一種五陷波超寬帶天線的設(shè)計(jì)*

廖銀霜1,王代強(qiáng)**

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025 ；2.貴州民族大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

2002年，3.1～10.6 GHz頻段在被聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)宣布劃歸為超寬帶的民用頻段之后便受到了廣泛關(guān)注[1]。但是由于超寬帶通信系統(tǒng)的工作質(zhì)量常受到窄帶信號(hào)的影響，所以研究人員通過(guò)采用在輻射貼片、饋線以及接地面上蝕刻不同形狀的槽或者在饋線及貼片附近添加導(dǎo)體結(jié)構(gòu)[2-11]等方法來(lái)抑制其干擾。例如：文獻(xiàn)[2]采用在基礎(chǔ)天線背面附加雙偏T寄生單元和在輻射貼片上開(kāi)窗的聯(lián)合方法；文獻(xiàn)[3]把開(kāi)口圓環(huán)和倒U形槽蝕刻在貼片及饋線上得到雙陷波；文獻(xiàn)[4]在貼片、饋線及接地板上加載啞鈴型、U型縫隙和矩形縫隙；文獻(xiàn)[5]通過(guò)在貼片上蝕刻對(duì)稱的L型槽、圓環(huán)形槽以及在饋線旁放置一對(duì)C型支節(jié)；文獻(xiàn)[6]在貼片和接地板分別加入U(xiǎn)型、L形縫隙并引入寄生條帶，從而獲得3個(gè)陷波；文獻(xiàn)[7]在貼片上蝕刻4個(gè)U型槽和在接地板上挖掉一個(gè)L型結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[8]采用多個(gè)互補(bǔ)開(kāi)環(huán)諧振器；文獻(xiàn)[9]通過(guò)放置一對(duì) L 形槽、互補(bǔ)的同向開(kāi)環(huán)諧振器和C 形槽；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)S-SCRLHs諧振器，實(shí)現(xiàn)4個(gè)陷波特性；文獻(xiàn)[11]在貼片和缺陷接地板上共蝕刻了5個(gè)C型槽，獲得5個(gè)陷波特性。以上文獻(xiàn)中的方法均能在頻帶范圍內(nèi)得到良好的阻抗特性和輻射方向特性，但陷波個(gè)數(shù)較少，且部分天線不可通過(guò)略微修改結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)改變陷波頻帶以滿足工程需求，因此應(yīng)用到超寬帶通信系統(tǒng)中時(shí)有一定的局限性。

為了彌補(bǔ)以上文獻(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足，本文特設(shè)計(jì)了一種具有五陷波特性的天線。本文所設(shè)計(jì)的天線采用秤砣型貼片作為輻射結(jié)構(gòu)，接地板上挖掉兩個(gè)對(duì)稱L形結(jié)構(gòu)，并在貼片上蝕刻兩個(gè)不完全封閉的口字型槽以及在饋線兩邊加入兩個(gè)類U形諧振器。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線引入了5個(gè)性能良好陷波，且陷波頻帶易于調(diào)諧。

1 天線設(shè)計(jì)和分析

文中所設(shè)計(jì)的超寬帶陷波天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：首先，通過(guò)切割矩形貼片的兩個(gè)角得到基本單極子天線，呈現(xiàn)出來(lái)猶如一個(gè)倒放著的秤砣。在貼片上蝕刻兩個(gè)不封閉的長(zhǎng)度不同的口字型槽，如圖2(a)、(c)所示；其次，在接地板挖掉兩個(gè)對(duì)稱的L形縫隙，如圖2(b)所示；最后，將兩個(gè)類U形諧振器耦合在饋線附近，如圖2(d)、(e)所示，最終所設(shè)計(jì)的天線如圖2(f)所示。由圖3所示的仿真結(jié)果可知，第一個(gè)不封閉口字型槽不單獨(dú)對(duì)天線產(chǎn)生陷波特性，在其他結(jié)構(gòu)加入后，由于結(jié)構(gòu)之間的互耦作用產(chǎn)生陷波特性，最終該天線實(shí)現(xiàn)了五陷波特性。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)

圖2 天線演化過(guò)程

(a)天線1～5的S11曲線

當(dāng)將所嵌入的不封閉口字形槽的總長(zhǎng)度大約為其所在陷波頻段中心頻率波導(dǎo)波長(zhǎng)的二分之一且不封閉口字型槽的寬度選擇恰當(dāng)時(shí)，在該頻率點(diǎn)及其兩端出現(xiàn)輸入阻抗異?，F(xiàn)象，阻抗失配天線在該頻段內(nèi)產(chǎn)生較大的反射系數(shù)，從而獲得陷波特性[12]。用公式可表示為

(1)

式中:Ld為理論計(jì)算槽和諧振器的長(zhǎng)度， 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)板的相對(duì)介電常數(shù)。此外,調(diào)整饋線兩端的類U型諧振器和接地板上L形縫隙的長(zhǎng)度、寬度也會(huì)分別在相應(yīng)頻段產(chǎn)生陷波特性。天線基板使用Rogers 5880，基板厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.000 9。天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化均在HFSS15.0 平臺(tái)上進(jìn)行，其參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 天線優(yōu)化參數(shù)

2 陷波特性分析

2.1 參數(shù)討論

圖4是不同長(zhǎng)度的兩個(gè)不封閉口字型槽、L形槽及類U形諧振器的反射系數(shù)S11曲線仿真圖，可以看出通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)L6、La、L9、W5、W3的值可改變其對(duì)應(yīng)陷波的中心頻率，并且在保持陷波特性的同時(shí)，其對(duì)周圍陷波的性能影響較小。

圖4 天線S11隨L6、La、L9、W5、W3變化的仿真曲線

2.2 表面電流分布

對(duì)天線的表面電流進(jìn)行仿真分析可進(jìn)一步解析陷波原理，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，第一個(gè)陷波中心頻率3.85 GHz處的表面電流主要集中在輻射貼片上外環(huán)的不封閉口字型槽的開(kāi)口處，第二個(gè)陷波中心頻率4.7 GHz處的表面電流主要分布在接地板的L形槽拐彎處，第三個(gè)陷波中心頻率5.7 GHz處的表面電流分布在輻射貼片上內(nèi)環(huán)的不封閉口字形槽附近，第四、五個(gè)陷波中心頻率6.85 GHz、8.3 GHz處的表面電流集中在饋線兩旁的類U形諧振器附近。天線在這5個(gè)頻率點(diǎn)附近產(chǎn)生較大的衰減和阻抗失配，形成陷波。

圖5 不同頻率下的表面電流

3 天線實(shí)測(cè)結(jié)果與性能分析

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，對(duì)該天線進(jìn)行了實(shí)物加工，如圖6所示。

圖6 天線實(shí)物圖

天線的反射系數(shù)是反應(yīng)天線工作性能的重要參數(shù)。由圖7中的S11實(shí)測(cè)與仿真曲線可得天線的帶寬為3.01～12 GHz，通帶內(nèi)S11<-10 dB,有5個(gè)明顯的陷頻段。由于天線存在工藝尺寸誤差和測(cè)量損耗，實(shí)測(cè)和仿真的結(jié)果有微小出入，但整體上基本吻合。

圖7 仿真和實(shí)測(cè)S11曲線

圖8為3.95 GHz、5.1 GHz和7.8 GHz三個(gè)頻率點(diǎn)的天線輻射H面、E面方向圖，可以看到，在以上頻率點(diǎn)H面為圓形，E面基本為類“8”形，故可以看出在整個(gè)工作頻帶中天線具有近似的全向性以及較好的定向性。

(a)3.95 GHz

圖9為天線增益的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，由圖可知天線在2～9 GHz通帶內(nèi)增益穩(wěn)定在-1～4 dBi，在陷波處的增益急劇下降,分別下降到-3 dBi、-2.5 dBi、0.5 dBi、-10.5 dBi和-5.5 dBi左右，但在整個(gè)通帶頻段內(nèi)除8.3 GHz頻點(diǎn)處實(shí)測(cè)增益與仿真增益吻合較好以外，其余處的增益均有出入，此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有以下兩個(gè)：一是兩個(gè)互相嵌套的不封閉口字型槽相離太近，且內(nèi)槽的寬度過(guò)窄，槽長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致第三個(gè)陷波處增益沒(méi)有下降到理想值；二是兩個(gè)類U型諧振器離饋線過(guò)近，距離僅為0.2 mm，導(dǎo)致第四個(gè)陷波處的增益發(fā)生偏移及6.85～7.8 GHz、8.5～12 GHz兩個(gè)頻段的增益不理想。針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)解決辦法：一是減小不封閉口字型內(nèi)環(huán)槽的長(zhǎng)度，使其遠(yuǎn)離外環(huán)槽，從而減少互耦抑制作用的影響；二是調(diào)整類U型諧振器的尺寸，同時(shí)增大類U型諧振器與饋線的距離，或者將類U型諧振器的形狀改變成方形螺旋狀諧振器，方形螺旋諧振器的尺寸與類U型諧振器的尺寸近似，這樣不僅可以減少諧振器與饋線平行部分的尺寸，消除高頻部分存在的高次模對(duì)增益的影響，還不改變陷波個(gè)數(shù)。

圖9 仿真與實(shí)測(cè)增益圖

天線輻射效率是表征天線是否能穩(wěn)定工作的重要因素，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文只對(duì)天線的效率進(jìn)行了仿真。如圖10所示，除陷波頻段外，在工作帶寬3.01～12 GHz中天線的效率達(dá)到88%，說(shuō)明天線的增益穩(wěn)定。

圖10 天線輻射效率

本文天線與其他文獻(xiàn)天線在頻率范圍、陷波個(gè)數(shù)及陷波帶寬度方面的對(duì)比如表2所示，可見(jiàn)本文設(shè)計(jì)的陷波天線具有良好的應(yīng)用前景。

表2 本文天線與文獻(xiàn)中天線的對(duì)比

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種尺寸為36 mm×32 mm×0.8 mm的五陷波超寬帶天線,將兩個(gè)不封閉口字型槽蝕刻秤砣形輻射結(jié)構(gòu)上，接地板挖一對(duì)對(duì)稱的L形槽，并在饋線旁放置兩個(gè)類U形諧振器。實(shí)現(xiàn)的5個(gè)陷波頻段分別為WiMAX(3.73～3.89 GHz)、C頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)(4.25～4.9GHz)、無(wú)線局域網(wǎng)通信頻段(5.51～5.83 GHz)、INSAT頻段(6.77～7.32 GHz)和ITU 8 GHz頻段(8.13～8.38 GHz)?？傮w而言，該天線在通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了五陷波且工作性能良好，適用于五陷波的超寬帶通信系統(tǒng)。