具有陷波特性梯形印制單極超寬帶天線

李偉文，陳杰良，蔡立紹，游佰強(qiáng)

(廈門大學(xué) 電子工程系，福建廈門 361005)

0 引 言

自2002 年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)授權(quán)3.1 GHz ～10.6 GHz 為室內(nèi)超寬帶(UWB)通信頻段，UWB 技術(shù)成為近距離高速率無線通信的研究熱點(diǎn)。作為UWB 關(guān)鍵技術(shù)之一的超寬帶天線，要求在大阻抗帶寬范圍內(nèi)具有固定相位中心。印制單極結(jié)構(gòu)是最有前景的UWB 天線，它利用印制電路板工藝，通過振子體、接地面和饋電結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)單極天線超寬帶特性［1～4］?？紤]到UWB 部分頻段與其他通信系統(tǒng)重疊，如無線局域網(wǎng)(WLAN)的5.15 GHz ～5.85 GHz 頻段，這將對(duì)UWB 系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，因此具有陷波特性超寬帶天線成為當(dāng)前關(guān)注焦點(diǎn)［5～11］。

設(shè)計(jì)了一款帶三角形槽梯形印制單極超寬帶天線，其尺寸為30 mm ×30 mm，駐波比(VSWR)小于2 的阻抗帶寬為2. 8 GHz ～12. 81 GHz，倍頻帶寬達(dá)到4.6 ∶1。并以此為原型天線，在振子體加載1/2 波長縫隙諧振器，形成具有陷波功能UWB天線，實(shí)現(xiàn)了駐波比大于3 的4.8 GHz ～6.0 GHz阻帶。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

介質(zhì)基板厚度和介電常數(shù)是影響印制天線阻抗帶寬兩個(gè)重要因素［12］。較厚介質(zhì)基板電容效應(yīng)小，對(duì)電磁能束縛弱。但厚基板的表面波效應(yīng)強(qiáng)，天線輻射效率低，并影響天線輸入阻抗和輻射場的頻率特性。基板介電常數(shù)較小時(shí)，其與空間波阻抗更接近，利于電磁能與空間的耦合輻射。但小介電常數(shù)基板將增加天線尺寸，不利于小型化的實(shí)現(xiàn)。綜合考慮，本文選用相對(duì)介電常數(shù)εr為2.65，厚度為1.5 mm 的F4BK-2 基板，其雙面敷銅層厚度為0.035 mm，損耗角正切為0.02。

天線采用50 Ω 微帶線饋電。由于饋線長度將決定接地面尺寸，并對(duì)天線阻抗特性產(chǎn)生影響，考慮UWB 頻率范圍，設(shè)計(jì)天線取微帶饋線寬為4 mm，長為16 mm。

矩形輻射元結(jié)構(gòu)是印制單極天線最基本原型，工作時(shí)其電流主要分布于平面輻射器的下邊緣和兩側(cè)邊，邊側(cè)與底側(cè)線總長決定最低諧振頻率，而底側(cè)線長決定工作頻帶內(nèi)的最高諧振頻點(diǎn)。為展寬工作帶寬并減少振子面積，設(shè)計(jì)天線采用梯形結(jié)構(gòu)平面輻射元。由于輻射元中上部電流很弱，如在其上邊緣側(cè)開槽口，對(duì)天線輻射特性影響不大。按此思路，設(shè)計(jì)天線在梯形振子體開挖三角形槽，用于芯片等其它射頻元件安置，以減少UWB 系統(tǒng)整體尺寸。

印制單極天線本質(zhì)上是諧振天線，在較寬頻帶范圍內(nèi)有多個(gè)諧振點(diǎn)，超寬帶的實(shí)現(xiàn)，就需增加相鄰諧振點(diǎn)各自的阻抗帶寬。輻射器的設(shè)計(jì)，能展開對(duì)應(yīng)諧振點(diǎn)的阻抗帶寬，但不一定能實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)諧振點(diǎn)的阻抗帶寬要求，這需要饋電結(jié)構(gòu)或接地面形狀的設(shè)計(jì)。所研制的天線采用階梯形接地面結(jié)構(gòu)，以利于印制單極天線工作頻帶的拓寬。因?yàn)楦哳l時(shí)諧振波長較短，電流主要分布在振子體下側(cè)邊，與之耦合較強(qiáng)的接地面區(qū)域也應(yīng)變短;低頻時(shí)諧振長度增大，振子體與接地面的間距也應(yīng)增大，以利于輻射。正是輻射元側(cè)邊與接地面上邊緣形成的漸變開口，可在較寬頻帶范圍內(nèi)補(bǔ)償由于頻率變化引入的電抗成分，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的寬帶化。

為不對(duì)輻射特性產(chǎn)生較大影響，接地面最小高度應(yīng)當(dāng)接近低頻端諧振點(diǎn)波長的1/4，接地面最小寬度應(yīng)取該諧振波長的1/2。相對(duì)于接地面高度，接地面寬度對(duì)阻抗帶寬的影響較大。按此原則可對(duì)接地面尺寸進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。

陷波超寬帶天線的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)如圖1 所示。如除去凹形縫隙，即為全頻帶超寬帶原型天線。兩天線結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，基本參數(shù)見表1。其中階梯形接地面尺寸為:r1= 8 mm，r2= 4 mm，d1=d2=2 mm;陷波天線凹形縫隙尺寸為:ds=2 mm，d=0.3 mm，ws= 2 mm，wh=14 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)

表1 天線的幾何尺寸 單位:mm

2 仿真測試結(jié)果

由于UWB 輻射功率譜密度極低，一般要求天線帶寬內(nèi)駐波比小于2. 0，甚至3. 0 即可。以VSWR≥3.0 作為阻帶標(biāo)準(zhǔn)，而VSWR≤2.0 作為通帶標(biāo)準(zhǔn)。全頻帶天線與陷波天線駐波比的仿真與測試結(jié)果，如圖2 所示。從仿真結(jié)果看，全頻帶天線VSWR≤2.0 的阻抗帶寬范圍為2. 8 GHz ～11.76 GHz。實(shí) 測結(jié) 果 為2. 8 GHz ～12. 81 GHz(圖中未給出)，比仿真值略大。陷波天線仿真結(jié)果表明，在5.1 GHz ～6.0 GHz 間VSWR≥3.0，而其他頻段駐波比與全頻帶天線基本一致。實(shí)測陷波天線VSWR≥3.0 的頻帶為4.8 GHz ～6.0 GHz。與仿真結(jié)果相比，頻帶有所下移，陷波帶寬增加。仿真與測試的誤差，一方面與數(shù)值計(jì)算較多近似有關(guān)，另一方面也與測試環(huán)境及SMA 接頭的焊接精度有關(guān)。

圖2 天線電壓駐波比仿真與測試結(jié)果

陷波天線在9 GHz 處兩主平面的主場極化方向圖和交叉極化方向圖仿真結(jié)果，如圖3 所示。可以看到，天線輻射場特性與單極柱天線類似，其E 面(yoz 面)方向圖近似為“∞”字形，而H 面(xoz 面)具有全向輻射特性。對(duì)比主場極化，天線E 面交叉極化小于－138 dB(因值較小圖中未能顯示)，H 面交叉極化低于－15 dB。3 GHz 和6 GHz 方向性與圖3 類似，但交叉極化更低，這表明天線具有較好的方向圖帶寬。

圖3 在9 GHz 陷波天線共面極化與交叉極化方向圖

梯形天線開凹形縫隙前后增益對(duì)比如圖4 所示?？梢钥吹?，相對(duì)于全頻段原型天線，陷波天線在陷波頻帶最高增益抑制達(dá)到9 dB，具有良好的頻帶抑制效果。在FCC 規(guī)定頻段內(nèi)，除陷波頻帶外，陷波天線增益波動(dòng)小于3 dB，表明天線增益帶寬也滿足要求。

圖4 陷波天線與原型天線增益對(duì)比

與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)不同，UWB 短脈沖直接代表信號(hào)內(nèi)容，因此要求超寬帶天線具有穩(wěn)定相位中心，以提高信號(hào)保真度，它由天線時(shí)域特性決定。利用五階微分高斯脈沖激勵(lì)時(shí)全頻帶原型天線遠(yuǎn)場相位變化，如圖5 所示。

圖5 距離200 mm 處全頻帶天線遠(yuǎn)場的相頻特性

可以看出，在距離天線200 mm 處，輻射場具有線性相頻特性。這是由于天線電尺寸較小，輻射元大部分區(qū)域?qū)φ麄€(gè)頻段均有輻射，使相位中心變化較小。但相位中心畢竟不是完全固定，隨著傳輸距離增加(如800 mm)，微小相位變化的積累，最終導(dǎo)致非線性相頻變化，這也說明本天線適用于短距離UWB 通信。

以上結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的帶三角形槽梯形印制單極天線滿足UWB 天線要求。通過在振子體加載凹形縫隙，取得了良好的陷波效果。除產(chǎn)生阻帶外，陷波天線滿足UWB 系統(tǒng)對(duì)天線阻抗特性、方向特性和相頻特性的要求。

3 陷波特性分析

陷波天線輸入阻抗的頻率特性，如圖6 所示。可以看出，除5.15 GHz ～5.85 GHz 頻帶外，在工作頻段內(nèi)其阻抗特性與全頻帶原型天線一致:輸入電阻在50 Ω 上下波動(dòng)，輸入電抗在0 Ω 上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍均小于25 Ω。在5.5 GHz 附近的阻抗突變，說明此時(shí)天線等效于RLC 諧振回路，具有帶阻濾波器效果。

圖6 陷波天線輸入阻抗的頻率特性

陷波天線凹形縫隙，處于輻射元強(qiáng)電流區(qū)，在陷波頻點(diǎn)，形成終端短路半波諧振器，可等效為由電感Leq和電容Ceq組成的并聯(lián)LC 諧振回路。在工作頻帶，振子體可等效為輻射電阻Ra。對(duì)于印制單極天線，其接地面不可避免地參與輻射，可將其等效為輻射電阻Rg，它通過耦合單元J1與微帶線作用。類似于文獻(xiàn)［9］的方法，可構(gòu)建如圖7 所示陷波天線在阻帶附近的等效電路模型。

圖7 陷波天線的等效電路

按陷波天線等效電路，振子體側(cè)等效輸入導(dǎo)納Ya有

則天線饋電端的輸入導(dǎo)納Yin為

類似地，對(duì)于天線整體，有

則其3 dB 帶寬即對(duì)應(yīng)于天線的陷波帶寬，為

相對(duì)帶寬為

越窄的縫隙其等效電容越大?？p隙長度增加，縫隙寬長比減少，等效于縫隙變窄，因此越長縫隙其等效電容也越大，同時(shí)諧振頻點(diǎn)下移。可以預(yù)見，如果陷波天線縫隙增長，陷波頻段將下移，其品質(zhì)因數(shù)增大，陷波頻帶變窄。這也說明，為達(dá)到預(yù)期的陷波頻帶，由縫隙長度確定其中心陷波頻點(diǎn)，由縫隙寬度來調(diào)整陷波帶寬。

5.5GHz 時(shí)原型天線與陷波天線表面電流分布情形如圖8(a)與(b)所示?？梢钥闯觯谙莶l點(diǎn)，開縫隙后天線表面電流分布發(fā)生根本性變化，此時(shí)主要集中在縫隙區(qū)域。由等效模型可知，在陷波中心頻點(diǎn)電路產(chǎn)生諧振，電磁能主要集中在諧振單元Leq和Ceq上，輻射單元Ra和Rg上電流分布很少，天線輻射性能急劇下降。而其他頻段內(nèi)，表面電流分布與原型天線一致。

圖8 在5.5 GHz 時(shí)天線表面電流分布

4 結(jié) 語

帶三角形槽的梯形印制單極天線，通過引入階梯接地面，實(shí)現(xiàn)了2.8 GHz ～12.81 GHz 的阻抗帶寬。在此頻段內(nèi)，天線具有全向輻射特性，其阻抗特性和相位中心穩(wěn)定。以該天線為原型，通過對(duì)振子體的縫隙加載，引入諧振機(jī)構(gòu)，改變特點(diǎn)頻帶處天線表面電流分布，實(shí)現(xiàn)了陷波特性。陷波天線的陷波頻帶為4.8 GHz ～6.0 GHz，陷波頻帶內(nèi)最大增益抑制達(dá)到9 dB。陷波天線其他頻段的性能與原型天線基本一致，滿足超寬帶通信系統(tǒng)的要求。

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