共面波導(dǎo)饋電的三陷波超寬帶天線的設(shè)計

婁樹勇，高海濤，許會芳

(安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 滁州 233100)

0 引言

微帶天線具有剖面低，質(zhì)量小，體積小及易與微波電路集成的特點，廣泛應(yīng)用于相控陣雷達、射電天文、通信和導(dǎo)航現(xiàn)代設(shè)備中。2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)決定將超寬帶(UWB)通信頻段單獨分離，作為民用頻段(3.1～10.6 GHz)[1]。UWB技術(shù)具有超寬的信號傳輸帶寬，高效的數(shù)據(jù)傳輸速率及低發(fā)射功率等優(yōu)點，各類微帶天線都被用于UWB通信系統(tǒng)[2-3]。然而，隨著通信協(xié)議的增多，頻譜資源分配越來越緊張。為了實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的兼容，特別是為了抑制C頻段衛(wèi)星系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)的干擾，使用濾波器是一種常用的技術(shù)，同時，濾波器會增加電路的復(fù)雜性，不利于系統(tǒng)的大規(guī)模集成與小型化，因此，具有陷波特性的超寬帶天線成為研究的熱點[4-5]。

近年來，對具有陷波特性的超寬帶天線進行了廣泛地研究，其中主要有三類：

1) 超寬帶平板單極天線。

2) 超寬帶印刷單極天線。

3) 超寬帶印刷縫隙天線。

為了避免干擾，在超寬帶天線基礎(chǔ)上通過加載諧振枝節(jié)或刻蝕槽方法實現(xiàn)超寬帶天線的陷波功能[6-9]，但實現(xiàn)UWB天線的陷波特性時，并不能同時抑制WiMAX、WLAN及X頻段等多個頻段；多陷波天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易加工制作；天線尺寸較大，難以進行系統(tǒng)集成。

為了滿足超寬帶天線的需要，本文設(shè)計一款能夠?qū)崿F(xiàn)三陷波特性的UWB天線。該天線采用共面波導(dǎo)技術(shù)進行饋電，來提高天線的頻帶帶寬。首先，完成了結(jié)構(gòu)簡單的超寬帶縫隙天線的設(shè)計，覆蓋帶寬3.00～11.82 GHz，其次，通過在輻射貼片加載“啞鈴”型縫隙實現(xiàn)天線在3.52～3.80 GHz的陷波，抑制WiMAX信號的干擾，并通過調(diào)節(jié)其尺寸參數(shù)以實現(xiàn)陷波頻率可調(diào)；在共面地板上刻蝕矩形槽以實現(xiàn)4.60～5.60 GHz的陷波，抑制WLAN系統(tǒng)的干擾；在微帶饋線上，刻蝕不對稱“U”型槽以實現(xiàn)7.62～8.30 GHz的陷波，抑制X頻段的衛(wèi)星系統(tǒng)干擾。所設(shè)計的三陷波天線具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小的特點。

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1.1 天線的結(jié)構(gòu)

三陷波超寬帶天線主要由具有缺陷的共面波導(dǎo)接地面、輻射貼片、基板、共面波導(dǎo)饋電線、“U”型槽、“啞鈴”型槽組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線所用基板采用介電常數(shù)為4.4的FR4基板材料，厚度h=1.8 mm，天線的尺寸為30 mm×30 mm，天線的輻射貼片為圓形與矩形的組合，共面接地平面為漸變橢圓，便于實現(xiàn)在寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配，并通過50 Ω共面波導(dǎo)饋線進行饋電。

圖1 三陷波UWB天線結(jié)構(gòu)圖

圖1中各個參量分別為天線的結(jié)構(gòu)尺寸，通過對天線參數(shù)的掃描與優(yōu)化，天線的最終設(shè)計尺寸如表1所示。

表1 天線基本結(jié)構(gòu)的尺寸

1.2 天線的設(shè)計過程

在天線的設(shè)計過程中主要分為4個步驟，如圖2所示。步驟一：設(shè)計原始的超寬帶天線，采用圓形與矩形組合的輻射貼片，部分橢圓形的共面接地板以及共面微帶饋線，調(diào)整輻射貼片與共面接地面的尺寸，實現(xiàn)完全覆蓋3.1～10.6 GHz的超寬帶天線；步驟二：通過在輻射貼片上刻蝕“啞鈴”型槽，形成陷波阻帶，實現(xiàn)對于WiMAX的陷波，通過調(diào)整“啞鈴”型槽的L3、L4、W1尺寸參數(shù)，可以調(diào)整陷波頻段；步驟三：在共面接地面上刻蝕矩形槽，形成缺陷地，調(diào)整接地平面矩形槽的L7尺寸，形成WLAN頻段的諧振，實現(xiàn)該頻段的陷波；步驟四：通過在共面饋電線上刻蝕不對稱“U”型槽，實現(xiàn)在衛(wèi)星系統(tǒng)X波段的陷波，調(diào)整L5、L6可以對陷波頻率進行微調(diào)。

圖2 三陷波UWB天線設(shè)計步驟

引入“U”型槽和矩形槽的尺寸與陷波頻率有關(guān)，總長度約等于陷波中心頻率波長(λ)的1/4，如“U”型槽總長度(L5+L6+W5)與其陷波的頻率有關(guān)[10]，且：

(1)

圖3為三陷波UWB天線設(shè)計過程中S11參數(shù)曲線。步驟一的天線在3.0～11.8 GHz，回波損耗小于-10 dB，完全覆蓋UWB頻段(3.1～10.6 GHz)；步驟二的天線帶寬幾乎無變化，在3.5～3.8 GHz出現(xiàn)陷波特性；步驟三的天線在步驟二的基礎(chǔ)上，通過在接地平面刻蝕矩形槽，在4.6～5.6 GHz出現(xiàn)新的陷波頻段，由于互耦的影響，使步驟二的陷波頻率向低頻偏移；步驟四的天線是在步驟三的基礎(chǔ)通過在共面饋線上刻蝕不對稱“U”型槽，進一步陷波，在7.8～8.3 GHz產(chǎn)生陷波。

圖3 各個步驟天線對應(yīng)的回波損耗

2 天線的仿真優(yōu)化

2.1 天線參數(shù)對陷波特性的影響

圖4為“啞鈴”型縫隙，缺陷地以及非對稱“U”型槽對天線回波損耗的影響。調(diào)整“啞鈴”型縫隙的L3與W1參數(shù)，缺陷地地板矩形槽長度L7，“U”型槽板長度L5和L6，會使陷波頻率產(chǎn)生偏移，從而實現(xiàn)陷波頻率可調(diào)。

圖4 天線參數(shù)對回波損耗的影響

2.2 陷波中心頻率的表面電流分布

為了驗證陷波原理的實現(xiàn)，對天線在陷波中心頻率的表面電流進行仿真，結(jié)果如圖5所示，在3.6 GHz時，表面電流集中在“啞鈴”型縫隙及缺陷地面的矩形槽附近，產(chǎn)生諧振點，能量集中在陷波結(jié)構(gòu)中，并未向外輻射；在5.2 GHz時，表面電流集中分布在缺陷地的矩形槽附近；在7.8 GHz時，表面電流則集中分布在共面饋線的不對稱“U”型縫隙附近，進一步驗證了天線設(shè)計的合理性。

圖5 表面電流分布

3 仿真和實驗結(jié)果

3.1 天線遠場區(qū)輻射方向圖

圖6為天線分別在頻點3.4 GHz、4.2 GHz、7.2 GHz、9.6 GHz的遠場區(qū)輻射方向圖，這4個頻點分別在2.20～3.52 GHz、3.80～4.60 GHz、5.60～7.62 GHz、8.30～11.82 GHz的4個通帶內(nèi)。在φ=90°，即天線E面，天線的方向圖在兩個低頻段為圓形，在兩個高頻段為橢圓形，具有良好的全向輻射特性；φ=0°，即天線H面，天線的方向圖為“8”型，具有一定的方向性，在9.6 GHz附近方向圖稍有變形，但是，總體與單極子天線的輻射方向性一致，滿足UWB天線的輻射方向要求，在通帶內(nèi)具有良好的輻射特性。

圖6 天線遠場輻射方向圖

3.2 天線仿真與實測結(jié)果對比

如圖7所示，最終對設(shè)計的天線制作實物，并將其回波損耗的實測結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線的S11參數(shù)。仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，實測結(jié)果在WiMAX頻段、WLAN頻段及X頻段略有偏移，在3.80～4.60 GHz通帶內(nèi)，通帶頻段變窄，回波損耗有所惡化，經(jīng)過分析造成以上原因主要有天線在加工過程中具有誤差、SMA焊接影響及測試環(huán)境的影響等。

圖7 天線仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種共面波導(dǎo)饋電的三陷波超寬帶天線。天線帶寬在2.20～11.82 GHz，通過加載“啞鈴”型縫隙和在共面饋線上加載不對稱“U”型縫隙以及缺陷地實現(xiàn)了三陷波功能，分別濾除了3.52～3.80 GHz、4.60～5.60 GHz、7.62～8.30 GHz3個頻段，抑制了來自WiMAX、WLAN和X波段的干擾，在其他通帶內(nèi)有良好的輻射特性，在UWB天線中有良好的應(yīng)用前景。