方法主要包括：在貼片天線或者基底上開縫［10，12］，增加寄生單元［13］等.

利用邊緣相似諧振器產(chǎn)生3.3～3.6GHz的阻帶，邊緣相似諧振器放置在天線的底面，諧振器的中間通過通孔與天線貼片相連.將單個開路微帶諧振器嵌入在天線的饋線中產(chǎn)生頻率在5.15～5.85 GHz的阻帶.阻帶的中心頻率和帶寬可以通過調(diào)整諧振器的參數(shù)實現(xiàn)獨立控制.在2.7～11GHz的頻段內(nèi)，設(shè)計的超寬帶單極子天線電壓駐波比（VSWR）在2以內(nèi)，并實現(xiàn)了兩個阻帶特性.

1 天線設(shè)計與阻帶結(jié)構(gòu)分析

1.1 天線模型

圖1給出了具有雙阻帶特性的超寬帶單極子天線的物理模型.天線基底采用的是Rogers 4350，介電常數(shù)和厚度分別為3.48mm和0.762mm.基板上層是單極子天線，天線采用50Ω的微帶線進行饋電.并且，在50Ω的饋線上嵌入了單個四分之一波長開路微帶諧振器，用來產(chǎn)生消除 WLAN信號干擾的阻帶.在基板的底面，放置一個邊緣相似的諧振器，其中心通過一排通孔與單極子天線相連，利用邊緣相似諧振器可以產(chǎn)生消除Wimax信號干擾的阻帶.優(yōu)化后的天線參數(shù)見表1所示.

圖1 天線物理模型

表1 優(yōu)化后的天線參數(shù)取值，mm

1.2 四分之一波長開路微帶諧振器

利用嵌入在天線饋線中的單個四分之一波長開路微帶諧振器來實現(xiàn)阻帶特性，這與傳統(tǒng)的嵌入兩個四分之一波長開路微帶諧振器相比，具有結(jié)構(gòu)更簡單和帶寬更窄的優(yōu)勢.首先，我們先對傳統(tǒng)的兩個四分之一波長開路微帶諧振器進行分析.圖2（a）給出了相應的等效電路模型.該電路結(jié)構(gòu)可以采用奇-偶模式分析，圖2（b）和（c）給出了響應的奇模和偶模等效電路.

圖2 傳統(tǒng)的雙四分之一波長開路微帶諧振器

對于偶模等效電路，端口1處的輸入導納可以表示為

式中，β是傳輸線的波數(shù)；Y1和Y2是傳輸?shù)奶卣鲗Ъ{.

根據(jù)電路諧振條件

將式（1）代入式（2），可以得到偶模等效電路的諧振條件為

類似地，對于奇模等效電路，端口1處的導納為

利用電路諧振條件，奇模等效電路的諧振條件為

相應的S參數(shù)可以表示為

圖3給出了單個四分之一波長開路微帶諧振器結(jié)構(gòu)的等效電路.圖4給出了傳統(tǒng)的雙四分之一波長開路微帶諧振器和單個四分之一波長開路微帶諧振器的仿真結(jié)果比較.可以看到，在中心頻率為5.5GHz的頻點，這兩個諧振器都能產(chǎn)生諧振，利用嵌入的單個四分之一波長開路微帶諧振器能得到更小的帶寬和更簡單的結(jié)構(gòu).

進一步分析，利用單個四分之一波長開路微帶諧振器諧振產(chǎn)生阻帶帶寬和中心頻率可以用參數(shù)L1和S1分別獨立進行控制.圖5和圖6給出了不同取值的參數(shù)L1和S1對阻帶的中心頻率和帶寬的影響.由圖5可以看出：阻帶的中心頻率隨著參數(shù)L1取值的增大而向低頻移動，并且不同的L1取值，對阻帶的帶寬沒有影響.而對于阻帶帶寬的控制可以由參數(shù)S1實現(xiàn)，增大S1的取值會增加阻帶的帶寬，從圖6我們可以看到這個結(jié)果.

1.3 邊緣相似諧振器結(jié)構(gòu)

利用邊緣相似諧振器可以產(chǎn)生頻率帶寬為3.3～3.6GHz的阻帶，邊緣相似諧振器的全長為一個波導波長.該諧振器通過中心的一排通孔與單極子天線相連，因此，整個邊緣相似諧振器可以看成是兩個半波長的諧振器.阻帶的中心頻率可以利用如下公式得到：

式中：

式中：fr是由邊緣相似諧振器產(chǎn)生的阻帶的中心頻率；εr是基板材料的相對介電常數(shù)；c是光在自由空間傳播的速度.

圖7給出了參數(shù)L2對阻帶中心頻率的影響.可以看出，隨著L2取值的增大，阻帶中心頻率會往低頻端移動.

另外，和四分之一波長開路微帶諧振器一樣，在阻帶外的通帶內(nèi)存在一定的插損，這部分插損會對偶極子天線在相應工作頻率上的增益有所降低.但因為插損值較小，對天線增益的影響也很小.

圖7 參數(shù)L2取值對阻帶中心頻率的影響

2 實驗結(jié)果分析

天線實物照片見圖8.天線的測試基于Anilent N5245A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其結(jié)果見圖9.利用上文中提到的兩個諧振器，分別實現(xiàn)了3.3～3.6GHz和5.15～5.85GHz兩個阻帶特性.除去這兩個阻帶之外，天線在2.7～11GHz頻段范圍內(nèi)，電壓駐波比都小于2，并且跟仿真結(jié)果吻合很好.細微的差別可能是由加工誤差、介質(zhì)的介電損耗或者SMA頭的寄生效應所引起.我們采用Satimo SG24標準版天線測試系統(tǒng)對該天線進行輻射性能方面的測試.圖10和11給出了天線的輻射方向圖、增益和輻射效率的測試結(jié)果.對于遠場的方向圖，分別選取了3GHz、6GHz和10GHz進行測試.從圖10可以看出，天線具有跟傳統(tǒng)單極子天線類似的輻射特性.除兩個阻帶頻率之外，天線在整個UWB帶寬內(nèi)具有可接受的增益和輻射效率，而在阻帶內(nèi)，天線的輻射效率和增益急劇下降，并且在阻帶的中心頻率處達到最小值.

3 結(jié) 論

設(shè)計了一種簡單的具有雙阻帶特性的超寬帶單極子天線，其雙阻帶頻率分別在3.3～3.6GHz和5.15～5.85GHz頻段.文章對產(chǎn)生阻帶的兩種諧振結(jié)構(gòu)進行了分析，并且，通過改變諧振器的參數(shù)可以實現(xiàn)對阻帶的中心頻率和帶寬的獨立控制.天線采用PCB技術(shù)進行加工，測量結(jié)果和仿真結(jié)果吻合很好.

［1］姜 文，龔書喜，洪 濤，等.新型超寬帶微帶天線輻射和散射特性研究［J］.電波科學學報，2010，25（2）：389-392.JIANG Wen，GONG Shuxi，HONG Tao，et al.Radiation and scattering properties of a novel UWB microstrip antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（2）：389-392.（in Chinese）

［2］褚慶昕，葉亮華.用于 WLAN/WiMAX的雙頻緊湊型天線［J］.電波科學學報，2010，25（5）：893-898.CHU Qingxin，YE Lianghua.Compact dual-band antenna for WLAN/WiMAX applications［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）：893-898.（in Chinese）

［3］黃健全，褚慶昕，劉傳運.新型超寬帶復合左右手傳輸線的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電波科學學報，2010，25（3）：460-465.HUANG Jianquan，CHU Qingxin，LIU Chuanyun.Design and realization of novel ultra wide band CRLH transmission line［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（3）：460-465.（in Chinese）

［4］CAPPELLETTI G，CARATELLI D，CICCHTTI R.A low-profile printed drop-shaped dipole antenna for wide-band wireless applications［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2011，59（10）：3526-3535.

［5］LI C M，YE L H.Improved dual band-notched UWB slot antenna with controllable notched band-widths［J］.Progress in Electromagnetics Research，2011，115：.477-493.

［6］DONG Y D，HONG W，KUAI Z Q，et al.Analysis of planar ultra-wideband antennas with on ground slot band-notched structures［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2009，57（7）：1886-1893.

［7］FALLAHI R，KALTEH A A，ROOZBAHANI M G.A novel UWB elliptical slot antenna with band-notched characteristics［J］.Progress in Electromagnetics Re-search，2008，82：127-136.

［8］HU Y S，LI M，GAO G P，et al.A Double-printed trapezoidal patch dipole antenna for UWB Applications with band-notched characteristic［J］.Progress in Electromagnetics Research，2010，103：259-269.

［9］ZAINUD S H，AL-ESSA R A，IBRAHEM S M M.Overlapped printed monopole antennas for ultrawideband applications［C］//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Toronto，11-17 July，2010：1-4.

［10］RYU K S，KISHK A A.UWB antenna with single or dual band-notches for lower WLAN band and upper WLAN band［J］.IEEE Trans Antennas Propag，2009，57（12）：3942-3950.

［11］CHOI N，JUNG C，BYUN J.compact uwb antenna with I-shaped band-notch parasitic element for laptop applications［J］.IEEE Antenna Wireless Propag Lett，2009，8：580-582.

［12］LIN C C，JIN P，ZIOLKOWSKI R W.Single dual and Tri-band-notched ultrawideband（UWB）antennas using capacitively loaded loop（CLL）resonators［J］.IEEE Transactions， Antennas and Propagation，2012，60（1）：102-109.

［13］YIN K，XU J P.Compact ultra-wideband antenna with dual bandstop characteristic［J］.Electron Lett，2008，44（7）：453-454.