一種三陷波超寬帶天線研究與設(shè)計(jì)

宋威

摘 要：文章提出了一種小尺寸具有三陷波特性的超寬帶天線。所設(shè)計(jì)天線的基本結(jié)構(gòu)有50 Ω饋電線，對(duì)稱梯形加矩形輻射貼片和凹字形地板。天線的尺寸為28 mm×24 mm×1.524 mm。HFSS仿真結(jié)果表明：該天線在3.1～12 GHz頻段內(nèi)回波損耗小于﹣10 dB，電壓駐波比小于2，在3.3～3.8 GHz，5～6.1 Hz，7.9～8.8 GHz 3個(gè)頻段內(nèi)具有陷波特性，分別有效抑制了WiMAX系統(tǒng)、WLAN系統(tǒng)和ITU對(duì)于UWB系統(tǒng)的干擾，且具有良好的輻射方向特性。

關(guān)鍵詞：小尺寸；三陷波；UWB天線

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）在2002年通過(guò)了允許將超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)劃分了3.1～10.6 GHz 的工作頻帶，用于民用通信的規(guī)范，使得UWB技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)，并且得到迅速發(fā)展[1]。UWB技術(shù)是一種具有抗干擾性能強(qiáng)，傳輸帶寬寬，發(fā)送功率小，傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)的通信技術(shù)。但是由于通信技術(shù)的發(fā)展，通信協(xié)議增多，頻譜資源日益緊張。例如UWB通信頻段內(nèi)還存在如WiMax（3.3～3.8 GHz），WLAN（5.125～5.825 GHz），ITU（7.9～8.7 GHz）。為了解決以上問(wèn)題，通常是設(shè)計(jì)具有陷波特性的UWB天線。

近年來(lái)，已有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)陷波特性的UWB天線被設(shè)計(jì)出來(lái)[2-10]。如在天線輻射體上蝕刻各種形狀的縫隙或者槽線以及缺陷地等結(jié)構(gòu)來(lái)獲得所需頻段上的陷波。例如，天線尺寸大，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)小型化，集成難度大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給天線制作帶來(lái)了一定困難。

本文針對(duì)這些不足之處，設(shè)計(jì)出了一種三陷波天線。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸僅有28 mm×24 mm×1.524 mm。此天線通過(guò)U型縫隙，C型縫隙以及一對(duì)U型旁支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三陷波特性。

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

天線印刷在相對(duì)介電常數(shù)為3.55和厚度為1.524 mm的RO4003TM的介質(zhì)板上，并通過(guò)3.5 mm×12 mm的50 Ω的微帶線進(jìn)行饋電。一個(gè)3.5 mm×1.5 mm的矩形凹槽被刻蝕在地板上，在天線貼片上添加一個(gè)U型縫隙，一個(gè)C型縫隙以及在饋電線兩邊各添加一個(gè)U型旁支結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)天線的三陷波特性，同時(shí)為了獲得好的阻抗匹配特性，對(duì)接地板的形狀和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)縫經(jīng)驗(yàn)公式（1），c為光速，l為槽的長(zhǎng)度，εr為基板的相對(duì)介電常數(shù)。根據(jù)這所計(jì)算的結(jié)果只能作為估計(jì)值，為了得到更好的結(jié)果，需要通過(guò)HFSS進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

（1）

最終通過(guò)HFSS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到天線優(yōu)化參數(shù)如下：L=28 mm，L1=9.5 mm，L2=1.5 mm，L3=16 mm，L4=6 mm，L5=3.1 mm，L6=6.9 mm，L7=1.4 mm，L8=2 mm，L9=2.4 mm，W=24 mm，W1=3.5 mm，W2=16.2 mm，W3=3.6 mm，W4=11 mm，W5=6 mm，W6=4.2 mm，a1=0.9 mm，a2=0.2 mm，a3=0.3 mm。

2 仿真結(jié)果與分析

天線的帶寬為3.1～12 GHz，但在3.3～3.8 GHz，5～6.1 GHz，7.9～8.8 GHz的頻段內(nèi)的回波損耗大于﹣10 dB，分別有效抑制了WiMAX系統(tǒng)，WLAN系統(tǒng)和ITU信號(hào)對(duì)于UWB系干擾，符合三陷波特性。天波回波損耗如圖1所示。

天線的電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR），在3.1～12 GHz的頻段內(nèi)，有3個(gè)阻帶，分別是3.3～3.8 GHz，5～6.1 GHz，7.9～8.8 GHz，其余頻段都保持VSWR小于2，滿足了UWB頻段范圍和三陷波頻段要求。

天線H面輻射方向圖都為橢圓形，具有全向輻射特性，在高頻略微有點(diǎn)畸變。天線E面輻射方向圖都為“8”字形，在各個(gè)頻段表現(xiàn)較為一致?？偟膩?lái)說(shuō)，滿足UWB頻段的通信要求。

3 結(jié)語(yǔ)

文中提出一種小尺寸三陷波超寬帶天線，天線的整體尺寸為28 mm×24 mm×1.524 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制作和系統(tǒng)集成。在矩形加等邊梯形的輻射貼片上通過(guò)刻蝕U型縫隙，C型縫隙以及增加一對(duì)U型旁支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在3.3～3.8 GHz，5～6.1 GHz，7.9～8.8 GHz 3個(gè)頻段上的陷波特性，分別有效抑制了WiMAX系統(tǒng)，WLAN系統(tǒng)和ITU信號(hào)對(duì)于UWB系統(tǒng)的干擾。該天線在整個(gè)工作頻段具有輻射特性級(jí)增益，符合UWB通信要求，具有很好的研究前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Federal Communications Commission.First report and order in the matter of revision of part 1-5 of the commission rules regarding ultra-wideband transmission systems[R].USA：FCC，2002.

[2]CHOI H S，KIM T W，HWANG H Y，et al.An UWB antenna design with adjustable second rejection band using a SIR[J].IEEE Transactions on Magnetics，2014（2）：913-916.

[3]LI L，ZHANG X，YIN X，et al.A compact triple-band printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2016（2）：853-1855.

[4]LIU Y，CHEN Z，GONG S.Triple band-notched aperture UWB antenna using hollow-cross-loop resonator[J].Electronics Letters，2014（10）：728-730.

[5]WANG J，YIN Y，LIU X.Triple band-notched ultra-wideband antenna using a pair of novel symmetrical resonators[J].IET Microwaves，Antennas & Propagation，2014（14）：1154-1160.

[6]YU K，LI Y S，LUO X P，et al.A fan-shaped quad band-notched UWB antenna using two fork-shaped resonators[C].Shanghai：2016 Progress in Electromagnetic Research Symposium（PIERS） ，2016.

[7]SAXENA A，GANGWAR R P S.A compact UWB antenna with dual band-notched at WiMAX and WLAN for UWB applications[C].Bangkok：2016 International Conference on Electrical，Electronics，and Optimization Techniques（ICEEOT），2016.

[8]帥陳楊，王光明，宗彬峰，等.一種緊湊型超寬帶雙陷波天線設(shè)計(jì)與研究[J].微波學(xué)報(bào)，2016（5）：39-43.

[9]董健，胡國(guó)強(qiáng)，徐曦，等.一種可控三陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2015（9）：2277-2281.

[10]吳愛(ài)婷，官伯然.一種具有三阻帶特性的超寬帶天線的設(shè)計(jì)與研究[J].微波學(xué)報(bào)，2015（2）：15-19.