新型六陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)

劉漢，尹成友，范啟蒙

（1.西安通信學(xué)院信息傳輸系，陜西 西安 710106；2.電子工程學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037）

新型六陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)

劉漢1，尹成友2，范啟蒙2

（1.西安通信學(xué)院信息傳輸系，陜西 西安 710106；2.電子工程學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037）

設(shè)計(jì)了一種新型的六陷波超寬帶天線。通過(guò)在輻射貼片上添加一個(gè)T形諧振枝節(jié)、一個(gè)彎枝節(jié)，開一個(gè)U形槽，饋線附近引入C形枝節(jié)、反C形枝節(jié)和在地板上開一對(duì)對(duì)稱的L形槽，實(shí)現(xiàn)了六陷波特性，有效地抑制了窄帶系統(tǒng)和超寬帶系統(tǒng)之間的相互干擾。研究了所加入結(jié)構(gòu)對(duì)天線陷波特性的影響，通過(guò)天線表面電流分布和等效電路解釋了陷波的原理，最后將天線加工成實(shí)物。實(shí)測(cè)的駐波比、方向圖和增益與仿真結(jié)果基本吻合，證明了設(shè)計(jì)方法的正確性。所設(shè)計(jì)的天線性能優(yōu)良，六陷波特性大大提高了天線的應(yīng)用范圍。

超寬帶天線；陷波特性；枝節(jié)；槽

1 引言

隨著FCC劃定超寬帶的民用頻段[1]，平面超寬帶天線的設(shè)計(jì)[2]成為了一個(gè)熱門課題。傳統(tǒng)的微帶天線[3]具有剖面低、尺寸小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是它也有其固有的缺點(diǎn)：帶寬窄，這極大地限制了微帶天線的應(yīng)用范圍，無(wú)法適應(yīng)于寬帶系統(tǒng)。很多學(xué)者[4～6]對(duì)展寬帶寬進(jìn)行了深入的研究，各種新技術(shù)也層出不窮，目前這一塊的研究已經(jīng)很成熟?？紤]到超寬帶系統(tǒng)內(nèi)包含有很多窄帶系統(tǒng)，包括微波互聯(lián)網(wǎng)WIMAX(2.3～2.4 GHz、2.5～2.69 GHz、 3.3～3.8 GHz)、無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(2.4～2.484 GHz、5.15～5.825 GHz)、國(guó)際衛(wèi)星波段(4.5～4.8 GHz)、衛(wèi)星X波段(7.25～7.75 GHz)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)波段(8.01～8.5 GHz)等，工作帶寬重疊的系統(tǒng)必然會(huì)互相產(chǎn)生影響。因此，抑制重疊頻段的信號(hào)成為了當(dāng)前的研究重點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)陷波可以在天線前端加入濾波器，但這勢(shì)必會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，不利于其在系統(tǒng)中的應(yīng)用，為了解決上述問(wèn)題，科研人員設(shè)計(jì)出了具有陷波特性的超寬帶天線。實(shí)現(xiàn)天線的陷波特性，具有多種手段，但基本上都是改變貼片和接地板的結(jié)構(gòu)[7,8]，最常見的有添加寄生單元、開口諧振環(huán)、互補(bǔ)開口諧振環(huán)和電磁帶隙以及開槽等，通過(guò)將這些結(jié)構(gòu)加入天線的饋線、輻射貼片或地板，使天線在相應(yīng)頻段產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，天線不能工作，實(shí)現(xiàn)陷波。目前，設(shè)計(jì)陷波天線的文獻(xiàn)也有很多，但是基本上實(shí)現(xiàn)的都是雙陷波或三陷波[9,10]，很少能實(shí)現(xiàn)四陷波，目前，僅有一項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了五陷波，很難實(shí)現(xiàn)更多的陷波，其原因如下：1) 超寬帶天線的基板尺寸有限，陷波結(jié)構(gòu)不能加入過(guò)多；2) 不同陷波結(jié)構(gòu)之間具有互耦作用，當(dāng)距離較大時(shí)可以忽略，而隨著陷波結(jié)構(gòu)的增多，陷波結(jié)構(gòu)的間距減小，耦合作用明顯，這在調(diào)整實(shí)現(xiàn)所需多個(gè)頻段的陷波時(shí)，難度很大。

本文在一款超寬帶天線的基礎(chǔ)上，通過(guò)在輻射貼片上添加一個(gè)T形枝節(jié)、一個(gè)彎枝節(jié)、開一個(gè)U形槽，饋線附近引入C形枝節(jié)、反C形枝節(jié)，地板上開一對(duì)對(duì)稱的L形槽，實(shí)現(xiàn)了六陷波特性，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸，有效地抑制了上文提到的所有窄帶信號(hào)系統(tǒng)與超寬帶系統(tǒng)之間的相互干擾，與前人工作相比[11,12]，該天線尺寸并沒有增大，并且大大增加了陷波的個(gè)數(shù)。對(duì)于多窄帶信號(hào)干擾情況下，該天線具有很高的實(shí)用價(jià)值。

2 六陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)

對(duì)于一款已知超寬帶天線[13]，本文嘗試在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多陷波特性。天線的初始結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超寬帶天線的結(jié)構(gòu)

制作天線的材料為聚四氟乙烯，介電常數(shù)為3.5，厚度為1.5 mm。超寬帶天線的種類有很多，形式也多樣，相較于其他超寬帶天線，本文選擇的超寬帶天線具有如下優(yōu)勢(shì)：1) 天線的尺寸適中，整個(gè)尺寸為31 mm×35 mm×1.5 mm，尺寸過(guò)大不利于天線的集成化，尺寸太小會(huì)限制加入諧振結(jié)構(gòu)的數(shù)量，此外，尺寸過(guò)小也會(huì)導(dǎo)致各個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的距離靠近，這會(huì)產(chǎn)生耦合作用，影響有效陷波的實(shí)現(xiàn)；2) 該天線結(jié)構(gòu)適合加入不同形式的諧振結(jié)構(gòu)。對(duì)于貼片，由于是方形環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣既可以在環(huán)外加入諧振枝節(jié)，也可以在環(huán)內(nèi)加入諧振枝節(jié)，并且還可以在貼片上開槽；地板是半平面結(jié)構(gòu)，在地板上既可以開槽，也可以加入寄生條帶；饋線的尺寸適中，可以在饋線上開槽實(shí)現(xiàn)陷波，也可以在饋線兩側(cè)加入諧振枝節(jié)；3)該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，仿真和加工易于實(shí)現(xiàn)?？傮w來(lái)說(shuō)，該天線可以充分利用其有效空間和特有的結(jié)構(gòu)，盡可能多地加入諧振結(jié)構(gòu)。

首先觀察天線在不同頻率下的電流分布，如圖2所示，在3.5 GHz、4.6 GHz、6 GHz和7.3 GHz這4個(gè)頻點(diǎn)處，由于電壓源是從饋線端加入，故饋線處的電流強(qiáng)度較大，貼片和地板處電流較小，且均勻分布，天線能夠正常工作。為了實(shí)現(xiàn)天線的陷波特性，需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)嵌入到天線中，天線的電流分布將會(huì)改變，天線的阻抗特性和輻射特性也會(huì)隨之變化，通過(guò)調(diào)整該結(jié)構(gòu)的位置和尺寸，就可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)頻段的陷波特性。基于以上設(shè)計(jì)思想，本文將實(shí)現(xiàn)多陷波超寬帶天線。目前應(yīng)用最為廣泛的是在天線中嵌入諧振結(jié)構(gòu)，當(dāng)諧振結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度Ld近似為相應(yīng)陷波頻段中心頻率對(duì)應(yīng)波導(dǎo)波長(zhǎng)的一半且該結(jié)構(gòu)的寬度s選擇合適時(shí)，在該頻率點(diǎn)及其附近輸入阻抗失配，使天線在該頻段內(nèi)產(chǎn)生較大的反射系數(shù)，從而獲得陷波特性，用公式[14]表示為

其中，c表示光速，fnotch表示陷波頻段對(duì)應(yīng)的中心頻率，εr表示介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。根據(jù)上述的經(jīng)驗(yàn)公式，在天線方形環(huán)貼片內(nèi)部加入一個(gè)T形枝節(jié)、環(huán)形貼片外加一個(gè)彎枝節(jié)、貼片上開一個(gè)U形槽、饋線附近添加C形枝節(jié)、反C形枝節(jié)和地板上開一對(duì)L形槽，實(shí)現(xiàn)了六陷波特性。六陷波天線的結(jié)構(gòu)如圖3所示，天線的初始尺寸參數(shù)如表1所示。加入不同結(jié)構(gòu)天線的電壓駐波比特性如圖4所示。從圖4中可以看出，加入T形枝節(jié)、彎枝節(jié)、U形槽、反C形枝節(jié)、C形枝節(jié)和L形槽，分別在5.8 GHz、2.4 GHz、4.5 GHz、8.6 GHz、6.6 GHz和3.6 GHz產(chǎn)生陷波。各個(gè)結(jié)構(gòu)的加入對(duì)其他頻段的陷波影響不大，僅對(duì)所對(duì)應(yīng)頻段陷波起主要作用。

圖2 天線表面的電流分布

圖3 六陷波天線及諧振結(jié)構(gòu)

表1 優(yōu)化前天線結(jié)構(gòu)中的尺寸參數(shù)（單位：mm）

圖4 天線加入不同結(jié)構(gòu)的電壓駐波比

為了設(shè)計(jì)出指定頻段陷波的超寬帶天線，下面研究T形枝節(jié)、貼片上端彎枝節(jié)、U形槽、反C形枝節(jié)、C形枝節(jié)和L形槽的尺寸變化對(duì)天線陷波特性的影響，如圖5所示。

在圖5(a)中，可以看到，T形枝節(jié)對(duì)天線3.6 GHz、5.8 GHz和6.6 GHz陷波點(diǎn)有影響，由于在加入T形枝節(jié)時(shí)僅在5.8 GHz附近產(chǎn)生陷波，對(duì)其他2個(gè)陷波點(diǎn)的影響可以認(rèn)為T形枝節(jié)與其他2個(gè)陷波結(jié)構(gòu)之間存在耦合作用；同樣，在圖5(b)中，貼片上彎枝節(jié)對(duì)3.6 GHz、4.5 GHz和6.6 GHz處的陷波產(chǎn)生影響。圖5(c)中，U形槽對(duì)4.5 GHz、5.8 GHz、6.6 GHz和8.6 GHz處的陷波有影響，其中對(duì)4.5GHz附近的影響最大，隨著U形槽長(zhǎng)度的增加，陷波點(diǎn)向低頻段移動(dòng)。圖5 (d)中，反C形枝節(jié)對(duì)3.6 GHz、4.5 GHz、5.8 GHz和8.6 GHz附近的陷波有影響，其中對(duì)8.6 GHz附近陷波影響最大，隨著枝節(jié)長(zhǎng)度的增大，陷波位置逐漸左移。圖5(e)表示的是C形枝節(jié)對(duì)天線陷波特性的影響。C形枝節(jié)對(duì)6.6 GHz和8.6 GHz附近的陷波產(chǎn)生影響，隨著枝節(jié)長(zhǎng)度的增大，這兩個(gè)位置的陷波點(diǎn)均向低頻段移動(dòng)。圖5(f)中，L形槽主要對(duì)3.6 GHz附近的陷波點(diǎn)產(chǎn)生影響，隨著L形槽長(zhǎng)度的增加，陷波位置逐漸左移。

通過(guò)圖5可以知道，不同陷波結(jié)構(gòu)之間是有耦合作用，為了減小耦合，需要調(diào)整各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸。對(duì)于上述加入的6個(gè)結(jié)構(gòu)，可以從等效電路元件值的變化來(lái)解釋，隨著槽或枝節(jié)長(zhǎng)度的增加或?qū)挾鹊臏p小，都會(huì)增大電容或電感值，這將使陷波頻率向低頻段移動(dòng)。例如，圖5(e)中，C形枝節(jié)的加入在8.6 GHz附近產(chǎn)生陷波，隨著枝節(jié)長(zhǎng)度增大，枝節(jié)等效電路的電感和電容值都會(huì)增大，觀察到8.6 GHz和6.6 GHz的陷波點(diǎn)都左移，由于反C形枝節(jié)在6.6 GHz處產(chǎn)生陷波，因此，這可以看成是C形枝節(jié)和反C形枝節(jié)的耦合作用引起的。

通過(guò)研究上述6個(gè)陷波結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)天線陷波特性的影響，可以設(shè)計(jì)出所需頻段陷波的超寬帶天線。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中陷波結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)順序，按照先調(diào)影響天線陷波的個(gè)數(shù)多的結(jié)構(gòu)，再調(diào)影響天線陷波個(gè)數(shù)少的結(jié)構(gòu)的原則，設(shè)計(jì)流程比較復(fù)雜，這里不具體展開。根據(jù)上述原則綜合調(diào)整6個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸，最終得到了一款能夠?qū)?.3～2.7 GHz、3.3～3.7 GHz、4.5～5 GHz、5.5～5.9 GHz、7.2～7.7 GHz和8～8.5 GHz這6個(gè)頻段陷波的超寬帶天線，有效地抑制了微波互聯(lián)網(wǎng)WIMAX (2.3～2.4GHz、2.5～2.69 GHz、3.3～3.8 GHz)、無(wú)線局域網(wǎng)WLAN (2.4～2.484 GHz、5.15～5.825 GHz)、國(guó)際衛(wèi)星波段(4.5～4.8 GHz)、衛(wèi)星X波段(7.25～7.75 GHz)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)波段(8.01～8.5 GHz)與超寬帶系統(tǒng)之間的相互干擾，仿真優(yōu)化的結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化后天線的尺寸參數(shù)如表2所示。

3 天線陷波特性的分析

為了直觀地了解天線的陷波特性和深入理解天線的陷波原理，下面觀察天線的表面電流分布[15]。選取6個(gè)陷波點(diǎn)及2個(gè)非陷波點(diǎn)，6個(gè)陷波點(diǎn)取為6個(gè)陷波頻段的中心頻率，分別為2.4 GHz、3.5 GHz、4.6 GHz、5.7 GHz、7.3 GHz和8.2 GHz，通頻帶的2個(gè)頻點(diǎn)取6.5 GHz和10 GHz。8個(gè)頻點(diǎn)的天線表面電流分布如圖7所示。從圖7中可以看出，彎枝節(jié)、L形槽、U形槽、T形枝節(jié)、C形枝節(jié)和反C形枝節(jié)分別產(chǎn)生了2.4 GHz、3.5 GHz、4.6 GHz、5.7 GHz、7.3 GHz和8.2 GHz處的陷波，在相應(yīng)的頻點(diǎn)，電流分別聚集在這些結(jié)構(gòu)附近，阻抗失配，天線不能工作；而在6.5 GHz和10 GHz時(shí)，天線電流均勻分布，天線正常工作。

圖5 陷波結(jié)構(gòu)對(duì)天線陷波特性的影響

圖6 仿真優(yōu)化后天線的電壓駐波比

表2 優(yōu)化后天線結(jié)構(gòu)中的尺寸參數(shù)（單位：mm）

圖7 六陷波超寬帶天線表面的電流分布

為了能夠更深入地理解天線的陷波結(jié)構(gòu)在天線陷波中起到的作用，下面從等效電路[14]對(duì)天線的陷波特性進(jìn)行解釋。天線的陷波特性實(shí)現(xiàn)可以認(rèn)為是引入了諧振結(jié)構(gòu)，觀察一下天線的阻抗特性，如圖8所示。從圖8中可以得到，天線在2.4 GHz、3.4 GHz和7.4 GHz附近阻抗與串聯(lián)諧振電路的阻抗很相似，電抗趨于0并且對(duì)頻率的導(dǎo)數(shù)為正，電阻趨于局部最小值，阻抗在饋線端口處趨于0將會(huì)導(dǎo)致所需頻段的陷波，此時(shí)可以認(rèn)為天線發(fā)生串聯(lián)諧振；天線在4.7 GHz、5.5 GHz和8.3 GHz時(shí)，天線的阻抗和并聯(lián)諧振電路的阻抗很相似，電阻很大，電抗趨于0并且對(duì)頻率的導(dǎo)數(shù)為負(fù)，此時(shí)可以認(rèn)為天線發(fā)生并聯(lián)諧振。當(dāng)天線在某個(gè)頻點(diǎn)發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致阻抗失配，天線能量不能正常發(fā)射或接收，這就實(shí)現(xiàn)了所謂的陷波?？梢园凑震侂婍樞虿⒖紤]相鄰陷波結(jié)構(gòu)之間的耦合作用，作出天線的等效電路，如圖9所示。C0和L0表示天線工作在低頻段時(shí)的電容和電感，并聯(lián)的Rs、Ls、Cs表示二階或高階諧振通帶內(nèi)的輸入阻抗[11]，3個(gè)串聯(lián)諧振電路分別代表反C形枝節(jié)、L形槽和彎枝節(jié)，3個(gè)并聯(lián)諧振電路代表C形枝節(jié)、U形槽和T形枝節(jié)。

圖8 天線的阻抗曲線

4 天線的加工與實(shí)測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)天線的實(shí)用價(jià)值，需要對(duì)天線進(jìn)行加工實(shí)測(cè)。利用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線的電壓駐波比進(jìn)行測(cè)試，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖10所示。從圖10中可以看出，天線的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，偏差是源于加工誤差和同軸接頭的焊接誤差。

圖9 天線的等效電路

圖10 六陷波超寬帶天線的實(shí)測(cè)與仿真電壓駐波比

對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的天線，還需要觀察其方向圖特性[16]，以確定在陷波頻段處不收發(fā)信號(hào) ，在非陷波頻段能夠收發(fā)各個(gè)方向的信號(hào)。天線的放置如圖11所示。本文選取陷波頻點(diǎn)4.6 GHz和非陷波頻點(diǎn)3 GHz、4 GHz、5.3 GHz、6.4 GHz、8.8 GHz這6個(gè)代表性的頻點(diǎn)觀察天線E面(YOZ面)和H面(XOZ面)仿真和實(shí)測(cè)的歸一化方向圖，如圖12所示。從圖12中可以看出，天線的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。在4.6 GHz，方向圖呈不規(guī)則狀，天線不能全向收發(fā)信號(hào)，并且天線的輻射能力很弱；在3 GHz、4 GHz、5.3 GHz、6.4 GHz和8.8 GHz，天線的方向圖在E面呈現(xiàn)“8”字形，H面基本呈現(xiàn)全向性，能夠較好地收發(fā)各個(gè)方向的信號(hào)。需要說(shuō)明的是，在8.8 GHz時(shí)，H面方向圖在90°出現(xiàn)凹陷，原因是天線在高頻段出現(xiàn)反相電流，導(dǎo)致天線方向圖發(fā)生畸變。

天線的增益能夠反映天線的輻射能力，對(duì)于超寬帶天線，需要研究其在整個(gè)頻段上的增益特性，確定天線性能的優(yōu)劣。天線的仿真與實(shí)測(cè)增益如圖13所示。從圖13中可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，它們之間的偏差同樣是加工誤差和同軸接頭的焊接誤差導(dǎo)致的，并且測(cè)試環(huán)境也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。在非陷波頻段，增益都在1 dB以上，輻射能力較強(qiáng)，在6個(gè)陷波頻段，增益顯著下降，天線收發(fā)呈現(xiàn)鈍態(tài)，輻射能力大大減弱。

圖11 天線的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意

圖12 天線E面和H面歸一化方向

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在一款超寬帶天線基礎(chǔ)上，通過(guò)在輻射貼片上添加一個(gè)T形諧振枝節(jié)、一個(gè)環(huán)形諧振枝節(jié)，開一個(gè)U形槽，饋線附近引入C形枝節(jié)、反C形枝節(jié)和在地板上開一對(duì)對(duì)稱的L形槽，實(shí)現(xiàn)了六陷波特性，有效地抑制了窄帶系統(tǒng)和超寬帶系統(tǒng)之間的相互干擾。研究了天線的陷波特性，對(duì)天線陷波原理進(jìn)行了解釋，最后將天線加工成實(shí)物，對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，證明了本文設(shè)計(jì)方法的正確性。所設(shè)計(jì)的天線性能優(yōu)良，能夠廣泛地應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中。

圖13 天線仿真和實(shí)測(cè)的增益曲線

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劉漢（1988-），男，安徽廬江人，博士，西安通信學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)槌瑢拵炀€的理論分析與仿真計(jì)算。

尹成友（1964-），男，安徽巢湖人，電子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘炀€與電波傳播、近地復(fù)雜線天線分析、微帶天線理論及數(shù)值分析、數(shù)據(jù)融合及陣列信號(hào)處理等。

范啟蒙（1993-），男，河南濮陽(yáng)人，電子工程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)樘炀€與電波傳播。

Design of a novel sextuple band-notched UWB antenna

LIU Han1,YIN Cheng-you2,FAN Qi-meng2
(1.Department of Information Transmission,Xi’an Communications Institute,Xi’an 710106,China;2.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology,Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

A novel sextuple band-notched UWB antenna was designed.Sextuple band-notched characteristics could be realized by adding a T-shaped stub,a bent stub,and etching a U-shaped slot on the patch,adding a C-shaped stub,an anti-C shaped stub near microstrip line and etching a pair of L-shaped slots on the ground plane，which effectively suppresses the interference between narrow band systems and UWB systems.The influence of the proposed structures on band-notched characteristics was studied,and band-notched principle was explained by antenna surface current and equivalent circuit.Finally the antenna was fabricated and measured.The measured results of VSWR,radiation patterns and gains agree well with the simulated results,which demonstrates the correctness of the design method.The proposed antenna has good performance and can be widely used due to its sextuple band-notched characteristics.

UWB antenna,band-notched characteristics,stub,slot

The Advanced Research Project (No.51333020201)

TN823

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016278

2015-10-30；

2016-10-05

總裝備部預(yù)研基金資助項(xiàng)目（No.51333020201）