基于U形槽陷波的共面波導(dǎo)超寬帶天線

紀(jì)濤+盧新棟

摘 要：針對(duì)超寬帶系統(tǒng)易受IEEE802.11a無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的干擾問(wèn)題，提出了帶有U 形槽的平面超寬帶天線。該天線采用共面波導(dǎo)饋電，并在波導(dǎo)饋線處刻蝕一U形槽實(shí)現(xiàn)5.1～5.9 GHz的陷波。仿真結(jié)果表明，在2.7～12GHz的范圍內(nèi)，該天線阻抗帶寬為9.3GHz（126%），帶 寬內(nèi)具有良好的阻抗特性和全向輻射特性，并且在5.1～5.9GHz頻帶內(nèi)具有明顯的陷波特性，能 夠有效地抑制WLAN之間的干擾，是一種性能較好，易于集成，有實(shí)用價(jià)值的陷波超寬帶天線。

關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB）天線；陷波特性；共面波導(dǎo)（CPW）；U形槽

中圖分類號(hào)：TN822+.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）01-0021-05

ABandNotchedCPWUWBAntennawithUShapedSlot

JITao，LUXindong

（XianInstituteofElectromechanicalInformationTechnology，Xian710065，China）

Abstract：Anovelplanarultrawideband（UWB）antennaisproposed，whichhasabandnotched characteristicfortheinterferencebetweentheUWBapplicationsandtheIEEE802.11awirelesslocalarea network（WLAN）.Theproposedantennafedbycoplanarwaveguide（CPW）withabrokenUshapedslot whichcanbeusedtorejectthefrequency5.1to5.9GHz.Thesimulationresultsshowthat，theimped ancebandwidthis9.3GHz（126%）withinthefrequencybandof2.7to12GHz，andtheantennahasob viousbandnotchedcharacteristicsinthenotchedbandwhichcaneffectivelypreventtheinterferenceof WLAN.AlsogoodimpedancecharacteristicandOmnidirectionalradiationpatternsareobtainedoverthe frequencyband.Theperformanceoftheproposedantennashowsthatitisakindofgoodperformance， easyintegration，bandnotchedUWBantennawithpracticalvalue.

Keywords：UWBantenna；bandnotchedcharacteristic；coplanarwaveguide（CPW）；Ushaped slot

0 引 言

自從2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）將 3.1～10.6GHz的超寬帶（Ultra-Wideband， UWB）頻段劃歸商業(yè)頻段[1]，UWB平面天線憑借 其體積小、帶寬寬、一定的輻射效率、全向輻射特 性、簡(jiǎn)單的制作工藝、低成本、易集成和高傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)成為了通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[2-4]。

但是，由于現(xiàn)有IEEE802.11a無(wú)線局域網(wǎng) （WLAN）其頻率范圍5.15～5.825GHz也在UWB 頻帶范圍內(nèi)，為避免UWB通信與其相互干擾，需 使UWB系統(tǒng)在WLAN頻帶上產(chǎn)生阻斷，濾除干 擾[5-7]。在傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用中，UWB系統(tǒng) 可以利用濾波器濾除這些干擾頻段。然而，濾波器 的使用勢(shì)必會(huì)增大UWB系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加生產(chǎn) 成本，同時(shí)受到天線和濾波器的物理性質(zhì)的限制， 天線和濾波器不可能無(wú)限制被超小型化[8]。為了 抑制系統(tǒng)間的干擾而又不提高成本，一種簡(jiǎn)單而有效的方法就是使UWB天線在WLAN的頻段內(nèi) 呈現(xiàn)較大的反射系數(shù)，即具有陷波功能。

近年來(lái)，這種具有陷波功能的小型平面超寬 帶天線已經(jīng)成為一個(gè)熱門的研究課題。據(jù)不完全 統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)單極子UWB天線的陷波功能有以下幾種 方法。一種是在天線的輻射體或者接地板附近引 入一些寄生元件，比如引入C形寄生元件或增加 諧振器等[9-10]；第二種是在輻射體或者接地板上 刻蝕一種或多種不同的槽線來(lái)達(dá)到陷波功能，比 如在輻射體上刻蝕C形槽，SRR諧振環(huán)等[11-12]； 還有一種方法是加載帶狀線或者枝節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)陷 波[13-14]。這幾種方法都可以達(dá)到很好的濾波特 性，并且同在UWB系統(tǒng)中增加濾波器相比較，這 些陷波方法均可使得UWB系統(tǒng)和天線的設(shè)計(jì)復(fù)雜 性變小，利于集成化小型化，且又無(wú)需額外的帶阻 濾波器。例如，文獻(xiàn)[15]就提出了一種5.2GHz刻 槽式SRR諧振環(huán)UWB天線，該天線滿足所有關(guān)鍵 的要求。然而，阻帶頻帶在5～5.3GHz不能完全 地濾除整個(gè)WLAN頻段的干擾。文獻(xiàn)[16]則提出 了一種具有雙阻帶特性寬帶平面單極子天線，該 天線的帶寬范圍是2～6GHz，某些情況下難以滿 足UWB系統(tǒng)的要求。為此，提出了基于U形槽的 共面波導(dǎo)（coplanarwaveguide，CPW）超寬帶平面天 線，以實(shí)現(xiàn)3.1～10.6GHz的寬頻帶和在WLAN 頻帶上的陷波。

1 超寬帶天線和陷波原理

1.1 超寬帶天線

文獻(xiàn)[17]中提出了一種不帶陷波結(jié)構(gòu)的共面 波導(dǎo)超寬帶天線結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該天線可實(shí)現(xiàn) 3.0～11.0GHz的寬頻帶（VSWR≤2），其中接地 板和輻射貼片分別被切去兩個(gè)角，使之成為一種 漸變結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)一方面可使天線的諧振從一 個(gè)頻率平穩(wěn)地過(guò)渡到另一個(gè)頻率，另一方面通過(guò) 增加電流路徑，使天線在較寬的頻帶內(nèi)都可以獲 得很好的阻抗匹配效果[5，18]。endprint

1.2 天線陷波原理

UWB天線主要是通過(guò)在輻射體或者接地板上嵌入或添加特定形狀的結(jié)構(gòu)來(lái)改變天線上電流分 布以達(dá)到陷波功能。實(shí)現(xiàn)UWB天線在干擾頻段內(nèi) 的陷波有多種方法，而開(kāi)槽是其中最為主要的一 種方法，這種方法被廣泛應(yīng)用主要是因?yàn)樗苡?效減小天線尺寸，使UWB超寬帶天線具有小型化 特性。在輻射體上添加C形槽或T形槽結(jié)構(gòu)，主要 是調(diào)節(jié)刻槽的長(zhǎng)度到半波長(zhǎng)，形狀的不同只是受 開(kāi)槽位置和貼片結(jié)構(gòu)的影響。另外，它也可以添加 SRR諧振環(huán)來(lái)達(dá)到陷波，不過(guò)諧振環(huán)多用于雙陷 波或多陷波結(jié)構(gòu)。例如，文獻(xiàn)[18]就提出了一種圓 弧形C形槽和兩個(gè)L形線諧振器的雙層介質(zhì)板結(jié) 構(gòu)的UWB三陷波天線，該天線在2.75～11.4GHz 具有很好的阻抗特性，但其中在5.6～5.94GHz頻 帶上的陷波只包含了部分WLAN頻帶。文獻(xiàn)[19] 提出了一種在矩形天線一側(cè)開(kāi)一條窄縫，并在輻 射貼片中心引入一倒U形槽的微帶線饋電UWB天 線，該天線在5～5.9GHz實(shí)現(xiàn)了陷波。

為此，在共面波導(dǎo)饋線處引入一U形槽實(shí)現(xiàn) 陷波，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中基板材料為FR- 4，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.4，厚度H=1mm，損耗角 正切tanδ=0.02，天線尺寸為L(zhǎng)×W=30mm×48 mm。低成本FR4基板使得天線的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了額外 的復(fù)雜性，這種復(fù)雜性主要是由于不準(zhǔn)確的FR4 相對(duì)介電常數(shù)所引起的，它可以引起工作頻率的 些許改變。天線采用阻抗為50Ω的共面波導(dǎo)饋 電。由于天線和饋線在同一平面上，且只有一層單 面金屬基板，所以天線是較容易加工和低成本的。 U形槽刻蝕在共面波導(dǎo)饋線上，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)10（L10 =L9+2L8），這里可以通過(guò)式（1）來(lái)計(jì)算出U形槽 的初始設(shè)計(jì)尺寸。最終所設(shè)計(jì)的超寬帶天線具體 參數(shù)如表1所示。

3.1 U形槽的陷波特性分析

為了實(shí)現(xiàn)共面波導(dǎo)超寬帶天線在WLAN頻段 處的陷波功能，U形槽被引入到天線之中，以實(shí)現(xiàn) 此功能。U形槽的參數(shù)對(duì)天線的性能有不同的影 響，這部分將主要討論參數(shù)的變化對(duì)其陷波特性的具體影響，這些參數(shù)分別是：U形槽的總長(zhǎng)度 L10，槽底部長(zhǎng)度L9，刻蝕槽縫隙寬度W3和U形槽 的位置L6。

圖10是該天線在不同頻率4GHz，5.5GHz，7 GHz，7.5GHz和10GHz下的電場(chǎng)E-Plane和磁 場(chǎng)H-Plane的主極化輻射方向圖（co-polariza tion）和交叉極化輻射方向圖（cross-polarization）。 天線H-Plane的主極化方向圖在2.7～7.5GHz 頻段內(nèi)近似為等幅度全向天線，當(dāng)頻率大于7.5 GHz時(shí)，方向圖邊沿不再一直保持最大值，有了小 幅度的凹陷。交叉極化隨天線頻率的增加而增加， 在7.5GHz附近時(shí)變得與主極化幾乎等幅度。在 5.5GHz時(shí)天線H-Plane的主極化方向圖形狀幾 乎沒(méi)有變化，但與4GHz和7GHz相比，最大增益 衰減了至少5dB。天線E-Plane主極化方向圖在 全波段呈一個(gè)近似的“8”字形，與偶極子天線方向 圖近似，并且在全波段頻率內(nèi)交叉極化幅度均小 于-20dB。在5.5GHz時(shí)天線E-Plane的主極化 方向圖形狀幾乎也沒(méi)有變化，但與4GHz和7GHz 相比，最大增益同樣也衰減了至少5dB。這進(jìn)一步 表明，該單極子天線在整個(gè)工作帶寬內(nèi)滿足輻射 一致性的要求。

圖11是該陷波天線的增益圖。由圖可見(jiàn)，天 線在2.7～12.0GHz頻帶內(nèi)，增益從0.6dB到 5.96dB，具有較好的增益特性。且在陷波頻段上的增益下降了5dB，天線表現(xiàn)出了明顯的陷波特 性，達(dá)到了對(duì)干擾頻段WLAN的抑制作用。

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