基于新型EBG結構的四陷波UWB天線

張道亮，姜弢，張謝馥，張冰然

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

基于新型EBG結構的四陷波UWB天線

張道亮，姜弢，張謝馥，張冰然

哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

設計了一種基于新型電磁帶隙（EBG）結構的四陷波超寬帶（UWB）天線，所設計的天線印刷在介電常數(shù)為3，厚度為1.5mm的介質(zhì)基板上。為了實現(xiàn)某些窄帶通信頻段（WIMAX、WLAN雙頻和X波段下行衛(wèi)星通訊信號）與UWB天線協(xié)同工作，通過對蘑菇形電磁帶隙（M-EBG）結構進行改進，將金屬過孔移向邊角并引入曲流技術，有效地減小了EBG單元的尺寸和諧振帶寬，設計了諧振于3.5、5.25、5.78和7.5 GHz處的新型EBG單元，并依次加載于正六邊形UWB天線的饋線兩端形成耦合。仿真和測試結果表明，所設計的天線滿足UWB無線通信系統(tǒng)的要求，并有效地抑制了所述4個頻段的信號，具有較高的頻譜利用率和穩(wěn)定的全向輻射特性。

電磁帶隙；超寬帶天線；金屬過孔；蘑菇形電磁帶隙；頻譜利用率

由于UWB通信系統(tǒng)的工作頻段與現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的某些頻段重合，如全球微波互聯(lián)接入（WIMAX，3.4～3.6 GHz），無線個人局域網(wǎng)（WLAN，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz），X波段下行衛(wèi)星通訊信號（7.25～7.75 GHz）等。為了減小UWB天線和這些頻段內(nèi)系統(tǒng)通信之間的相互干擾，具有陷波特性的UWB天線被廣泛關注。目前為止UWB陷波天線已有大量的研究成果，但仍然存在著不足，如在接地板刻蝕槽線［1-2］會造成部分能量的流失；在輻射貼片上刻蝕槽線［3-5］會影響貼片表面電流分布，影響輻射方向圖；在貼片旁邊添加寄生元素［6-8］會增加天線的尺寸，影響輻射特性；加載常規(guī)EBG諧振器［9-13］，如文獻［9］，EBG單元尺寸大，很難在有限空間內(nèi)實現(xiàn)多個陷波，且諧振帶寬大，頻譜利用率低。因此設計高頻譜利用率、高穩(wěn)定輻射特性的小型多陷波UWB天線成為研究的熱點和難點。文中針對上述問題，運用電磁仿真軟件CST，對常規(guī)的M-EBG結構進行改進，大大減小了EBG的單元尺寸和諧振帶寬，并運用文獻［13］中提出的正六邊形UWB天線原型，設計了一款具有四陷波特性的UWB天線，仿真和測試結果證明了設計方法的有效性。

1 天線結構

圖1為所設計的四陷波UWB天線的基本結構圖，該天線印刷在介電常數(shù)為3，厚度為1.5 mm的介質(zhì)基板上。

（a）正面結構

（b）背面結構

圖1 天線結構

從圖1可以看出該天線主要有正六邊形輻射片、介質(zhì)基板、微帶饋線、部分接地板和4個新型EBG諧振單元組成。其中4個新型EBG結構都是由曲折的金屬貼片和位于角落的金屬過孔組成，其中金屬貼片到天線饋線的耦合距離分別為g1、g2、g3、g4，金屬過孔的直徑分別為D1、D2、D3和D4。M-EBG結構可以等效為一個LC諧振回路［7］，它的諧振頻率和尺寸的關系可以由式（1）～（3）表示。

式中：f0為EBG諧振頻率，a為EBG的邊長，g為金屬貼片與微帶饋線的耦合距離，εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，ε0和u0分別為真空的介電常數(shù)和磁導率，h為基板高度。根據(jù)式（1）～（3）的計算結果和全波電磁場仿真軟件CST，優(yōu)化得到天線的基本尺寸如表1所示。

表1 天線的基本結構尺寸 mm

2 天線參數(shù)

為了研究所設計天線的性能及關鍵參數(shù)對天線性能的影響，利用全波電磁場仿真軟件CST對所設計的天線進行仿真和優(yōu)化分析。

如圖2所示，完整接地板無法滿足UWB的頻帶要求（3.1～10.6 GHz），在接地板上刻蝕了與微帶饋線等寬的矩形槽后，有效地改善了所設計天線的阻抗帶寬，滿足了UWB通信的需求，該天線覆蓋帶寬（駐波比（votage standing wave ratio，VSWR）＜2）為2.37～11.3 GHz，相對帶寬達到130.6%。

圖2 接地板矩形槽對VSWR的影響

設計M-EBG、角部饋電式EBG（CLV-EBG）和新型EBG都諧振于5.6 GHz，基本結構如圖3（a）、（b）、（c）所示，其中金屬過孔半徑都為0.3 mm。利用一段50Ω微帶線對EBG結構的阻帶特性進行仿真，來觀察EBG諧振器的帶隙特性，其中EBG諧振器加載在50Ω微帶線一側，形成耦合，耦合距離為0.3 mm，通過仿真微帶線的傳輸特性可以得到諧振器的阻帶特性，仿真結果如圖3（d）所示。

圖3 EBG諧振器的改進

從圖3中可以看出，3個EBG諧振器的邊長分別為6.4、4.65、3.5 mm，可以看出其尺寸逐漸減小，這是因為將金屬過孔移向角落并將金屬貼片刻蝕成曲折狀是等效電流路徑增大的過程，也就是等效電感L增大，由式（1）可知，諧振頻率減小，從而減小了EBG諧振單元的尺寸。諧振于5.6 GHz時，CLV-EBG單元尺寸比M-EBG減小了47.5%，而新型EBG單元尺寸比M-EBG減小了70.1%，尺寸的減小更利于在有限空間內(nèi)加載更多的諧振器，實現(xiàn)多個陷波并保證天線的小型化。另外從仿真結果可以看出新型EBG的諧振帶寬（5.43～5.74 GHz）為310 MHz，比CLV-EBG的諧振帶寬610 MHz（5.38～5.99 GHz）減小了49.18%，比M-EBG的諧振帶寬（5.21～6.01 GHz）800 MHz減小了61.25%，帶寬的減小可以提高頻譜利用率。

在設計WIMAX頻段諧振器EBG3時，保持其他參數(shù)不變，分別對諧振器邊長a3和耦合間距g3進行優(yōu)化分析，如圖4、5所示，隨著邊長a3的增大，諧振點向低頻移動，而諧振深度基本不變。隨著耦合間距g3的減小，耦合深度逐漸增大，諧振帶寬隨著增大，而諧振點略向低頻移動。諧振器邊長a3和耦合間距g3是設計各個頻段陷波諧振器的關鍵參數(shù)，a3主要調(diào)節(jié)陷波諧振頻率點，而耦合間距g3主要調(diào)節(jié)陷波深度。

圖4 EBG3邊長a3對VSWR的影響

圖5 EBG3耦合距離g3對VSWR的影響

圖6 四陷波UWB天線VSWR曲線

經(jīng)過理論計算和仿真優(yōu)化，設計了諧振于3.5、5.25、5.78 GHz和7.5 GHz處的新型EBG結構，并依次加載于UWB饋線兩側形成耦合，得到了四陷波UWB天線。其仿真結果如圖6所示，相對帶寬大于135%，其陷波頻段依次為3.36～3.64 GHz，5.03～5.37 GHz，5.59～5.87 GHz和7.01～7.79 GHz，最高陷波深度VSWR都大于5。可以看出，在有效地抑制4個干擾信號的同時保證了較高的頻譜利用率，實現(xiàn)了WLAN雙頻段的獨立陷波。

為了進一步研究天線的性能，對天線在4、8 GHz時的輻射特性進行研究，得到的輻射方向圖如圖7、8所示。

圖7 4 GHz的方向圖

圖8 8 GHz的方向圖

從圖中可以看出，天線XZ面的輻射特性近似全向，而YZ面的輻射特性近似于偶極子。并且加載EBG和未加載EBG的輻射曲線基本一致，充分表明了加載EBG對輻射貼片的表面電流影響較小，保證了天線穩(wěn)定的全向輻射特性。

3 實物制作與測試

最后對未加載EBG的UWB天線，加載4個新型EBG結構的四陷波UWB天線加工制作了實物，四陷波UWB天線的實物圖如圖9所示，用安捷倫矢量網(wǎng)絡分析儀E5071C對天線的駐波比進行了測量，測量結果如圖10、11所示。

圖9 天線加工實物圖

圖10 UWB天線VSWR測試結果

圖11 四陷波UWB天線VSWR測試結果

如圖10所示，UWB原型VSWR＜2的下限頻率為2.9 GHz，上限頻率大于12 GHz，覆蓋了UWB無線通信的頻段，相對帶寬大于122%。如圖11所示，四陷波UWB天線的帶寬范圍為2.67～10.98 GHz，相對帶寬為121.7%。各個陷波頻段依次為3.32～3.605 GHz，5.22～5.38 GHz，5.65～5.83 GHz，7.245～8 GHz?？梢钥闯?，與仿真結果相比，諧振頻率略有偏移，陷波深度略有下降，一方面是由于仿真時用金屬圓柱代替金屬過孔造成的誤差，另一方面是由于加工和測量誤差所致，但是所設計天線依然滿足了UWB通信的帶寬要求，并有效地抑制了4個干擾頻段的信號，證明了設計方法的有效性。

4 結束語

利用電磁帶隙理論和單極子UWB天線技術設計了一款四陷波UWB天線，實現(xiàn)了UWB天線與多個窄帶無線通信頻段的協(xié)同工作。通過將M-EBG結構的金屬過孔移向邊角并引入曲流技術將金屬貼片刻蝕成彎折狀，減小了EBG單元的尺寸和諧振帶寬。設計了諧振于3.5、5.25、5.78和7.5 GHz處的新型EBG單元，并加載于正六邊形UWB天線饋線兩側形成耦合。最后對所設計的天線進行了加工制作和測試，測試結果表明，四陷波UWB天線的帶寬范圍為2.67～10.98 GHz，有效地抑制了4個頻段的干擾信號，實現(xiàn)了WLAN雙頻段的獨立陷波，具有較高的頻譜利用率，對UWB多陷波天線的設計具有一定的指導意義。

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A four band-notched UWB antenna based on novel EBG structures

ZHANG Daoliang，JIANG Tao，ZHNAG Xiefu，ZHANG Bingran
College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

A four bands-notched UWB antenna based on novel electromagnetic band gap（EBG）structures is pres-ented.The antenna is printed on a 1.5mm thick substrate，which has a relative dielectric constant3.In order to a-chieve the collaborative work between some narrow communication bands（WIMAX，dual band of WLAN and downlink satellite communications signals in X band）and UWB antennas，by improving themushroom-shaped EBG（M-EBG）structure，the via ismoved to the corner and the technology ofmeandering current is adopted，reducing the size and bandwidth of EBG unit effectively.On this basis，four novel EBG structures，which are resonant at 3.5，5.25，5.78 and 7.5 GHz，are designed and loaded at two sides of a hexagonal UWB antenna feeder sequential-ly.Simulation and test results show that the proposed antenna can meet the requirements of the UWB wireless com-munication system and suppress effectively the signalsof four bandswith high spectral utilization and stable omnidi-rectional radiation.

electromagnetic band gap（EBG）；ultra-wideband（UWB）antenna；via；mushroom-shaped EBG（M-EBG）structure；spectrum utilization

TN822.8

：A

：1009-671X（2015）01-001-05

10.3969／j.issn.1009-671X.201403020

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150112.1530.010.htm l

2014-03-30.

日期：2015-01-12.

國防重大基礎研究基金資助項目（6131380101）.

張道亮（1990-），男，碩士研究生；姜弢（1973-），男，教授，博士生導師.

張道亮，E-mail：704646872＠qq.com.