具有五陷波的超寬帶天線設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)了一款具有五陷波特性的小型化超寬帶天線，通過改變陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)和分析天線表面的電流分布，研究了陷波結(jié)構(gòu)對超寬帶及陷波特性的影響。天線尺寸僅為２５ ｍｍ×２０ ｍｍ×１ ｍｍ。輻射貼片由矩形和圓形貼片組成，背板通過切角挖槽實(shí)現(xiàn)了超寬帶特性；添加對稱鉤型枝節(jié)，蝕刻Ｕ 型槽及３ 類Ｕ 型槽產(chǎn)生５ 個(gè)陷波。天線的工作帶寬在３． ８ ～ １６ ＧＨｚ。有效抑制了國際衛(wèi)星波段（４． ５ ～ ４． ８ ＧＨｚ）、ＷＬＡＮ 下行波段（５． １５ ～ ５． ３５ ＧＨｚ）、ＵＮＩＩ-２ｃ （５． ４７ ～ ５． ７２５ ＧＨｚ）、ＷＬＡＮ 上行波段（５． ７２５ ～ ５． ８２５ ＧＨｚ）、下行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段（７． ２５ ～ ７． ７５ ＧＨｚ）、上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段（７． ９ ～ ８． ４ ＧＨｚ）、國際電信聯(lián)盟頻段（８． ０１ ～ ８． ５０ ＧＨｚ） 的干擾。天線在工作頻帶內(nèi)具有全向性，增益平均在４ ｄＢｉ 以上。仿真和實(shí)測結(jié)果基本吻合，表明該天線可用于超寬帶通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：超寬帶天線；五陷波；Ｕ 型槽；鉤形枝節(jié)；全向性

中圖分類號：ＴＮ８２３＋． ２４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號：１００３－３１０６（２０２４）０５－１２７０－０７

０ 引言

２００２ 年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉ-ｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，ＦＣＣ）通過了允許將超寬帶技術(shù)劃分３． １ ～ １０． ６ ＧＨｚ 的工作頻帶用于民用通信規(guī)范［１］。近年來，隨著移動(dòng)通信、雷達(dá)和天線陣列等領(lǐng)域的快速發(fā)展，超寬帶通信系統(tǒng)已成為迫切需求的通信技術(shù)之一。超寬帶通信系統(tǒng)要求天線具有超寬的工作頻帶和全向輻射的特性，以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和高精度測量等應(yīng)用需求。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，通信頻段經(jīng)常會(huì)受到干擾信號的影響，因此天線的陷波能力也成為設(shè)計(jì)超寬帶天線的必要功能之一。

為了克服這一問題，２００３ 年，美國的Ｓｃｈａｎｔｚ等［２］提出了一種方法，通過在超寬帶天線的結(jié)構(gòu)上引入陷波結(jié)構(gòu)最終得到了超寬帶陷波天線。通過在天線的正面刻蝕槽路或者添加枝節(jié)等方法使得天線產(chǎn)生了陷波。例如吳愛婷等［３］在天線正面刻蝕Ｕ 型槽和引入Ｌ 型枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)三陷波特性。李睿等［４］在天線微帶線引入Ｕ 形枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)三陷波。大多數(shù)文獻(xiàn)的天線尺寸較大，多數(shù)為二陷波或者單陷波。針對當(dāng)前超寬帶天線設(shè)計(jì)中存在的部分問題，本文提出了一款小型化五陷波超寬帶天線，天線的大小僅為２５ ｍｍ×２０ ｍｍ×１ ｍｍ。通過在天線表面添加了對稱的鉤型枝節(jié)、４ 個(gè)改造的Ｕ 型槽、，最終實(shí)現(xiàn)４． ５ ～４． ８ ＧＨｚ、５． ０ ～５． ４ ＧＨｚ、５． ５ ～６． ３ ＧＨｚ、７． ２ ～ ７． ７ ＧＨｚ、７． ９ ～ ８． ６ ＧＨｚ 的天線陷波特性，免除了７ 個(gè)頻段的干擾，對設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行實(shí)物制作，并通過矢量分析儀對天線的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測量。將所測得數(shù)據(jù)與實(shí)物進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者數(shù)據(jù)基本吻合，呈現(xiàn)良好的全向性和輻射特性。

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超寬帶陷波天線采用Ｒｏｇｅｒｓ ＲＴ ／ ｄｕｒｏｉｄ ５８８０ 材料為介質(zhì)基板，其介電常數(shù)εｒ ＝ ２． ２、厚度為１ ｍｍ。本文中天線使用長度為Ｌｆ、寬度為Ｗｆ 的５０ Ω 的微帶線進(jìn)行饋電。在正面貼片添加多個(gè)矩形槽，進(jìn)一步提高了天線的帶寬和匹配特性。天線正面的改進(jìn)過程如圖１ 所示。圖１（ａ）為天線基礎(chǔ)形，在此基礎(chǔ)上添加多個(gè)矩形得到圖１ （ｂ），在其基礎(chǔ)上添加半圓形得到最終天線正面輻射貼片形狀圖１（ｃ）。

不同天線正面結(jié)構(gòu)對應(yīng)的Ｓ１１ 如圖２ 所示。可以看出，隨著天線正面輻射貼片形狀的改變，在保證匹配性能良好的同時(shí)有效拓展了天線帶寬［５］。

在背面輻射貼片中部截取一個(gè)長矩形，在其兩側(cè)截取一個(gè)對稱的矩形和三角形，底板中部矩形兩邊再刻蝕一個(gè)矩形槽后，添加了２ 個(gè)對稱的矩形貼片。通過對底板的修改，進(jìn)一步擴(kuò)大了天線的工作帶寬，最終實(shí)現(xiàn)了３． ８ ～ １６ ＧＨｚ 的超寬帶特性。

超寬帶天線的結(jié)構(gòu)如圖３ 所示，介質(zhì)板的長、寬分別為Ｌ、Ｗ。在長Ｌ５ 、寬Ｗ５ 的矩形貼片上添加了長分別為Ｌ４ 、Ｌ３ 、Ｌ２ 、Ｌ１ ， 對應(yīng)寬分別為Ｗ４ 、Ｗ３ 、Ｗ２ 、Ｗ１ 的４ 個(gè)矩形貼片；又添加了一個(gè)半徑為Ｒ 的金屬貼片，完成了天線正面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。天線背板原型長為Ｌｇ、寬為Ｗｇ 的矩形貼片，在原型的基礎(chǔ)上，從矩形貼片中心截取了一個(gè)矩形，又添加了２ 個(gè)對稱的小矩形貼片，在底板兩邊截取２ 個(gè)對稱的矩形和三角形。天線的帶寬得到了進(jìn)一步提高。最終完成了天線背面的設(shè)計(jì)。天線的正反面結(jié)構(gòu)如圖３ 所示。

１． ２ 陷波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，通信頻段經(jīng)常會(huì)受到干擾信號的影響，因此天線的陷波能力也成為設(shè)計(jì)超寬帶天線的必要功能之一。超寬帶天線陷波功能的實(shí)現(xiàn)手段大概有２ 種：槽線法和添加枝節(jié)法。本文采用了槽線法和添加枝節(jié)法來使得超寬帶具備陷波特性。槽線法長度估算如下：

式中：ｆ 為陷波中心頻率，ｃ 為光速。Ｕ 型槽、類Ｕ 型槽總長度Ｌａ、Ｌｂ 分別為：

Ｌａ ＝ Ｗ６ ＋ Ｗ７ × ２ ＋ Ｌ６ × ２， （２）

Ｌｃ ＝ Ｗ６ ＋ Ｗ８ ＋ （Ｌ７ ＋ Ｗ９ ＋ Ｌ８ ）× ２。（３）

天線陷波結(jié)構(gòu)如圖４ 所示。

本文利用槽線法，在天線正面添加了一個(gè)Ｕ 型槽，３ 個(gè)經(jīng)過改造的Ｕ 型槽。天線頂端的Ｕ 型槽，產(chǎn)生了一個(gè)可以抑制國際衛(wèi)星波段（４． ５０ ～ ４． ８０ ＧＨｚ）［６］的陷波。頂部Ｕ 型槽下面的第一個(gè)槽路使天線產(chǎn)生了ＷＬＡＮ 下行波段（５． １５ ～ ５． ３５ ＧＨｚ）［７］的陷波。微帶線的上部的槽路使得天線產(chǎn)生了Ｘ 波段下行通信信號（７． ２５ ～ ７． ７５ ＧＨｚ）［８］的陷波，微帶線中部的槽路解決了ＵＮＩＩ-２ｃ （５． ４７０ ～ ５． ７２５ ＧＨｚ）［９］、ＷＬＡＮ 上行波段（５． ７２５ ～ ５． ８２５ ＧＨｚ）２ 個(gè)窄波頻段的干擾。在天線正面刻蝕了４ 個(gè)槽路，使得該天線可以避免５ 個(gè)頻段對其干擾。隨后利用添加枝節(jié)法，在微帶線兩邊添加對稱的鉤型枝節(jié)以使得天線在上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段（７． ９ ～ ８． ４ ＧＨｚ）［１０］、國際電信聯(lián)盟（８． ０１ ～ ８． ５０ ＧＨｚ）［１１］產(chǎn)生陷波，能夠避免這２ 個(gè)波段對天線帶來的干擾。通過槽線法和添加枝節(jié)法完成了陷波天線［１２］，使得天線在５ 個(gè)頻段內(nèi)具有陷波，避免了７ 個(gè)波段對天線帶來的干擾。

２ 仿真分析

２． １ 背板結(jié)構(gòu)對天線性能的影響

超寬帶天線參數(shù)如表１ 所示。

未加入陷波結(jié)構(gòu)前，底板結(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［１３］。超寬帶天線底板結(jié)構(gòu)演變?nèi)鐖D５ 所示。不同結(jié)構(gòu)接地板天線的Ｓ１１ 如圖６ 所示。

步驟１ 中底板為一個(gè)矩形貼片，其在４． ０ ～４． ８ ＧＨｚ 和１２ ～ １５ ＧＨｚ 的頻段Ｓ１１ 高于－１０ ｄＢ；步驟２ 在矩形中部開一個(gè)矩形槽，然后又在開槽后的矩形上添加２ 個(gè)對稱的矩形貼片，使得天線Ｓ１１ 在４． ０ ～ ４． ８ ＧＨｚ 和１２ ～ １５ ＧＨｚ 的頻段低于－１０ ｄＢ；在步驟３ 中，通過在兩側(cè)開矩形槽，進(jìn)一步提高了天線總體的Ｓ１１；步驟４ 在３． ８ ～ １５ ＧＨｚ 整個(gè)頻段內(nèi)的Ｓ１１ 明顯小于－１０ ｄＢ。該底板結(jié)構(gòu)能夠有效改善天線特性。

２． ２ 天線陷波結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

在天線頂端嵌入一個(gè)Ｕ 型槽。圖７ 為不同Ｕ型槽橫向長度Ｗ７ 對應(yīng)得回波損耗?？梢钥闯觯?dāng)Ｗ７ 從６． １ ｍｍ 增加到６． ３ ｍｍ ，陷波中心略向低頻移動(dòng)。Ｗ７ 為６． ２ ｍｍ 時(shí)，天線Ｓ１１ 在４． ４５ ～ ４． ８６ ＧＨｚ高于－１０ ｄＢ，在陷波中心頻率達(dá)到－ １． ４ ｄＢ。

在頂端的Ｕ 型槽下嵌入了一個(gè)類Ｕ 型槽，圖８為不同類Ｕ 型槽縱向長度Ｌ８ 對應(yīng)的回波損耗。可以看出，陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動(dòng)，而對前一個(gè)４． ５ ～ ４． ８ ＧＨｚ 的陷波沒有很大變化，當(dāng)Ｌ８ 為２． ４ ｍｍ 時(shí)陷波頻段覆蓋ＷＬＡＮ 下行波段且Ｓ１１ 高于－１０ ｄＢ，效果最佳。

在類型槽下面嵌入一個(gè)凸型類Ｕ 型槽，圖９ 為部同凸型類Ｕ 型槽橫向長度Ｗ１０ 對應(yīng)的回波損耗?？梢钥闯?，隨著Ｗ１０ 的增加，陷波中心頻率點(diǎn)發(fā)生左移，而前２ 個(gè)陷波幾乎沒變化。當(dāng)Ｗ１０ 為１． ８ ｍｍ時(shí)，Ｓ１１ 在７． ２２ ～ ７． ９９ ＧＨｚ 高于－１０ ｄＢ 且覆蓋了下行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段，效果良好。

在微帶線上嵌入一個(gè)凹型類Ｕ 型槽后，圖１０為不同凹型類Ｕ 型槽縱向長度Ｌ１０ 對應(yīng)的Ｓ１１ 。陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動(dòng)，當(dāng)Ｌ１０為５ ｍｍ 時(shí)陷波頻段覆蓋ＵＮＩＩ２ｃ、ＷＬＡＮ 上行波段頻段且在５． ３ ～ ６． ０１ ＧＨｚ 的Ｓ１１ 高于－１０ ｄＢ，效果最佳。

在正面貼片刻蝕了４ 個(gè)槽路后，為了進(jìn)一步研究天線陷波結(jié)構(gòu)的改變對天線性能的影響。選擇在天線微帶線兩邊添加對稱的鉤型枝節(jié)來實(shí)現(xiàn)天線的五陷結(jié)構(gòu)。不同Ｌ１２ 對應(yīng)的Ｓ１１ 曲線如圖１１ 所示。

由圖１１ 可以看出，隨著枝節(jié)的長度Ｌ１２ 從５． ９ ｍｍ增加到６． １ ｍｍ，陷波中心頻率隨著長度的增加而向低頻移動(dòng)，當(dāng)Ｌ１２ 為６ ｍｍ 時(shí)，陷波在７． ９ ～ ８． ８ ＧＨｚＳ１１ 高于－１０ ｄＢ 且覆蓋上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段、國際電信聯(lián)盟頻段的干擾，此時(shí)效果最佳。

為了驗(yàn)證各個(gè)陷波結(jié)構(gòu)之間的相互獨(dú)立性，圖１２ 給出了該天線在未引入陷波結(jié)構(gòu)和分別引入不同陷波結(jié)構(gòu)后對應(yīng)的Ｓ１１ 曲線，可以看出，５ 個(gè)陷波結(jié)構(gòu)之間的干擾是由于互耦作用產(chǎn)生的，實(shí)際上相互獨(dú)立。

輸入阻抗是與饋線相連的天線輸入端口的阻抗，圖１３ 為天線阻抗的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，在４． ６５、５． ２５、５． ９、７． ４５ ＧＨｚ 左右輸入阻抗實(shí)部大于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)開路狀態(tài)。

２． ３ 天線輻射特性原理和輻射特性分析

為了更好地了解天線的陷波原理，確定各槽路與對應(yīng)陷波頻率的關(guān)系，對天線的表面電流進(jìn)行仿真［１４］，圖１４ 為５ 個(gè)陷波中心頻率所對應(yīng)的天線表面電流分布情況。

第一個(gè)Ｕ 型槽主要聚集了４． ６５ ＧＨｚ 的電流，而第二個(gè)改變的Ｕ 型槽主要聚集了５． ２５ ＧＨｚ 處的電流；在５． ９ ＧＨｚ 的電流主要集中在微帶線中間的槽路；在其上方主要聚集了７． ４５ ＧＨｚ 處的電流；添加的Ｌ 型枝節(jié)聚集了８． ３５ ＧＨｚ 的電流，不同頻的電流在上面５ 處位置匯聚，因此產(chǎn)生了陷波。

３ 天線實(shí)測結(jié)果與性能分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)天線的性能指標(biāo)，對天線進(jìn)行了實(shí)物制作，天線實(shí)物如圖１５ 所示。仿真與實(shí)物制作存在一定的誤差。仿真和實(shí)測的Ｓ１１ 如圖１６所示。天線方向圖的仿真和實(shí)測如圖１７ 所示。

由圖１６ 和圖１７ 可以看出，天線實(shí)物與仿真結(jié)果較為吻合。圖１６ 顯示在４． ５ ～４． ８ ＧＨｚ、５． ０ ～５． ４ ＧＨｚ、５． ５ ～ ６． ３ ＧＨｚ、７． ２ ～ ７． ７ ＧＨｚ、７． ９ ～ ８． ６ ＧＨｚ 五處具有良好的陷波特性。圖１７ 顯示天線在低頻與中頻具有良好的方向性，高頻發(fā)生形變。方向性較為良好。天線增益如圖１８ 所示。

由圖１８ 可以看出，天線實(shí)測與仿真曲線相似，增益較為平緩，有５ 個(gè)明顯陷波，具有良好的輻射特性和陷波特性。

本文天線與文獻(xiàn)中天線對比如表２ 所示。可以看出，本文天線相對于其他天線，具有尺寸小、工作帶寬大的特點(diǎn)。

４ 結(jié)束語

通過分析和研究，設(shè)計(jì)了一種小型化五陷波超寬帶天線，在天線的正面輻射貼片引入經(jīng)過槽路和在微帶線兩邊添加對稱的鉤形枝節(jié)來使得天線具有五陷波特性。由仿真結(jié)果可知，該天線在國際衛(wèi)星波段、ＷＬＡＮ 下行波段、ＵＮＩＩ-２ｃ、ＷＬＡＮ 上行波段、下行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段、上行衛(wèi)星系統(tǒng)頻段和國際電信聯(lián)盟７ 個(gè)頻段內(nèi)具有良好陷波，且方向性良好，工作帶寬滿足超寬帶天線的設(shè)計(jì)需求，能用于實(shí)際生活。在未來發(fā)展中，可以通過對本文提出的超寬帶天線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷創(chuàng)新和完善，進(jìn)一步提高天線的陷波性能和通信性能，以更好地滿足通信系統(tǒng)的需求。

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作者簡介

彭 力 男，（２００１—）。主要研究方向：通信系統(tǒng)與仿真。

（*通信作者）南敬昌 男，（１９７１—），博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：智能射頻電路與器件、多媒體信息編碼和通信系統(tǒng)仿真等。

楊清淞 男，（２００２—）。主要研究方向：通信系統(tǒng)與仿真。

王藝扉 男，（１９９６—），碩士，講師。主要研究方向：可重構(gòu)天線級超寬帶測距。

基金項(xiàng)目：國家基金項(xiàng)目（６１９７１２１）