新型小尺寸雙陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)

曹新宇 張金玲 楊虹蓁

（1.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京100876；2.北華航天工業(yè)學(xué)院電子工程系，河北 廊坊065000）

引 言

超寬帶無(wú)線電技術(shù)最初主要是用于雷達(dá)、準(zhǔn)確定位等領(lǐng)域.2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)通過(guò)了允許超寬帶技術(shù)用于民用化的規(guī)范，并將3.1～10.6GHz的頻率范圍分配給通信系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)使用.超寬帶天線與窄帶天線的本質(zhì)區(qū)別在于，它是通過(guò)發(fā)射和接收時(shí)間為納秒級(jí)的窄脈沖來(lái)進(jìn)行通信的.該技術(shù)是通過(guò)提高信道的帶寬進(jìn)一步來(lái)提高信道容量的，信道帶寬可以達(dá)到數(shù)個(gè)GHz.正因?yàn)槿绱?，超寬帶技術(shù)擁有窄帶技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于短距離無(wú)線通信［1-2］.

由于超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）無(wú)線系統(tǒng)與其他無(wú)線系統(tǒng)共享頻率資源，在重疊頻段系統(tǒng)間信號(hào)彼此將形成干擾，如在5.1～5.8GHz頻段，與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks，WLAN）會(huì)產(chǎn)生同頻段干擾.為避免可能造成的信號(hào)誤碼，最有效的辦法就是設(shè)計(jì)具有阻帶濾波特性的超寬帶天線，使其在它系統(tǒng)使用頻段上形成信號(hào)抑制，從而降低系統(tǒng)間干擾，因此具有阻帶特性的UWB天線近年來(lái)成為了研究熱點(diǎn).同時(shí)，為了拓展超寬帶天線的應(yīng)用，方便集成化，對(duì)天線的尺寸和結(jié)構(gòu)的要求也相當(dāng)苛刻.小型化和平面化的設(shè)計(jì)要求，決定了天線設(shè)計(jì)和加工的成本及難度，間接影響了天線的應(yīng)用場(chǎng)合和領(lǐng)域，因此也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考量.

針對(duì)上述超寬帶天線的頻段陷波和小型化要求，設(shè)計(jì)了一款小型化平面雙陷波超寬帶天線［3］.

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見的小型UWB天線主要包括印刷型單極子和寬縫隙天線［4］.按照饋電方式的不同，可以將超寬帶天線分為三類：同軸饋電超寬帶天線、共面波導(dǎo)饋電超寬帶天線、微帶線饋電超寬帶天線.

共面波導(dǎo)和微帶線饋電結(jié)構(gòu)的超寬帶天線，由于它們均體積小、剖面尺寸小，易于系統(tǒng)集成，而且改變接地的形狀能得到不同的頻段效應(yīng)，因此這兩類結(jié)構(gòu)得到了人們的青睞.

當(dāng)然微帶線饋電與共面波導(dǎo)饋電方式也有差別，微帶線饋電的天線在介質(zhì)板的上下兩面都有金屬片，背面的金屬既可作為微帶線的接地板，同時(shí)也起到了一定的電磁兼容效果.

根據(jù)上述特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)采用了印刷型單極子微帶線饋電超寬帶天線結(jié)構(gòu).為了滿足寬帶頻譜要求，在傳統(tǒng)的單極矩形天線的基礎(chǔ)上，采用斜切角和地板開槽技術(shù)，設(shè)計(jì)出頻段覆蓋3.1～10.6GHz完整頻段的超寬帶天線.

對(duì)于平面單極天線而言，它的尺寸大小主要取決于低頻值，為使駐波比小于2，可以用圓柱體側(cè)面展開尺寸近似地給予估算.下面給出圓柱體的估算公式：

式中：L為估算圓柱高；r為圓柱底面半徑；λ為低頻端對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，mm；f為低頻端對(duì)應(yīng)的頻率，GHz.當(dāng)考慮饋線地板與天線的間隙g時(shí)，選用公式（3）.

通過(guò)上面的估算公式，可以得到矩形單極天線的初始尺寸，這里選取的矩形貼片尺寸為22mm×16mm，在該初始尺寸基礎(chǔ)上，加以參數(shù)優(yōu)化和斜切角技術(shù)處理，完成超寬帶天線設(shè)計(jì).該天線印制在相對(duì)介電常數(shù)為2.2，厚度為1mm的聚四氟乙烯材料上，圖1給出了超寬帶天線設(shè)計(jì)的正反面結(jié)構(gòu)圖.

圖1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖（左為正面，右為反面）

2 陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超寬帶陷波功能的實(shí)現(xiàn)手段大致可劃分為兩類：槽線法和寄生貼片法.實(shí)現(xiàn)陷波特性的主要原理在于將槽線和寄生貼片等效為諧振器，并且使要陷波的頻點(diǎn)產(chǎn)生諧振［5］.

通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)饋電間隙對(duì)天線性能影響較大.饋電間隙減小會(huì)增大介質(zhì)上表面的輻射貼片與下表面的微帶線地板之間的電容性，從而影響輻射頻段.通過(guò)參數(shù)優(yōu)化選定在饋電間隙為1mm時(shí)，頻段和匹配效果最佳.圖2給出了所設(shè)計(jì)天線的回波損耗曲線.從圖2可以看出在3.1～10.6GHz頻段，損耗小于-10dB，且傳輸參數(shù)比較平滑，很好地滿足了超寬帶天線的頻段要求.

比較兩種實(shí)現(xiàn)手段，槽線法更容易分析和估算，且性能更加可靠，在設(shè)計(jì)中也更容易優(yōu)化和調(diào)整.設(shè)計(jì)中槽線長(zhǎng)度可由下式估算：

圖2 超寬帶天線回波損耗曲線

本設(shè)計(jì)選用U形槽槽線法構(gòu)造半波長(zhǎng)諧振器，選在無(wú)線局域網(wǎng)5.15～5.825GHz和全球微波互聯(lián)網(wǎng)3.4～3.6GHz兩個(gè)應(yīng)用頻段產(chǎn)生陷波，形成信號(hào)的抑制，使各系統(tǒng)工作信號(hào)頻段隔離，不受彼此信號(hào)干擾，實(shí)現(xiàn)信號(hào)正常傳輸和接收.為了確保系統(tǒng)間信號(hào)的有效隔離，這里選擇略展寬的陷波頻段，以形成保護(hù)間隙，設(shè)計(jì)在3.3～3.8GHz和5.0～5.9 GHz頻段實(shí)現(xiàn)陷波.通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的超寬帶天線電流仿真分析，得知電流能量主要集中在貼片縱向的中部，因此在此開槽諧振效果明顯.設(shè)計(jì)采用了層疊的U形槽線，在限定頻段實(shí)現(xiàn)陷波功能.圖3給出了陷波天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖.

圖3 超寬帶雙陷波天線結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)分析仿真驗(yàn)證了在層疊槽線間隔不小于2mm時(shí)，陷波槽線彼此之間影響可忽略.圖4給出了外層槽線尺寸長(zhǎng)度參數(shù)L2優(yōu)化曲線圖.由優(yōu)化曲線圖再次驗(yàn)證了調(diào)整3.5GHz陷波槽線參數(shù)時(shí)，對(duì)5.5GHz陷波頻段影響甚微.此層疊的槽線布局進(jìn)一步保證了天線小型化和多陷波特性的設(shè)計(jì)要求.

圖4 陷波槽線參數(shù)L2優(yōu)化曲線圖

上述為陷波天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，在分析中，根據(jù)超寬帶性能指標(biāo)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了全面優(yōu)化，表1列出了天線優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù).

表1 陷波天線設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 性能參數(shù)分析

采用HFSS設(shè)計(jì)仿真軟件，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，選取聚四氟乙烯介質(zhì)基板，建立了30mm×18 mm×1mm小尺寸陷波天線，對(duì)超寬帶陷波天線重要性能參數(shù)分析和仿真，給出了分析結(jié)果曲線，如圖5、6所示.

從圖5可以看出，天線在3.1～10.6GHz的超寬帶頻段中，除3.3～3.9GHz和5.0～5.9GHz頻段，實(shí)現(xiàn)了超寬帶天線的設(shè)計(jì)要求，回波損耗不大于-10dB，駐波比小于2，在陷波頻段損耗平均有7 dB的增長(zhǎng)，產(chǎn)生了很好的陷波抑制作用.

圖6給出了天線在3、6、9GHz頻點(diǎn)處的遠(yuǎn)場(chǎng)E和H面輻射圖.從圖6可以看出該天線在E面輻射方向圖近似偶極子，在H面輻射近似全向輻射，雖然在9GHz處方向圖略有惡化，H面輻射場(chǎng)強(qiáng)也有所減弱，但輻射強(qiáng)度仍滿足超寬帶天線通信的要求.

圖5 雙陷波天線回波損耗圖

圖6 超寬帶陷波天線輻射場(chǎng)強(qiáng)圖

4 結(jié) 論

通過(guò)分析和研究，設(shè)計(jì)了一種小尺寸超寬帶雙陷波天線，通過(guò)層疊槽線方式，在選定的3.5GHz和5.5GHz兩中心頻點(diǎn)所在頻段產(chǎn)生陷波，通過(guò)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)天線具有較好的陷波效果，層疊式的槽線有利于減小天線的結(jié)構(gòu)尺寸，并且為多陷波天線的小型化設(shè)計(jì)提供了方便.同時(shí)給出了遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖，設(shè)計(jì)滿足超寬帶天線的通信輻射要求.下一階段將進(jìn)一步分析超寬帶可調(diào)陷波天線及其天線小型化處理.

［1］CHUNG K，KIN J.Wideband microstrip-fed monopole antenna having frequency band-notch function［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2005，15（11）：766-768.

［2］SHENG J，YANG X X，SUN J T，et al.Double-Printed circular disc antenna having a frequency band notch function［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2007，49（11）：2675-2677.

［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.ZHONG Shunshi，LIANG Xianling，YAN Xiaorong.UWB planar antenna technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（2）：308-315.（in Chinese）

［4］NIKOLAOU S，KINGSLEY N D，PONCHAK G E.UWB elliptical monopoles with a reconfigurable band notch using MEMS switches actuated without bias lines［J］.IEEE Transaction Antennas and Propagation，2009，57（8）：2242-2251.

［5］CHU Q X，YANG Y Y.3.5／5.5GHz dual band-notch ultra-wideband antenna［J］.Electron Letters，2008，44（3）：172-174.

［6］GOMEZ-CALERO C，TAHAAHMED B，MARTINEZL R.A novel ultra-wideband frequency planar notchfilter antenna［J］.Microw Opt Technol Letters，2010，52（1）：213-216.

［7］延曉榮，鐘順時(shí)，梁仙靈.漸變共面波導(dǎo)饋電的新型超寬帶印刷單極天線［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（5）：823-827.YAN Xiaorong，ZHONG Shunshi，LIANG Xianling.Novel ultra-wideband printed monopole antennas fed by tapered coplanar waveguides［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（5）：823-827.（in Chinese）

［8］程 勇，呂文俊，程崇虎，等.一種小型平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究［J］.電 波 科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：552-555.CHENG Yong，LüWenjun，CHENG Chonghu，et al.Design and analysis of a compact planar ultra-wideband antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2006，21（4）：552-555.（in Chinese）

［9］李耀煥.小型化平板單極天線UWB天線的設(shè)計(jì)及其開槽負(fù)載特性的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.LI Yaohuan.Designed of Miniature Printed Monopole UWB Antenna and Research on its Property of Slot Loaded［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2008.（in Chinese）

［10］白曉峰，鐘順時(shí)，梁仙靈.翼型地板超寬帶（UWB）印制天線［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，12（2）：125-128.BAI Xiaofeng，ZHONG Shunshi，LIANG Xianling.UWB printed antenna with a wing-shaped ground plate［J］.Journal of Shanghai University：Natural Science，2006，12（2）：125-128.（in Chinese）