一種新型平面結(jié)構(gòu)的雙陷波超寬帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)*

朱曉明，楊曉冬，陳 彭

(1.哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱150001;2.黑龍江工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱150050)

1 引言

2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)正式允許將超寬帶(UWB)技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域，并指定了3.1 ～10.6 GHz作為 UWB 的工作頻段[1]，由此可以全部覆蓋頻段范圍的UWB天線(xiàn)成為一種新穎的天線(xiàn)類(lèi)型。然而在UWB頻段內(nèi)同時(shí)伴隨著許多窄帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，如IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)下WLAN工作頻段 2.4 ～2.483 5 GHz，IEEE 802.11a 標(biāo)準(zhǔn)下WLAN工作頻段5.15～5.825 GHz，WiMAX 工作頻段2.5 ～2.69 GHz、3.4 ～3.69 GHz、5.25 ～5.850 GHz，以及用于衛(wèi)星通信的C頻段3.7～4.2 GHz和X頻段7.25 ～7.75 GHz、7.9 ～8.4 GHz等。為避免 UWB系統(tǒng)與這些窄帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的干擾，可在天線(xiàn)裝置前端引入帶阻濾波器，但是在系統(tǒng)的體積、復(fù)雜度和阻抗匹配等方面都會(huì)引入不同程度的問(wèn)題，因此直接在UWB天線(xiàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出具有陷波特性的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。目前常用的陷波方法是在微帶輻射貼片或接地板的適當(dāng)位置處開(kāi)不同形狀的縫隙，如 U 形縫隙、L 形縫隙、弧形縫隙等[2－5]，引起特定頻段的諧振，改變UWB天線(xiàn)的輻射特性。還有在較大的凹槽內(nèi)添加小的諧振器[6]，或是在貼片附近放置寄生單元[7]等方法，以實(shí)現(xiàn)在特定頻段內(nèi)具有濾波的功能。這些天線(xiàn)通常采用同一種陷波實(shí)現(xiàn)方法，利用貼片上不同的縫隙形狀實(shí)現(xiàn)多頻帶的抑制功能，因此對(duì)天線(xiàn)的尺寸有一定的限制。

本文將兩種超寬帶天線(xiàn)的陷波抑制方法相結(jié)合，提出了一種具有雙陷波特性的UWB天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，為了更加有效地實(shí)現(xiàn)超寬帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)，采用基于共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)印刷單極子天線(xiàn)為基礎(chǔ)模型，通過(guò)輻射貼片開(kāi)窗方法和添加附加寄生單元方法實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)頻段的陷波功能，可以有效減小天線(xiàn)的平面尺寸。

2 UWB基礎(chǔ)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

UWB天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，介質(zhì)基片厚度h為1.6 mm，相對(duì)介電常數(shù) εr為 4.4，損耗正切 tanδ為0.02，介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)為

式中，c是光速，fr是諧振頻率，天線(xiàn)寬度W的選取要小于上式計(jì)算結(jié)果，否則會(huì)產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變。天線(xiàn)長(zhǎng)度L選取約為

通過(guò)式(1)～(3)，選取天線(xiàn)的尺寸為12 mm×22 mm，該尺寸小于目前所設(shè)計(jì)的具有陷波功能的UWB 天線(xiàn)[8－11]?；A(chǔ)天線(xiàn)采用 CPW 饋電方式，導(dǎo)帶與接地面均位于同一平面，這樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且更適合于構(gòu)成微波和毫米波的混合集成電路。

圖1 雙陷波UWB天線(xiàn)模型Fig.1 Geometry of the UWB antenna with two notched bands

由于UWB天線(xiàn)頻段覆蓋范圍較寬，使得阻抗匹配問(wèn)題顯得尤為重要，為了滿(mǎn)足微帶饋線(xiàn)50 Ω的阻抗匹配特性，階梯阻抗微帶饋線(xiàn)結(jié)構(gòu)可以在一定程度上滿(mǎn)足要求，其中階梯級(jí)數(shù)越多，就會(huì)在越多的頻率點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從而拓寬頻段范圍，但是過(guò)多的階梯級(jí)數(shù)會(huì)使得變換器的總長(zhǎng)度增加，尺寸會(huì)過(guò)大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也就更加困難，目前多采用的是一或二級(jí)的階梯結(jié)構(gòu)[12]。

本文提出了漸變導(dǎo)帶的CPW饋電結(jié)構(gòu)，在某種程度上相當(dāng)于多階梯阻抗匹配結(jié)構(gòu)，這樣就實(shí)現(xiàn)了UWB天線(xiàn)在寬頻帶下的阻抗匹配，使得天線(xiàn)的輸入阻抗隨著頻率的變化波動(dòng)很小。UWB天線(xiàn)的輻射貼片為矩形，通過(guò)對(duì)矩形貼片形狀的改變，減小了直角彎折處電流的不連續(xù)性，展寬天線(xiàn)的頻帶范圍。通過(guò)改變L1參數(shù)，可見(jiàn)天線(xiàn)頻寬變化情況如圖2所示。經(jīng)過(guò)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定基礎(chǔ)天線(xiàn)模型參數(shù)如下:W0=7 mm，W1=4.8 mm，W2=1.1 mm，W3=1.8 mm，L0=8.5 mm，L1=3 mm，L2=8 mm，L3=1.8 mm。

圖2 參數(shù)L1對(duì)基礎(chǔ)天線(xiàn)駐波比的影響Fig.2 VSWR of the base antenna with different L1

3 UWB天線(xiàn)陷波特性的設(shè)計(jì)

為了避免WLAN和WiMAX窄帶通信系統(tǒng)對(duì)UWB信號(hào)的潛在影響，必須能夠抑制這些頻段的干擾信號(hào)，在上述基礎(chǔ)天線(xiàn)模型之上，通過(guò)在天線(xiàn)背面附加寄生單元和在輻射貼片上開(kāi)窗的混合方法，本文提出了具有雙陷波特性的UWB天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 附加寄生單元結(jié)構(gòu)

根據(jù)天線(xiàn)的場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，在天線(xiàn)背面附加了的兩個(gè)近似T形的寄生單元，文中定義為偏T形結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)圓柱探針將輻射貼片與寄生單元相連接，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)對(duì)5.15～5.825 GHz頻段內(nèi)的其他信號(hào)的抑制。偏T形寄生單元長(zhǎng)度ln1與陷波頻率fn1關(guān)系如下所示:

圖4 參數(shù)r2和r4對(duì)陷波天線(xiàn)駐波比的影響Fig.4 VSWR of the band－notched antenna with different r2and r4

在天線(xiàn)的實(shí)際設(shè)計(jì)中有效介電常數(shù)εe可簡(jiǎn)化為

UWB基礎(chǔ)天線(xiàn)平面尺寸較小，結(jié)構(gòu)較緊湊，因此必須將寄生單元彎折才能達(dá)到陷波頻率對(duì)尺寸的要求。雙偏T形寄生單元長(zhǎng)度近似相等:

對(duì)r1和r3優(yōu)化如圖3所示，當(dāng)寄生單元結(jié)構(gòu)為雙L形時(shí)(r1=3.5 mm、r3=3 mm)，雖然具有了陷波功能，但陷波中心頻率處VSWR僅有3.34，陷波效果較差;當(dāng)采用偏T結(jié)構(gòu)時(shí)，寄生單元表面的電流值增大，VSWR提高，陷波能力加強(qiáng)。對(duì)r2和r4優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖3 參數(shù)r1和r3對(duì)陷波天線(xiàn)駐波比的影響Fig.3 VSWR of the band－notched antenna with different r1and r3

從上述寄生單元的尺寸優(yōu)化分析可見(jiàn)，增加r1和r3的長(zhǎng)度使得所對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的陷波中心頻率減小，因?yàn)楣?4)表明寄生單元尺寸與陷波中心頻率成反比關(guān)系;在寄生單元總體尺寸ln1不變的前提下，長(zhǎng)度r2和r4在一定程度上決定了天線(xiàn)陷波能力的強(qiáng)弱，尺寸的增加或減少都會(huì)使得VSWR的數(shù)值減小，降低天線(xiàn)的陷波能力。寄生單元之所以采用兩個(gè)偏T結(jié)構(gòu)是因?yàn)閮烧咴谙莶l段內(nèi)可以產(chǎn)生共同諧振的作用，增加了陷波中心頻率所對(duì)應(yīng)的VSWR，大大提高了單一寄生單元的陷波能力。

3.2 輻射貼片開(kāi)窗結(jié)構(gòu)

為了在3.4～3.69 GHz頻段再產(chǎn)生第二個(gè)陷波，本文采用在輻射貼片上開(kāi)窗的方法來(lái)產(chǎn)生陷波諧振點(diǎn)，開(kāi)窗長(zhǎng)度ln2與陷波頻率fn2關(guān)系同理于公式(4)。

由于第二陷波中心頻率相對(duì)較小，使得開(kāi)窗長(zhǎng)度ln2較大，必須對(duì)其進(jìn)行多處彎折處理才能在輻射貼片上起到陷波作用。為避免與第一陷波頻段產(chǎn)生干擾，必須合理選擇開(kāi)窗位置。當(dāng)n0為1～2 mm時(shí)，在俯視結(jié)構(gòu)上窗口與偏T形寄生單元相重合，會(huì)對(duì)第一陷波頻段造成很大影響，使其失去原有頻段的陷波特性。

因此，在窗口結(jié)構(gòu)未發(fā)生重疊的允許范圍內(nèi)，對(duì)窗口與貼片底部距離n0進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖5所示。隨著 n0尺寸的增加，第二陷波頻帶(3.4～3.69 GHz)呈現(xiàn)穩(wěn)定的特性，但對(duì)于第一陷波頻段的影響較大，主要是因?yàn)樘炀€(xiàn)尺寸較小，窗口的位置會(huì)對(duì)連接偏T形寄生單元的探針造成干擾，從而影響到第一陷波頻段的中心頻率以及陷波能力，所以窗口與寄生單元間要保持相對(duì)較遠(yuǎn)的距離。最終選擇n0為5 mm，此時(shí)兩陷波段相互影響較小，幾乎保持了在單陷波結(jié)構(gòu)下的陷波特性。

圖5 參數(shù)n0對(duì)陷波天線(xiàn)駐波比的影響Fig.5 VSWR of the band－notched antenna with different n0

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化寄生單元和開(kāi)窗兩種陷波結(jié)構(gòu)，最終確定合理的陷波UWB天線(xiàn)模型尺寸，分別在3.43 ～3.77 GHz和5.05 ～5.95 GHz頻段內(nèi)使所設(shè)計(jì)天線(xiàn)具有了陷波特性，實(shí)際制作天線(xiàn)如圖6所示。

圖6 實(shí)際制作的陷波UWB天線(xiàn)Fig.6 Photo of the fabricated band－notched UWB antenna

天線(xiàn)電流分布情況如圖7所示，圖(a)表示在第二陷波中心頻率3.6 GHz下電流主要集中在正面輻射貼片所開(kāi)窗口的周?chē)?而圖(b)表示在第一陷波中心頻率5.5 GHz下的電流分布主要集中在天線(xiàn)背面的雙偏T寄生單元結(jié)構(gòu)上，說(shuō)明在所設(shè)計(jì)的陷波結(jié)構(gòu)上發(fā)生了諧振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其他信號(hào)的抑制作用;圖(c)和圖(d)的頻率點(diǎn)選在天線(xiàn)工作頻帶范圍內(nèi)，其輻射貼片正面的窗口和背面的寄生單元處電流分布并不集中，電流主要集中在漸變導(dǎo)帶附近，可見(jiàn)不同頻率點(diǎn)下的電流分布情況證明了UWB天線(xiàn)兩種陷波結(jié)構(gòu)的正確性和工作頻段下天線(xiàn)輻射的有效性。

圖7 陷波超寬帶天線(xiàn)的電流分布情況Fig.7 Current distributions of the dual band－notched antenna

該天線(xiàn)在工作頻段 3 GHz、4.5 GHz、6.5 GHz、9 GHz時(shí)的E面和H面的歸一化方向圖如圖8所示，可見(jiàn)該天線(xiàn)H面具有良好的全向輻射的特性，E面方向圖近似偶極子天線(xiàn)的輻射特性，也近似接近于全向輻射特性。

使用安捷倫E8362B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)制作天線(xiàn)進(jìn)行阻抗特性測(cè)試，測(cè)試與仿真的駐波比曲線(xiàn)對(duì)比如圖9所示。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，主要是由于實(shí)際測(cè)試環(huán)境和SMA接頭造成了兩者的差異，但整體上可以體現(xiàn)出所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)可以有效地抑制來(lái)自WLAN和WiMAX系統(tǒng)的干擾。

圖8 雙陷波天線(xiàn)輻射方向圖Fig.8 Radiation patterns of the dual band－notched antenna

圖9 雙陷波UWB天線(xiàn)的VSWR曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.9 VSWR of the dual band－notched antenna between measurement and simulation

該雙陷波天線(xiàn)的增益如圖10所示，曲線(xiàn)中出現(xiàn)兩段下降頻段，表明在整個(gè)UWB頻段內(nèi)天線(xiàn)增益特性較好，但是在所設(shè)計(jì)的陷波頻段下天線(xiàn)性能下降，不能起到輻射的作用，即是在特定頻段下達(dá)到了陷波抑制的功能。

圖10 雙陷波UWB天線(xiàn)的增益Fig.10 Gain of the dual band－notched antenna

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種具有漸變階梯結(jié)構(gòu)的UWB基礎(chǔ)天線(xiàn)模型，具有寬頻帶阻抗匹配特性，天線(xiàn)整體尺寸為12 mm×22 mm×1.6 mm，通過(guò)雙偏T寄生單元和開(kāi)窗的混合方法，使該天線(xiàn)具有了陷波功能，通過(guò)仿真優(yōu)化調(diào)整天線(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)WLAN(5.15 ～5.825 GHz)和 WiMAX(3.4 ～3.69 GHz)窄帶信號(hào)的抑制，天線(xiàn)表面的電流分布特性說(shuō)明兩種陷波結(jié)構(gòu)的有效性，同時(shí)在工作頻段范圍內(nèi)天線(xiàn)輻射方向圖體現(xiàn)了較好的全向性。制作天線(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線(xiàn)在兩個(gè)陷波頻段內(nèi)VSWR大于2，而且增益曲線(xiàn)在此區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)明顯下降特性，說(shuō)明該UWB天線(xiàn)可以有效避免WLAN和WiMAX的干擾信號(hào)，并且在超寬帶頻段內(nèi)具有2.8～6 dB的增益特性。所設(shè)計(jì)的雙陷波UWB天線(xiàn)具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于微波集成和實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要通過(guò)反復(fù)的參數(shù)優(yōu)化才能最終確定天線(xiàn)尺寸，如何對(duì)天線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行全局、有效的優(yōu)化方法將是進(jìn)一步的研究方向。

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