基于U形槽的超寬帶三陷波天線的設(shè)計(jì)

侯翔宇，張興紅，李奕銳，李 三，劉淼源

（重慶理工大學(xué) 兩江國(guó)際學(xué)院，重慶 401135）

超寬帶無(wú)線電技術(shù)最初一直作為機(jī)密通信項(xiàng)目，一直在軍事領(lǐng)域中被限制使用，起初主要應(yīng)用在軍事雷達(dá)和雷達(dá)監(jiān)測(cè)等一些重要保密的領(lǐng)域，嚴(yán)禁用于其他領(lǐng)域［1］。2002年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)通過(guò)了允許超寬帶技術(shù)用于民用的規(guī)范，并將3.1～10.6 GHz的頻率范圍分配給通信系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)使用［2-4］。超寬帶技術(shù)在航空器中得到廣泛的應(yīng)用，例如無(wú)人機(jī)的相對(duì)導(dǎo)航、無(wú)人機(jī)的室內(nèi)定位和集群定位以及艦載無(wú)人機(jī)的自動(dòng)著艦等技術(shù)領(lǐng)域均涉及超寬帶技術(shù)的應(yīng)用［5-8］。因此，隨著雷達(dá)、航天航空器等的快速發(fā)展以及遙測(cè)、通信技術(shù)的不斷提高，對(duì)超寬帶天線提出了更多、更苛刻的要求［9］。

作為超寬帶通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊，超寬帶天線具有成本低、易于小型化、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，所以超寬帶天線的研發(fā)逐漸成為無(wú)線通信領(lǐng)域的焦點(diǎn)。然而，在無(wú)線通信技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，各種通信協(xié)議也隨之日益增多，因此造成了可利用的頻譜資源越來(lái)越少，而由此對(duì)超寬帶系統(tǒng)造成的影響則來(lái)自多個(gè)窄帶通信系統(tǒng)與超寬帶系統(tǒng)之間形成的相互干擾［10］。例如WiMAX窄帶通信系統(tǒng)、WLAN窄帶系統(tǒng)以及X波段通信衛(wèi)星下行波段信號(hào)的頻段，其頻段分別為3.3～3.8 GHz、5.15～5.825 GHz以及7.25～7.75 GHz，這3個(gè)頻段均包含于超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻段3.1～10.6 GHz中，因此我們要采取有效過(guò)濾的措施來(lái)避免這些窄帶系統(tǒng)對(duì)超寬帶系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾［11］。如果在系統(tǒng)中添加濾波器件，將會(huì)增大系統(tǒng)的復(fù)雜程度，從而對(duì)系統(tǒng)的集成化與小型化產(chǎn)生不利效果，因此本文從天線的自身結(jié)構(gòu)去著手解決這個(gè)問(wèn)題，也就是在超寬帶天線的基礎(chǔ)上使其具有陷波功能，因?yàn)榫哂邢莶üδ艿奶炀€將更加有利于超寬帶系統(tǒng)的大規(guī)模集成以及小型化，因此超寬帶陷波天線成為研究的熱點(diǎn)［12-15］。

近年來(lái)，對(duì)超寬帶天線在固定頻段的陷波已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，例如文獻(xiàn)［16-17］中提到的單陷波和雙陷波天線，但是固定頻段的陷波具有一定的局限性，不足以靈活應(yīng)對(duì)天線在不同應(yīng)用環(huán)境中對(duì)不同頻段進(jìn)行陷波處理的需求，于是出現(xiàn)了文獻(xiàn)［18］中提到的通過(guò)改變天線表面縫隙的相關(guān)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)陷波頻段進(jìn)行微調(diào)的陷波天線，但是微調(diào)的范圍相對(duì)較小。文獻(xiàn)［19-20］提到了可以實(shí)現(xiàn)雙陷波到三陷波進(jìn)行切換的天線，雖然具有一定的靈活性，但其本質(zhì)上仍是固定頻段的陷波天線。

本文基于文獻(xiàn)［21］中的提到的一種天線模型，提出了一種新穎結(jié)構(gòu)的三陷波單極子超寬帶天線，采用微帶線饋電方式，通過(guò)引入3個(gè)U形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶天線在WiMAX、WLAN以及X波段信號(hào)下行頻段這3個(gè)頻段的陷波。相比其他不規(guī)則形狀的縫隙，U型槽可以使貼片形成多調(diào)諧電路，從而降低Q值展寬帶寬，并且U形槽具有一定的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)天線方向圖干擾較小。

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1.1 天線的結(jié)構(gòu)

本文中提出的超寬帶三陷波天線主要由介質(zhì)基片、輻射貼片、接地板、微帶饋電線以及3個(gè)U形縫隙組成。介質(zhì)基片的材料為介電常數(shù)為4.4的FR4基片，其損耗正切為0.02。天線厚度為h＝1 mm，尺寸為30 mm×30 mm，通過(guò)3個(gè)U形槽來(lái)分別實(shí)現(xiàn)超寬帶天線在WLAN、WiMAX以及X波段衛(wèi)星通信下行頻段這3個(gè)頻段的陷波特性。

圖1為天線的結(jié)構(gòu)示意圖，經(jīng)優(yōu)化后天線的最終設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 天線的設(shè)計(jì)過(guò)程

原始超寬帶天線的工作頻段為3～10.7 GHz，在超寬帶天線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三陷波特性主要分為3個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 天線設(shè)計(jì)步驟示意圖

步驟1：在已有的超寬帶天線的輻射貼片下部刻蝕U形槽，形成陷波阻帶，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化a、b、c、d尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)WLAN的陷波。對(duì)b尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整可以調(diào)整單陷波頻段。

步驟2：在天線的輻射貼片上部刻蝕U形槽，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化o、u、k尺寸參數(shù)，形成WiMAX頻段的諧振，實(shí)現(xiàn)該頻段的陷波，通過(guò)調(diào)整a尺寸參數(shù)，可以對(duì)雙陷波頻段進(jìn)行微調(diào)。

步驟3：在天線接地板上刻蝕U形槽，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化a1、b1、c1尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)X波段下行頻段的陷波，通過(guò)調(diào)整b1尺寸參數(shù)，可以調(diào)整三陷波頻段。

陷波中心頻率與U形槽長(zhǎng)度尺寸的關(guān)系為

式中：fn為陷波中心頻率；c為光速；L為U形槽長(zhǎng)度尺寸；εe為等效介電常數(shù)；εr為介質(zhì)基板的介電常數(shù)。

圖3為三陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)過(guò)程中S11參數(shù)曲線。

圖3 各步驟天線對(duì)應(yīng)回波損耗

步驟1對(duì)應(yīng)圖中單陷波曲線，從圖中可以看出在超寬帶頻段（3～10.7 GHz）中，在5.0～5.83 GHz出現(xiàn)陷波特性；步驟2對(duì)應(yīng)雙陷波曲線，從圖中可以觀察到：在步驟1的基礎(chǔ)上通過(guò)在輻射貼片上部刻蝕U形槽從而實(shí)現(xiàn)3.28～3.7 GHz的陷波特性，天線帶寬幾乎無(wú)變化，且第2個(gè)U形槽的刻蝕對(duì)第1個(gè)U形槽形成的陷波頻段影響不大；步驟3對(duì)應(yīng)三陷波曲線，在步驟2的基礎(chǔ)上通過(guò)在接地板中部刻蝕U形槽從而實(shí)現(xiàn)7.17～7.86GHz頻段的陷波特性，天線帶寬幾乎無(wú)變化，且第3個(gè)U形槽的刻蝕對(duì)前2個(gè)U形槽形成的陷波頻段影響不大，3個(gè)陷波頻段基本上覆蓋了WLAN、WiMAX和X波段信號(hào)下行頻段。將三陷波天線的回波損耗曲線同原始超寬帶天線的回波損耗曲線進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，三陷波天線的工作帶寬較原始超寬帶天線而言在低頻3～3.4 GHz部分有一定程度的延展，回波損耗特性?xún)?yōu)于原始超寬帶天線，在5.9～7.1 GHz頻段三陷波天線的回波損耗大大低于原始超寬帶天線，在高頻10～10.4 GHz部分回波損耗特性?xún)?yōu)于原始超寬帶天線，在高頻9～10 GHz部分回波損耗特性相對(duì)于原始超寬帶天線較差，三陷波天線的其他通帶頻段回波損耗較原始超寬帶天線差異較小，故在原始超寬帶天線的基礎(chǔ)上刻蝕3個(gè)U形槽之后，在實(shí)現(xiàn)3個(gè)頻段陷波的同時(shí)還使得天線帶寬發(fā)生延展，回波損耗特性有所改善。

1.3 天線參數(shù)對(duì)陷波特性的影響

圖4為U形槽對(duì)天線回波損耗的影響。調(diào)整位于天線輻射貼片上的WLAN頻段U形槽的a、b尺寸參數(shù)，天線接地板上的X波段信號(hào)下行頻段U形槽的b1尺寸參數(shù)，會(huì)使陷波頻率產(chǎn)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)陷波頻率可調(diào)。

圖4 天線參數(shù)對(duì)回波損耗影響

2 天線輻射性能分析

2.1 天線電流分布

為了能夠更加直觀地展示出在輻射貼片上開(kāi)槽能夠使得天線在特定的頻段內(nèi)具有陷波特性，下面通過(guò)HFSS進(jìn)行仿真并給出本文設(shè)計(jì)的陷波天線其在特定的陷波頻段的中心頻率的電流分布圖。圖5所示為在3.4、5.7和7.37 GHz 3頻率點(diǎn)處電流分布。在輻射貼片和接地板上所開(kāi)的U形槽改變了輻射貼片的電流分布，使表面電流集中在U形槽附近，在陷波頻率相應(yīng)U形槽為諧振點(diǎn)，能量集中在陷波結(jié)構(gòu)中并未向外輻射，在其他頻率點(diǎn)時(shí)U形槽則未處于諧振狀態(tài)。

圖5 各頻率電流分布

2.2 天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射方向圖

圖6給出了三陷波天線分別在3、5、7和9 GHz這4個(gè)頻點(diǎn)處的遠(yuǎn)場(chǎng)E面以及遠(yuǎn)場(chǎng)H面輻射圖，這4個(gè)頻點(diǎn)分別位于三陷波天線的4個(gè)通帶范圍內(nèi)。從圖6中可以看出：該天線在E面輻射方向圖近似偶極子，在3 GHz和5 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)處呈8字形，具有良好的方向性，但在7 GHz和9 GHz這兩個(gè)頻點(diǎn)呈不規(guī)則8字形。天線的H面方向圖在低頻段具有良好的全向性，近似為等幅全向且具有對(duì)稱(chēng)性，但在7 GHz和9 GHz所在的高頻部分H面輻射場(chǎng)強(qiáng)有所減弱，但輻射強(qiáng)度仍滿足超寬帶天線的通信要求。從天線的輻射方向圖可以看出：超寬帶三陷波天線為全向型天線，且適用于大多數(shù)超寬帶技術(shù)應(yīng)用的場(chǎng)景，例如基于超寬帶技術(shù)的近距離精確室內(nèi)定位、超寬帶短距離通信技術(shù)以及之前提到的無(wú)人機(jī)的相對(duì)導(dǎo)航和室內(nèi)定位等應(yīng)用場(chǎng)景。

圖6 天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖

2.3 天線駐波比

圖7為三陷波天線對(duì)應(yīng)的VSWR圖，從圖中可以看出：在WLAN頻段內(nèi)天線駐波比有一尖峰，在WiMAX頻段內(nèi)有一尖峰，在X波段衛(wèi)星通信下行波段對(duì)應(yīng)頻段有一尖峰，WLAN頻段內(nèi)駐波比為3.5，WiMAX頻段內(nèi)駐波比為4和X波段衛(wèi)星通信下行波段對(duì)應(yīng)頻段駐波比為4.5，其余超寬帶頻段的駐波比均小于2，所以在3個(gè)陷波頻段內(nèi)天線能量反射損耗較大，具有良好陷波特性，且在3～10.7 GHz其余頻段內(nèi)均滿足超寬帶天線特性。

圖7 陷波天線駐波比

2.4 天線回波損耗

圖8為三陷波天線回波損耗，從圖中可以看出：天線在WLAN頻段、WiMAX頻段以及X波段信號(hào)下行頻段的回波損耗最高達(dá)到-5 dB，且在3～10.7 GHz范圍內(nèi)其余頻段對(duì)應(yīng)的回波損耗均達(dá)到-10 dB以下，滿足超寬帶天線工作要求。

圖8 陷波天線回波損耗

3 結(jié)論

本文中提出的超寬帶三陷波天線通過(guò)在超寬帶微帶天線上刻蝕3個(gè)U形槽來(lái)實(shí)現(xiàn)WiMAX頻段、WLAN頻段以及X波段信號(hào)下行頻段這3個(gè)頻段的陷波，可正常工作的頻帶約為6 GHz，通過(guò)仿真驗(yàn)證了天線具有較好的陷波效果。具有易于小型化、易于加工制作的優(yōu)點(diǎn)，在原有超寬帶天線基礎(chǔ)上增加3個(gè)頻段的陷波之后，依舊保持了在超寬帶頻段較好的輻射性能，且在部分頻段天線輻射性能要優(yōu)于開(kāi)縫之前。相比在天線設(shè)備前端加帶阻濾波器的方案，本文所設(shè)計(jì)的超寬帶三陷波天線更具有工程應(yīng)用價(jià)值，使用微帶線饋電更容易形成大的天線陣列。