一種雙陷波超寬帶單極子天線的設(shè)計

李曉東

(海軍南海艦隊信息化處，廣東湛江 524001)

20世紀90年代，超寬帶技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著短距離無線通信的發(fā)展，2002年美國聯(lián)邦通信委員會劃分3.1～10.6 GHz頻段用于商用的超寬帶通信系統(tǒng)，從此UWB技術(shù)進入了高速發(fā)展時期。

由于在超寬帶的頻率范圍與現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)頻率相重疊如:WIMAX(3.4～3.6 GHz)、WLAN(2.4～2.484 GHz，5.15 ～ 5.35 GHz，5.725 ～ 5.825 GHz)、HIPERLAN/2(5.15 ～5.35 GHz，5.47 ～5.725 GHz)等。為了避免超寬帶通信系統(tǒng)中的其他頻段的相互干擾，具有陷波特性的超寬帶天線得到了廣泛的設(shè)計與研究［1－3］。

近年來，天線工程師開始將諧振結(jié)構(gòu)直接蝕刻在超寬帶天線的輻射貼片上或貼片周圍，使天線在干擾頻段內(nèi)具有陷波特性。通常使用的陷波結(jié)構(gòu)為“C”或“U”形縫隙或金屬條帶。然而很多設(shè)計不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且大部分只是單陷波特性［4－7］。

本文提出了一種具有雙陷波特性的微帶饋電的超寬帶天線。通過在錐形輻射貼片上腐蝕兩個錐形縫隙，可以使天線在3.5 GHz和5.5 GHz獲得陷波特性。測試結(jié)果表明天線電壓駐波比小于2的阻抗帶寬是2.56～10.61 GHz，，并且在帶內(nèi)具有較好的雙陷波和全向輻射特性。

1 天線的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

圖1給出了采用錐形縫隙的雙陷波超寬帶印刷天線的結(jié)構(gòu)圖。天線蝕刻在相對介電常數(shù)εr為4.4，厚度H為1.52 mm的FR4介質(zhì)基板上，整體尺寸為35 mm×30 mm，地板大小為30 mm×13.5 mm。饋電部分是50Ω的微帶線，其中微帶線寬度為2 mm，并與SMA型同軸連接器相連。天線正面是錐形的輻射貼片，選取合適的尺寸，可以使天線得到超寬帶性能。通過在輻射貼片上引入上、下兩個錐形縫隙，可以使天線在3.5 GHz和5.5 GHz處實現(xiàn)雙陷波特性。

為分析改進結(jié)構(gòu)對天線電性能的影響，采用3D電磁仿真軟件Ansoft HFSS V13對設(shè)計的天線進行了仿真優(yōu)化分析。經(jīng)過仿真實驗及加工調(diào)試后確定的天線尺寸如下:L=35 mm，L1=15 mm，L2=6.5 mm，L3=5.5 mm，L4=1.5 mm，L5=13.5 mm，W=30 mm，W1=2 mm，W2=4 mm，W3=29 mm，S1=2 mm，S2=1.5 mm，H=1.52 mm。上下兩個縫隙的長度分別為p1=25 mm，p2=16 mm。

圖1 雙陷波超寬帶天線的結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果分析

圖2給出了天線在頻率為3.5 GHz、5.5 GHz時的仿真表面電流分布。可以看出，天線工作在3.5 GHz時，表面電流主要集中在上面的錐形縫隙周圍;工作在5.5 GHz時，表面電流主要集中在下面的錐形縫隙周圍。此時縫隙上下兩側(cè)的電流方向相反，天線工作于準(zhǔn)傳輸線模式。由于縫隙長度約為1/4波長，此模式將縫隙上側(cè)的高阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)橄聜?cè)的零阻抗，導(dǎo)致天線的阻抗失配，造成天線不能向外輻射，也就形成了天線的陷波特性。

圖2 雙陷波超寬帶天線的表面電流分布圖

圖3和圖4分別給出了縫隙長度p1和p2取不同值時，天線電壓駐波比的仿真結(jié)果。如圖所示，可以看出調(diào)節(jié)錐形縫隙的長度可以改變陷波頻帶的位置，且基本不會影響其他的工作頻帶。

圖3 參數(shù)p1對天線電壓駐波比的影響

圖4 參數(shù)p2對天線電壓駐波比的影響

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent－E5071B對加工后的天線模型進行了測試，圖5給出了有無錐形縫隙時，天線電壓駐波比的仿真和實測結(jié)果?？梢钥闯?，天線電壓駐波比的實測曲線與仿真結(jié)果基本吻合，在頻段內(nèi)的差異可能是由于加工誤差和測量環(huán)境引起的。引入錐形縫隙后，天線明顯產(chǎn)生兩個陷波頻帶(3.18～3.76 GHz和4.4～5.75 GHz)。實測結(jié)果表明，天線模型的電壓駐波比＜2的工作頻帶為2.56～10.61 GHz，滿足了UWB通信系統(tǒng)對工作帶寬的基本要求。

圖5 雙陷波超寬帶天線的電壓駐波比

圖6分別給出了3.1 GHz、4 GHz和8 GHz頻點處的實測遠場方向圖。在y－z平面內(nèi)(E面)，天線輻射方向圖具有類似單極子天線的方向圖;在x－y面(H面)內(nèi)，天線輻射方向圖近似全向。

圖6 雙陷波超寬帶天線的輻射方向圖

圖7給出了天線在工作頻帶內(nèi)的實測增益曲線。如圖所示，天線增益在3.5 GHz、5.5 GHz頻帶內(nèi)有明顯下降，說明該天線具有良好的雙陷波特性。

圖7 雙陷波超寬帶天線的增益曲線

3 結(jié)束語

本文提出了一種新型的用于UWB通信系統(tǒng)的雙陷波超寬帶印刷單極子天線。利用改進的錐形輻射貼片和錐形縫隙，使得天線形成帶有雙陷波特性的超寬帶天線。實測結(jié)果表明，天線滿足UWB通信的阻抗帶寬，并具有良好的雙陷波特性和全向輻射特性。因此，該天線在無線超頻帶通信系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

［1］鐘順時.微帶天線理論與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

［2］魏文元.天線原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985.

［3］盧萬錚.天線理論與技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

［4］ZHANGL N，ZHONGSS，LIANG X L，et al.Compact omnidirectional band－notch ultra－wideband Antenna［J］.Electronic Letter，2009，45(13):659 －660.

［5］HUANGCY，HUANGSA，YANGCF.Band －notched ultra －wideband circular slot antenna with inverted c－shaped parasitic strip［J］.Electronic Letter，2008，44(15):891 －892.

［6］NEPA P，MANARA G，SERRA A A，et al.Multiband PIFA for WLAN mobile terminals［J］.IEEE Antennas Wireless Propagram Letter，2005，105(4):349 －350.

［7］RAHMATI B，HASSANI H R.Wideband planar plate monopole antenna with dual tunable notch［J］.Electronic Letter，2010，46(7):480 －481.