一種小型化四陷波超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究

南敬昌 王藝扉 高明明 盧永

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

引 言

近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)隨著人們工作生活的需求日益發(fā)展更新，終端設(shè)備小型化、低成本、高效率的發(fā)展趨勢(shì)也逐漸凸顯，使得天線必將朝著小型化和寬帶化的目標(biāo)邁進(jìn). 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)于1934年作為美國(guó)政府的獨(dú)立機(jī)構(gòu)而建立，其在2002年將3.1～10.6 GHz波段劃分到民用通信領(lǐng)域后[1]，超寬帶(ultra wideband, UWB)通信技術(shù)成為了學(xué)術(shù)界和無(wú)線通信領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象. UWB天線能夠在定位、軍用雷達(dá)、短距離通信等時(shí)域系統(tǒng)和所劃定的工作波段內(nèi)充分實(shí)現(xiàn)良好的全向輻射特性，而且設(shè)計(jì)制作方便、功率損耗低、輻射效率高[2].

然而很多窄帶通信波段會(huì)強(qiáng)烈干擾UWB系統(tǒng)的正常工作，因?yàn)檫@些波段就包括在UWB系統(tǒng)的工作帶寬內(nèi)，諸如WiMAX(3.3～3.6 GHz)、國(guó)際衛(wèi)星波段(4.5～4.8 GHz)、X波段(7.25～7.75 GHz)、國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)波段(8.01～8.5 GHz)[3]等. Schantz H G等最早提出了具有陷波特性UWB天線的概念[4]，只需以改變天線結(jié)構(gòu)的方式來(lái)影響天線上電流的分布，此時(shí)天線相當(dāng)于增加了一個(gè)帶阻濾波器，從而更好地實(shí)現(xiàn)頻帶抑制功能，極大程度上降低了整個(gè)系統(tǒng)的體積和設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度. 目前解決天線過(guò)濾窄帶信號(hào)問(wèn)題最為簡(jiǎn)單的方法即是用具有陷波特性的UWB天線[5].在UWB天線設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)天線的陷波特性主要采用開(kāi)槽法[6]、添加枝節(jié)法[7]和寄生單元法[8]等. 其優(yōu)點(diǎn)很多，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常便于設(shè)計(jì)；對(duì)工作波段內(nèi)阻抗匹配影響較小，保證天線在工作波段內(nèi)能夠正常工作；而且原天線的尺寸也不會(huì)增加，很大程度上滿足了天線的小型化設(shè)計(jì)要求[9].

現(xiàn)今設(shè)計(jì)陷波天線的文獻(xiàn)也有很多，不過(guò)大部分都是雙陷波或者三陷波特性的，實(shí)現(xiàn)四陷波及以上特性的文獻(xiàn)很少[10]，主要原因是UWB天線以小型化為主要特點(diǎn)，基板的尺寸有限，陷波結(jié)構(gòu)不易加入太多[11]；其次是不同的陷波結(jié)構(gòu)之間存在互耦作用，調(diào)整實(shí)現(xiàn)多波段陷波時(shí)難度非常大. 文獻(xiàn)[12]中天線實(shí)現(xiàn)了3.1～11 GHz波段的UWB特性，該天線的雙陷波特性是通過(guò)在貼片上開(kāi)四個(gè)L形槽的方法而獲得的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適用于UWB系統(tǒng). 文獻(xiàn)[13]中天線以圓形單極子天線為基礎(chǔ)，在貼片中心引入四個(gè)圓形貼片并在地板上加載兩個(gè)互耦環(huán)縫諧振器(complementary split-ring resonators, CSRR)，抑制了WiMAX波段、C波段、INSAT波段和WLAN波段的干擾，實(shí)現(xiàn)了完好的雙頻陷波功能. 文獻(xiàn)[14]中天線采用錐形饋線源產(chǎn)生良好的UWB特性，通過(guò)開(kāi)外環(huán)槽和內(nèi)環(huán)槽的方法抑制了WLAN波段和X波段的干擾，性能穩(wěn)定且輻射特性良好. 以上天線性能良好，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，不過(guò)這些天線產(chǎn)生的阻帶比較少，只能濾除不超過(guò)三種波段的窄帶信號(hào)，天線的尺寸較大且滿足的UWB工作頻率范圍較小.

本文提出了一款具有四陷波特性的小型化UWB天線，尺寸僅為31 mm×18 mm×1 mm，在輻射貼片半圓形凹槽上方加入T形枝節(jié)，輻射貼片中心開(kāi)倒U形槽，微帶饋線附近加入對(duì)稱C形枝節(jié)以及微帶饋線上刻蝕U形窄縫隙，可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)波段的陷波特性. 對(duì)接地板進(jìn)行改進(jìn)，兩側(cè)切角并在中間開(kāi)五階魚(yú)骨形凹槽，使其改善有限矩形接地板在高頻處的阻抗匹配特性，進(jìn)一步擴(kuò)展天線帶寬.

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 UWB天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的具有四陷波特性的小型化UWB天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線總體尺寸為31 mm×18 mm×1 mm，選用的介質(zhì)基板其相對(duì)介電常數(shù)為4.4，等級(jí)材料為FR4. 通過(guò)長(zhǎng)Lf和寬Wf的50 Ω微帶線進(jìn)行饋電，并兩側(cè)設(shè)置切角部. 輻射貼片采用挖半圓形凹槽的矩形輻射貼片，背板采用開(kāi)魚(yú)骨形凹槽的截短矩形接地板.

圖2為UWB天線輻射貼片的演變過(guò)程結(jié)構(gòu)圖.

圖1 UWB天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of the UWB antenna

圖2 輻射貼片演變過(guò)程結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of radiation patch evolution process

1.2 陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決本文所設(shè)計(jì)的天線在UWB波段內(nèi)與其他窄帶通信系統(tǒng)之間的相互干擾沖突問(wèn)題，本文在圖2(d)基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)接地板結(jié)構(gòu)并加入不同的陷波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)良好的UWB特性和四陷波特性，正面結(jié)構(gòu)如圖3所示：在半圓形凹槽上引入一個(gè)T形枝節(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個(gè)陷波波段，有效抑制WiMAX波段；在輻射貼片中心位置開(kāi)一個(gè)倒U形槽，產(chǎn)生第二個(gè)陷波，有效抑制國(guó)際衛(wèi)星波段；在饋線兩側(cè)引入對(duì)稱C形諧振枝節(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整C形枝節(jié)，產(chǎn)生第三個(gè)陷波波段，有效抑制X波段；在微帶饋線上刻蝕U形窄縫隙，產(chǎn)生第四個(gè)陷波波段，有效抑制ITU波段. 天線的陷波結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度為[14]

式中：fnotch為陷波中心頻率；c為光速；εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù). T形枝節(jié)、倒U形槽、對(duì)稱C形枝節(jié)和U形窄縫隙的總長(zhǎng)度L1、L2、L3和L4分別為：

圖3 陷波UWB天線結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structural diagram of the notch UWB antenna

表1為該小型化四陷波UWB天線的最優(yōu)尺寸.

表1 UWB天線最優(yōu)尺寸Tab. 1 The size of the UWB antenna mm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 背板結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響

在未加入陷波結(jié)構(gòu)前，確保其他結(jié)構(gòu)不變的情況下，背板結(jié)構(gòu)的改變極大程度上影響著天線的諧振特性和阻抗匹配特性. 圖4為該天線背板結(jié)構(gòu)的四個(gè)設(shè)計(jì)步驟：(a)為未改進(jìn)矩形接地板，(b)為僅切除邊角的接地板，(c)為邊角中部開(kāi)了矩形槽的接地板，(d) 為魚(yú)骨形凹槽.

圖4 UWB天線背板結(jié)構(gòu)接地板變化過(guò)程Fig. 4 Structure change process of the UWB antenna backplane

圖5為四種不同結(jié)構(gòu)接地板天線的回波損耗特性S11仿真結(jié)果. 可以看出，采用未改進(jìn)矩形接地板的原始天 線，在8.2～9.7 GHz和10.6～11 GHz的S11大于?10 dB. 在天線正面輻射貼片確定的情況下，接地板僅切除邊角，天線在8.8 GHz左右的S11高于?10 dB. 接地板邊角中部開(kāi)了矩形槽，天線在8.2～9.55 GHz的S11大于?10 dB. 本文采用的魚(yú)骨形凹槽接地板結(jié)構(gòu)天線的S11進(jìn)一步降低，在3.6～12.7 GHz整個(gè)波段內(nèi)的S11明顯小于?10 dB，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)可以有效改善原矩形接地板在高頻處的阻抗匹配特性，使天線滿足UWB天線設(shè)計(jì)需求.

圖5 不同結(jié)構(gòu)接地板天線的S11仿真結(jié)果Fig. 5 Simulated S11 of antenna for different ground

本文在接地板處做了詳細(xì)研究與仿真測(cè)試，針對(duì)接地板特殊形狀的魚(yú)骨形凹槽，做了不同階數(shù)的仿真測(cè)試，圖6所示為一階到六階的天線S11仿真結(jié)果. 可以看出：隨著階數(shù)變高，天線的阻抗匹配特性逐漸變好，到達(dá)五階時(shí)效果最好；當(dāng)魚(yú)骨階數(shù)超過(guò)五階時(shí)，天線帶寬特性變差，部分波段S11大于?10 dB.主要是因?yàn)楫?dāng)其他參數(shù)固定時(shí)，增大魚(yú)骨階數(shù)相當(dāng)于延長(zhǎng)開(kāi)槽長(zhǎng)度，變相改變電流分布情況，會(huì)對(duì)天線阻抗匹配特性產(chǎn)生影響，必然存在一個(gè)固定高度使天線實(shí)現(xiàn)50 Ω阻抗匹配，當(dāng)高度越靠近這個(gè)固定值時(shí)，天線的阻抗匹配特性越好；當(dāng)高度遠(yuǎn)離這個(gè)固定值時(shí)，天線的阻抗匹配特性就會(huì)變差. 為了能夠得到更好的UWB特性，本文選擇五階魚(yú)骨.

圖6 不同階數(shù)魚(yú)骨結(jié)構(gòu)的S11Fig. 6 Different order fishbone structure of S11

從圖6中S11的五階魚(yú)骨圖像可以看出，工作帶寬3.6～12.7 GHz通頻帶內(nèi)S11均小于?10 dB，諧振點(diǎn)較多且圖像光滑，獲得了非常好的UWB特性.

2.2 陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

為避免窄帶通信系統(tǒng)干擾問(wèn)題，在UWB天線結(jié)構(gòu)中引入T形枝節(jié)結(jié)構(gòu)和對(duì)稱C形枝節(jié)結(jié)構(gòu)、開(kāi)倒U形槽和刻蝕U形窄縫隙來(lái)產(chǎn)生陷波特性. 圖7為不同T形枝節(jié)橫向長(zhǎng)度Wa對(duì)應(yīng)的回波損耗特性S11仿真曲線，根據(jù)仿真效果圖，最終把天線Wa取為12.5～13.5 mm，步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 mm. 可以看出：當(dāng)Wa從12.5 mm增大到13.5 mm時(shí)，陷波中心略向低頻處偏；Wa=13 mm時(shí)在陷波波段處陷波范圍覆蓋整個(gè)波段且中心頻率處S11值大于?5 dB，峰值效果最好且?guī)捿^大.

圖7 不同T形枝節(jié)橫向長(zhǎng)度Wa對(duì)應(yīng)的S11Fig. 7 S11 corresponding to Wa at different lengths of T-shape branches

圖8為不同倒U形槽長(zhǎng)度Le對(duì)應(yīng)的S11仿真曲線. 可以看出：當(dāng)Le從6.5 mm增大到7.5 mm時(shí)，中心頻率向低頻處移動(dòng)，而3.3～3.6 GHz波段的陷波未發(fā)生改變；當(dāng)Le=7 mm時(shí)陷波波段覆蓋整個(gè)國(guó)際衛(wèi)星波段，效果為最佳.

圖8 不同倒U形槽長(zhǎng)度Le對(duì)應(yīng)的S11Fig. 8 S11 corresponding to Le at different lengths of inverted U-shape groove

圖9 引入不同陷波結(jié)構(gòu)的S11Fig. 9 S11 with different notch structures

為驗(yàn)證各個(gè)陷波結(jié)構(gòu)之間的相互獨(dú)立性，圖9給出了該UWB天線在未引入陷波結(jié)構(gòu)到分別引入不同數(shù)量陷波結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的S11仿真曲線. 可以看出，四個(gè)陷波結(jié)構(gòu)之間的略微干擾是由于互耦作用產(chǎn)生的，實(shí)際都相互獨(dú)立，天線帶寬也擴(kuò)展到3～13.09 GHz.輸入阻抗是與饋線相連接的天線輸入端口的阻抗，圖10為天線輸入阻抗的仿真結(jié)果. 可以看出，在3.45 GHz、4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz左右輸入阻抗的實(shí)部遠(yuǎn)大于50 Ω，阻抗虛部也大于0 Ω，天線在該波段發(fā)生并聯(lián)諧振，呈現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài).

圖10 輸入阻抗仿真結(jié)果Fig. 10 The simulation result of input impedance

圖11所示為四陷波UWB天線等效電路，其中的諧振枝節(jié)1、諧振枝節(jié)2、諧振枝節(jié)3和諧振枝節(jié)4實(shí)際上等效于該天線所引入的陷波結(jié)構(gòu)T形枝節(jié)、倒U形槽、對(duì)稱C形枝節(jié)和U形窄縫隙，這四個(gè)諧振枝節(jié)就相當(dāng)于電路中的四個(gè)LC并聯(lián)諧振電路. 其串聯(lián)在電路中且諧振頻率分別為3.45 GHz、4.65 GHz、7.5 GHz和8.25 GHz. 由于電路呈現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)，天線無(wú)法正常接收信號(hào)，從而可以有效避免這四個(gè)窄帶通信系統(tǒng)的干擾.

圖11 四陷波UWB天線等效電路Fig. 11 Equivalent circuit of four notch UWB antenna

2.3 天線陷波原理分析

為理解天線陷波原理，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行分析，確定T形枝節(jié)、倒U形槽、對(duì)稱C形枝節(jié)以及U形窄縫隙與對(duì)應(yīng)陷波波段的關(guān)系，對(duì)天線表面電流進(jìn)行仿真，圖12為四個(gè)陷波中心頻率處天線表面電流分布情況. 可以看出：3.45 GHz處的電流主要聚集在T形枝節(jié)上；4.65 GHz處的電流主要聚集在倒U形槽上；7.5 GHz處電流主要聚集在對(duì)稱C形枝節(jié)上；8.25 GHz處電流主要聚集在U形窄縫隙處. 由于能量在以上四處匯集而無(wú)法向外輻射，因此產(chǎn)生陷波.

圖12 四個(gè)陷波中心頻率處天線表面電流分布Fig. 12 The current distribution at center frequency on the four-notch antenna surface

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖13所示為天線實(shí)物圖，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化確定天線的最優(yōu)參數(shù)并制作實(shí)物在厚度為1 mm、相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4基板上.

圖14為天線仿真與實(shí)測(cè)的S11對(duì)比圖，由于制作工藝等原因，仿真與實(shí)測(cè)存在一定誤差. 美國(guó)FCC在2002年定義的超寬帶民用范圍是3.1～10.6 GHz，從圖14看出，除陷波波段外，在3.1～10.6 GHz，天線S11均小于?10 dB，因此滿足UWB波段要求，并在3.24～3.8 GHz、4.5～4.97 GHz、7.24～7.76 GHz以及8～8.54 GHz四個(gè)波段具有較好的陷波特性.

圖13 天線實(shí)物圖Fig. 13 The prototype of the antenna

圖14 天線仿真與實(shí)測(cè)S11Fig. 14 The simulation and meansurement comparison of S11

UWB天線在實(shí)際應(yīng)用中，可塑性很強(qiáng)，不僅具有可通過(guò)開(kāi)槽或添加枝節(jié)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的陷波特性，還有全向的輻射特性，保證在通帶范圍內(nèi)能夠正常工作且收發(fā)信號(hào)良好. 圖15為天線在通帶內(nèi)任意三點(diǎn)的方向圖. 可以看出：小型化四陷波UWB天線在3 GHz、6.5 GHz及10 GHz三個(gè)頻點(diǎn)處的E面(YOZ面)仿真方向圖呈現(xiàn)“8”字形且為定向輻射，測(cè)試圖雖然有略微畸變，但仍呈現(xiàn)定向輻射特性；H面(XOZ面)仿真方向圖在3 GHz、6.5 GHz及10 GHz處呈現(xiàn)圓形且為全向輻射，測(cè)試圖也出現(xiàn)略微畸變，輻射強(qiáng)度也有所收縮，但仍具有全向輻射特性，符合UWB系統(tǒng)的工作要求.

圖16是天線的峰值增益仿真與實(shí)測(cè)圖，可以看出，天線峰值增益穩(wěn)定在3～5 dBi，四個(gè)陷波波段的增益則下降至?5 dBi、?3 dBi、?2 dBi和?3 dBi附近.說(shuō)明天線在通頻帶內(nèi)的峰值增益比較穩(wěn)定，能夠正常工作，且天線在陷波波段里的增益明顯下降，有效地抑制了窄帶通信波段的干擾和影響.

圖15 三個(gè)不同頻點(diǎn)處的天線方向圖Fig. 15 Antenna patterns at 3 different frequencies

圖16 天線峰值增益實(shí)測(cè)圖Fig. 16 Measured peak gain of the antenna

圖17所示為天線的輻射效率，除陷波波段外，天線效率達(dá)到85%. 說(shuō)明天線在通帶內(nèi)增益穩(wěn)定，陷波波段內(nèi)增益下降，有效抑制了窄帶通信波段的干擾.

表2為本文小型化四陷波UWB與各參考文獻(xiàn)中天線參數(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的效果對(duì)比. 從表2可以看出，本文所設(shè)計(jì)天線的絕對(duì)帶寬可以達(dá)到10.09 GHz，且相對(duì)于文獻(xiàn)[9-11]，尺寸減小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于制作，僅采用添加T形枝節(jié)和對(duì)稱C形枝節(jié)結(jié)構(gòu)、刻蝕倒U形槽和U形窄縫隙就產(chǎn)生了四個(gè)波段的陷波特性.

圖17 天線輻射效率Fig. 17 Antenna radiation efficiency

表2 本文與參考文獻(xiàn)中天線性能對(duì)比Tab. 2 Comparison of antenna performance among references and this paper

4 結(jié) 論

本文提出了一款小型化四陷波特性的UWB天線，通過(guò)添加枝節(jié)和開(kāi)槽的方法來(lái)抑制WiMAX波段、國(guó)際衛(wèi)星波段、X波段和ITU波段四種窄帶通信系統(tǒng)對(duì)UWB系統(tǒng)的干擾. 本文著重研究了不同形狀接地板結(jié)構(gòu)，背板開(kāi)魚(yú)骨形凹槽的階數(shù)對(duì)天線帶寬的影響，以及在天線結(jié)構(gòu)上添加T形枝節(jié)和對(duì)稱C形枝節(jié)長(zhǎng)度、開(kāi)倒U形槽和刻蝕U形窄縫隙長(zhǎng)度對(duì)陷波結(jié)構(gòu)的影響. 最終將天線加工成實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，證明除陷波波段外該天線具有良好的輻射特性和穩(wěn)定增益，性能良好，能廣泛應(yīng)用到實(shí)際的UWB系統(tǒng)中.