小型化多陷波新型超寬帶天線設(shè)計(jì)與研究*

李國金，林圣夫，南敬昌，王藝扉

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

0 引 言

近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，加快了無線通信技術(shù)日益更新，成為了人們工作生活中的不可或缺的一部分。在2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)將3.1～10.6 GHz頻帶范圍劃分到民用通信領(lǐng)域后，超寬帶(ultra-wideband,UWB)通信技術(shù)成為了無線通信領(lǐng)域和學(xué)術(shù)界以及商業(yè)界的研究熱點(diǎn)[1]。超寬帶天線不僅能夠在雷達(dá)、定位和一些短距離通信系統(tǒng)等所劃定的工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的全向輻射特性，而且具有傳輸效率高、功率損耗低、輻射效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)易于設(shè)計(jì)和制作[2]。

然而，超寬帶系統(tǒng)具有許多窄帶通信頻帶，并且整個(gè)系統(tǒng)不能正常且穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，這些窄帶頻段包括INSAT波段(4.4～4.5 GHz)、國際衛(wèi)星波段(4.5～4.8 GHz)波段、部分無線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)波段(5.725～5.825 GHz)以及X波段(7.25～7.75 GHz)等。因此，需要設(shè)計(jì)出良好性能且具有陷波特性的超寬帶天線，將其運(yùn)用在通信系統(tǒng)中來解決這些窄帶頻率干擾的問題。通過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究，不同結(jié)構(gòu)的陷波超寬帶天線被相繼提出，主要結(jié)構(gòu)包括開槽法[3]、添加枝節(jié)法[4]和寄生單元法[4]等。開槽法是幾種方法中最受青睞的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)以及產(chǎn)生陷波效果好等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，它不會(huì)增加原天線的尺寸大小，利于實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí),對工作頻段內(nèi)阻抗匹配的影響較少[5]。

文獻(xiàn)[6]提出了一種工作帶寬為3～12 GHz的雙陷波超寬帶天線，該天線采用在天線背面引入新型多模諧振器產(chǎn)生了中心頻率為5.5 GHz和8.1 GHz的陷波，天線尺寸較小。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的天線采用在矩形輻射貼片中部包裹式疊刻蝕2個(gè)倒U形槽的方法濾除了3.3～3.8 GHz和5.0～5.9 GHz兩個(gè)頻帶信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)了3.1～10.6 GHz頻段的超寬帶特性的同時(shí)又具有較為簡單的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]中的天線采用在圓形輻射貼片左上方引入弧形槽并在右下方刻蝕倒L形槽的方式，抑制了WiMAX(3.3～3.6 GHz)和WLAN(5.15～5.825 GHz)波段的干擾，該天線擁有優(yōu)異的性能。上述幾類天線性能良好，均能濾除干擾頻段，不過產(chǎn)生的陷波數(shù)量較少且天線的尺寸較大，能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶特性的頻帶寬度較窄。

本文提出了一種小型化新型多陷波超寬帶天線，該天線的整體尺寸僅為25 mm×18 mm×1 mm，在改進(jìn)矩形輻射貼片上刻蝕U形窄縫隙和倒U形槽，并在微帶線上引入U(xiǎn)形窄縫隙，在結(jié)構(gòu)更加緊湊的同時(shí)對INSAT波段、國際衛(wèi)星波段、部分WLAN波段以及X波段等多頻段的窄帶信號(hào)進(jìn)行隔阻。對半圓接地板的中部進(jìn)行開槽，使得天線在中高頻阻抗匹配特性得以改善，從而擴(kuò)寬了天線的工作頻帶，實(shí)現(xiàn)了3.1～15.1 GHz的超寬帶特性。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的一種小型化新型多陷波超寬帶天線采用FR4材料作為介質(zhì)基板，其介電常數(shù)為4.4，天線總體尺寸為25 mm×18 mm×1 mm，使用長度為Lv、寬度為Wv的50 Ω矩形微帶線進(jìn)行饋電。通過在矩形輻射貼片底部設(shè)置對稱1/4圓切角，使得天線高頻的匹配特性得以改善，從而擴(kuò)寬了天線的工作頻帶。在輻射貼片的中上部開一個(gè)矩形凹槽，進(jìn)一步優(yōu)化了天線的穩(wěn)定性并且減少了輻射貼片的有效面積，提高了材料的利用率。將原始背面矩形接地板換成半圓接地板后，天線的有效帶寬得到了進(jìn)一步的拓展，但此時(shí)天線中低頻的輸入回波損耗無法滿足工作需要，于是在接地板的中部開設(shè)矩形凹槽，使得天線中低頻的性能大幅提升，最終實(shí)現(xiàn)了4～15.1 GHz的超寬帶特性。

如圖1為超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖，L和W分別為介質(zhì)基板的長和寬；R為1/4圓切角的半徑；Lf為輻射貼片的長度；Lv和Wv分別為微帶線的長和寬；Lg和Wg分別為接地板矩形凹槽的長和寬。在上述方法后天線實(shí)現(xiàn)了良好的陷波特性，擁有了較寬的帶寬。在此基礎(chǔ)上再引入3個(gè)陷波結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的陷波特性。

圖1 超寬帶天線結(jié)構(gòu)

1.2 陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)了本文的超寬帶特性之后，為了濾除窄帶信號(hào)對超寬帶系統(tǒng)的干擾，在輻射貼片的矩形凹槽下方引入一個(gè)U形窄縫隙，產(chǎn)生了一個(gè)能夠抑制INSAT波段和國際衛(wèi)星波段的陷波；在第一個(gè)陷波結(jié)構(gòu)的下方，刻蝕了倒U形槽，實(shí)現(xiàn)了第二個(gè)陷波頻段，成功解決了X波段信號(hào)干擾的問題；最后在微帶線上開設(shè)一個(gè)U形窄縫隙，產(chǎn)生了第三個(gè)陷波特性，有效抑制了部分WLAN信號(hào)的干擾，天線的陷波結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，L21，L22，W21，W22為輻射貼片U形窄縫隙所對應(yīng)的長和寬；L31，L32，W31，W32為U形槽所對應(yīng)的長和寬；L41，L42，W41為微帶線處U形窄縫隙的長和寬。

圖2 天線陷波結(jié)構(gòu)

超寬帶天線通過上述開槽能夠產(chǎn)生陷波特性，從原理上說，相當(dāng)于引入了半波長諧振結(jié)構(gòu)，槽的總長度為所需濾除頻段的中心頻率波長的1/2。對應(yīng)的公式如下

(1)

式中fnotch為所需濾除頻段的中心頻率，c為光速，εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，但式(1)只能夠計(jì)算出槽總體長度的大概值，具體的精確值需要用HFSS軟件進(jìn)行精密的優(yōu)化仿真，從而得出參數(shù)的最優(yōu)值如表1所示。

表1 超寬帶天線參數(shù)尺寸 mm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 天線接地板結(jié)構(gòu)性能分析

在正面的輻射貼片形狀確定且未引進(jìn)陷波結(jié)構(gòu)的情況下，天線接地板的結(jié)構(gòu)改變會(huì)對超寬帶特性的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生巨大的影響。圖3為該天線接地板的4個(gè)設(shè)計(jì)步驟：a.初始矩形接地板；b.截短矩形接地板；c.半圓接地板；d.具有矩形開槽的半圓接地板。

圖3 接地板設(shè)計(jì)步驟

圖4為4種結(jié)構(gòu)接地板所對應(yīng)的反射系數(shù)S11的仿真結(jié)果，從圖中可以看出：1)在使用初始矩形接地板時(shí)，天線的S11參數(shù)曲線整體明顯都在-10 dB上方附近，只有高頻處的2個(gè)小頻段低于-10 dB，表明天線此時(shí)無法正常工作，此接地板無法滿足設(shè)計(jì)需要。2)在初始矩形接地板進(jìn)行截短后，天線的反射系數(shù)在4.8～8.2 GHz以及11.5～14.4 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)小于-10 dB，相比于初始接地板有所提升，但在其余頻段仍然無法滿足天線的特性。3)將接地板的結(jié)構(gòu)換成半圓后，此時(shí)的接地板改善了天線的整體性能，天線的S11曲線在整個(gè)大頻段內(nèi)都有了大幅度的下移，但仍然在6.2～7.1 GHz以及9.2～10.1 GHz的頻段內(nèi)不滿足需求。4)最后在半圓接地板上開了一個(gè)矩形槽，使得天線在6～10 GHz的中高頻段內(nèi)的匹配阻抗特性得到大幅改善，整條曲線都下移到了-15 dB以下，表明天線性能良好且實(shí)現(xiàn)了4～15.1 GHz的超寬帶特性。從上述分析中可以看出，截短矩形接地板改善了天線低頻處以及超高頻處的性能，半圓接地板在此基礎(chǔ)上擴(kuò)寬了高頻和超高頻處的工作帶寬，具有矩形開槽的半圓接地板大幅改善了天線中頻處的性能，進(jìn)一步擴(kuò)寬了天線整體的帶寬。

圖4 不同結(jié)構(gòu)接地板天線的S11仿真結(jié)果

2.2 天線陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在對超寬帶的設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)一步在天線優(yōu)化完成后的輻射貼片上方和下方引入U(xiǎn)形窄縫隙和倒U形凹槽，并且在矩形微帶線上引入U(xiǎn)形窄縫隙。為了進(jìn)一步研究天線的陷波結(jié)構(gòu)改變對性能的影響，圖5為只引入輻射貼片上倒U形槽并改變其兩側(cè)長度L31值時(shí)對應(yīng)的S11曲線變化圖，從圖5中可以看出：1)在引入陷波結(jié)構(gòu)后，天線的S11曲線立刻在對應(yīng)頻段向上產(chǎn)生了尖波，說明此陷波結(jié)構(gòu)的在對應(yīng)頻段改變了天線的阻抗匹配特性，使得天線在對應(yīng)頻段具有陷波特性。2)隨著L31值的增大，陷波的中心頻率逐漸向低頻移動(dòng)，符合陷波計(jì)算公式的原理。3)L31值的變化主要改變了陷波的中心頻率的位置，基本不改變陷波頻率的寬度和天線整體的帶寬，最后選取L31值為4 mm時(shí)為最佳值，此時(shí)陷波的頻率覆蓋了7～8 GHz。

圖5 不同L31值對應(yīng)S11曲線

將3個(gè)陷波結(jié)構(gòu)都加入天線以后，改變輻射貼片上U形窄縫隙的寬度W22值來分析天線的陷波特性，圖6為不同的W22值所對應(yīng)的S11曲線。

圖6 不同的W22值所對應(yīng)的S11曲線

從圖6中可以看出：1)引入了3個(gè)陷波結(jié)構(gòu)后，天線的S11曲線對應(yīng)的產(chǎn)生了3個(gè)波峰，證明了陷波結(jié)構(gòu)的作用明顯。2)隨著W22值的增大，在低頻處的陷波頻率寬度發(fā)生了明顯的變化，先從大變小，再從小轉(zhuǎn)到大，并且陷波中心頻率也隨著發(fā)生移動(dòng)，表明U形窄縫隙的寬度能夠控制陷波頻率的范圍和中心頻率的位置。3)W22值的改變僅影響了低頻處陷波的S11曲線變化，中高頻處的2個(gè)陷波對應(yīng)的S11曲線基本吻合，反映了天線的3個(gè)陷波結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立性，基本不受耦合作用的干擾，調(diào)節(jié)W22值為0.27 mm，使得3個(gè)陷波性能都達(dá)到最好。4)對比于未加入陷波結(jié)構(gòu)之前，天線低頻的帶寬有明顯的拓寬，表明低頻處陷波結(jié)構(gòu)的加入一定程度上改善了低頻處的阻抗匹配特性，最終達(dá)到3.1～15.1 GHz的工作帶寬，并產(chǎn)生了4.1～4.8 GHz，5.4～5.9 GHz和7.1～7.9 GHz三個(gè)頻段的陷波。

2.3 天線陷波特性原理與輻射特性分析

圖7(a)～(d)為天線在陷波中心頻率為4.6，5.75，7.5 GHz和正常工作下頻率11 GHz時(shí)的天線表面電流分布圖。從圖7中可以清晰地看出，在4.6，5.75，7.5 GHz的陷波中心頻段時(shí)，天線表面的能量分別匯聚在輻射貼片上方的U形窄縫隙、微帶線上的U形窄縫隙和輻射貼片下方的倒U形槽附近，由于能量聚集無法向外輻射，此時(shí)的天線失去基本工作能力，因此具有良好的陷波特性。而在10 GHz時(shí)，在沒有陷波結(jié)構(gòu)的影響下，天線表面電流分布十分均衡，表明能量能夠很好地被輻射出去，此時(shí)天線性能良好。

圖7 天線表面電流分布

圖8為天線在4，7，10 GHz下的天線輻射方向圖。從圖中可以看出，天線工作在4 GHz和7 GHz時(shí)，E面呈現(xiàn)明顯“8”字形狀的定向輻射特性，H面的方向圖近似一個(gè)正圓形，表示天線此時(shí)具有全向輻射特性。隨著頻率的增高，在10 GHz處，E面的“8”字形狀略微有些畸變，表示高頻時(shí)的輻射特性與低頻處相比有所變壞，但是仍然具有符合超寬帶系統(tǒng)工作要求的定向和全向輻射特性。

圖8 天線方向圖

3 天線實(shí)測結(jié)果分析

經(jīng)過HFSS仿真優(yōu)化之后，進(jìn)一步地設(shè)計(jì)版圖并制作實(shí)物，通過實(shí)物的測試來保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。圖9為制作的天線實(shí)物。

圖9 天線實(shí)物

圖10為天線實(shí)測與仿真的S11對比，從圖中可以看出仿真曲線與實(shí)測曲線基本吻合，天線的帶寬達(dá)到3.1～15.2 GHz，并且在4.0～4.8 GHz，5.4～5.8 GHz，7.1～7.9 GHz的S11參數(shù)都在-10 dB以上，表明天線具有良好的陷波特性，在其余工作頻段內(nèi)的S11參數(shù)均小于-15 dB，表明天線具有穩(wěn)定的性能。誤差產(chǎn)生的主要原因是由于實(shí)物加工過程中的磨損，設(shè)備精度等情況造成的。

圖10 S11仿真與實(shí)測對比

圖11為天線增益實(shí)測。從圖中可以看出，在工作時(shí)天線的增益曲線在3～5 dBi之間振蕩，起伏不大，曲線相對平滑穩(wěn)定，表明天線能夠穩(wěn)定工作。在3個(gè)陷波頻段內(nèi)，增益下降到-4.5，-3.7,-4 dBi，表明此時(shí)的天線不能正常工作，陷波結(jié)構(gòu)有效地抑制了窄帶信號(hào)的干擾。

圖11 天線增益

表2為本文提出的小型化新型多陷波超寬帶天線與參考文獻(xiàn)中的陷波超寬帶天線的參數(shù)與效果對比。

表2 本文與參考文獻(xiàn)中天線性能對比

4 結(jié) 論

本文提出了一種小型化新型多陷波超寬帶天線，使用半圓接地板的中部進(jìn)行開槽的方法，擴(kuò)寬了天線的工作頻帶。在改進(jìn)矩形輻射貼片上刻蝕U形窄縫隙和倒U形槽，并在微帶線上引入U(xiǎn)形窄縫隙，對INSAT波段、國際衛(wèi)星波段、部分WLAN波段以及X波段等多頻段的窄帶信號(hào)進(jìn)行隔阻并最終實(shí)現(xiàn)了3.1～15.1 GHz的超寬帶特性。本文重點(diǎn)研究了使用不同結(jié)構(gòu)的接地板對超寬帶天線帶寬的影響以及陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對天線陷波特性的影響。優(yōu)化仿真后，將制作、測量和比較實(shí)際的天線。結(jié)果與仿真相似，表明該天線具有出色的陷波特性和穩(wěn)定的增益，可用于多種超寬帶系統(tǒng)。