基于U形槽和寄生條帶的雙陷波超寬帶天線

劉 漢，高衛(wèi)東，孫榮輝

（解放軍電子工程學院，安徽 合肥 230037）

0 引言

自從美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Co mmunications Co mmission，F(xiàn)CC）于2002年將3.1～10.6 GHz頻段劃歸為超寬帶（Ultra-wideband，U WB）的民用頻段［1］后，超寬帶技術成為無線通信領域中極具競爭力和發(fā)展前景的焦點。作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，新型超寬帶天線的設計［2］成為近年來研究的熱點。

但是，考慮到超寬帶通信系統(tǒng)的工作頻段內還存在諸如IEEE802.11a無線局域網（WLAN，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz）、IEEE802.16全球微波互聯(lián)網絡（Wi MAX，3.4～3.6 GHz）和C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)（3.7～4.2 GHz）等其它通信系統(tǒng)，這些無線通信信號會嚴重干擾U WB系統(tǒng)，為了保證超寬帶系統(tǒng)正常工作，具有陷波功能的小型平面超寬帶天線已經成為近年來的一個熱門研究課題。

文獻［2］設計了一款超寬帶天線，但沒實現(xiàn)陷波功能，本文在其基礎上，通過在天線的輻射體上嵌入U形槽和在接地板引入寄生條帶的方法，實現(xiàn)了雙陷波特性。

1 U形槽和寄生條帶的陷波功能

國內外近年來的實驗研究中又出現(xiàn)了不少文獻都對具有陷波特性的超寬帶天線［3－9］進行了研究。陷波超寬帶天線有許多種結構，其中單極子天線形式最為常見。產生陷波的結構也有多種形式，例如在輻射貼片上加載縫隙結構［3－5］，改變接地板的結構［6－7］，或者在貼片上添加匹配枝節(jié)［8－9］等，使天線在特定頻段內產生較大的反射系數(shù)，從而實現(xiàn)陷波。

文獻［5］通過在輻射體上嵌入兩種不同類型的縫隙，使天線具有雙陷波功能。計算和實測結果表明，天線在通帶（2～3.2 GHz、4.3～5.3 GHz和6.2～14 GHz）頻段范圍內滿足電壓駐波比小于2，在3.2～4.3 GHz和5.3～6.2 GHz兩個頻段內同時具有陷波特性。文獻［7］通過在輻射貼片背面加上寄生單元來獲得對于無線局域網（WLAN）頻段的帶阻特性，對寄生單元的各個參數(shù)對帶阻性能的影響進行了研究，可以方便地通過改變寄生單元的尺寸來改變阻斷頻帶的位置。

文獻［2］采用方形環(huán)結構的輻射貼片，實現(xiàn)了超寬帶的特性，但沒有實現(xiàn)陷波，無法有效地抑制Wi MAX和WLAN系統(tǒng)之間的干擾，本文將采取在天線的輻射貼片上加載U形槽和在接地板上引入寄生條帶的方法實現(xiàn)雙陷波功能。

2 基于U形槽和寄生條帶的雙陷波超寬帶天線

圖1為本文所設計的超寬帶天線的結構示意圖。該天線制作在相對介電常數(shù)εr＝3.5、厚度H＝1.5 mm的聚四氟乙烯基板上，基板尺寸為31 mm×35 mm。當將所嵌入U形槽的總長度Ld＝Lu＋2wu近似為相應陷波頻段中心頻率對應波導波長的一半且U形槽的寬度s選擇合適時，在該頻率點及其附近輸入阻抗異常，阻抗失配，使天線在該頻段內產生較大的反射系數(shù)，從而獲得陷波特性；同時，調整寄生條帶的長度Lm和寬度Wm，也會在相應頻段產生陷波特性。因此我們可以調整以上參數(shù)，實現(xiàn)我們所需要頻段的陷波。最終所設計超寬帶天線具體尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 天線的結構示意圖Fig.1 Schematic representation of the antenna

表1 天線結構中的尺寸參數(shù)Tab.1 The parameters size in the proposed antenna str ucture mm

利用電磁仿真軟件HFSS 10.0對陷波前后天線的電壓駐波比進行計算，所得結果如圖2所示?？梢?，該天線在加入U形槽和寄生條帶后，在3.4～4.0 GHz和5.1～5.9 GHz頻段具有良好的陷波特性，有效地抑制Wi MAX和WLAN系統(tǒng)之間的干擾。

圖2 加入U形槽和寄生條帶前后天線的電壓駐波比Fig.2 The VSWR of the antennas with and without U-shaped slot and parasitic strip

3 天線的陷波特性仿真及實驗驗證

3.1 天線陷波特性仿真

為了更清楚地了解U形槽和寄生條帶的尺寸參數(shù)對天線陷波特性的影響規(guī)律，以便在可能存在潛在干擾的窄帶信號頻段設計出相應的具有雙陷波特性的超寬帶天線，接下來繼續(xù)應用電磁仿真軟件HFSS 10.0對影響天線性能的某些關鍵參數(shù)進行分析與研究，主要考察的尺寸參數(shù)有U形槽的長度Ld和寬度s以及接地板上寄生條帶的長度Lm、寬度Wm。圖3為U形槽的物理尺寸對天線電壓駐波比的影響。

圖3 U形槽的物理尺寸對天線電壓駐波比的影響Fig.3 Effects of U-shaped slot physical sizes on the VSWR of the antenna

圖3 表明U形槽使得天線在WLAN頻段產生陷波。圖3（a）顯示的是U形槽的總長度Ld的變化對天線陷波性能的影響，可見隨著Ld的變化，對應的中心陷波頻率出現(xiàn)明顯的變化，Ld越短則陷波中心頻率越高；圖3（b）顯示了U形槽的寬度s的變化對天線陷波性能的影響，可見隨著s的增大，對應的中心陷波頻率也呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，但變化幅度并不是很明顯。因此，可以通過調節(jié)U形槽的長度和寬度來實現(xiàn)不同頻段上的陷波功能。

圖4為寄生條帶的物理尺寸對天線電壓駐波比的影響。圖4表明寄生條帶使得天線在Wi MAX頻段產生陷波。從圖4（a）中可以看出，隨著天線接地板上寄生條帶長度Lm的增大，陷波頻段的中心頻率逐漸往低頻移動；圖4（b）表明隨著寄生條帶寬度Wm的增大，天線陷波頻段對應的中心頻率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，但變化幅度都非常小。

圖4 寄生條帶的物理尺寸對天線電壓駐波比的影響Fig.4 Effects of parasitic strip physical sizes on the VSWR of the antenna

此外，從圖3和圖4中還可以看出，天線中U形槽和寄生條帶所產生的兩個陷波頻段之間的相互影響并不大，各自產生的陷波頻段與二者同時存在時產生的陷波頻段沒有產生較大的偏移。因此，可以通過調節(jié)U形槽和寄生條帶的尺寸參數(shù)實現(xiàn)抑制通帶內任意兩個頻率點干擾信號的目的，增加了該天線設計和使用的靈活性。

通過電磁仿真軟件HFSS 10.0仿真，圖5給出了雙陷波超寬帶天線的電流分布情況。在通帶7 GHz處，電流主要輻射貼片下端和接地板上，在U形槽附近和寄生條帶上電流很??；在陷波頻率3.6 GHz和5.6 GHz處，電流分別集中在寄生條帶上和U形槽附近，天線在這兩頻率點附近產生較大的衰減和阻抗失配，形成陷波［10］。

圖5 雙陷波超寬帶天線電流分布Fig.5 Current distribution of dual band-notched ultra-wideband antenna

3.2 實驗驗證

基于圖1所示超寬帶天線的結構示意圖以及表1中該天線結構中的具體尺寸參數(shù)，本文對所設計的加入U形槽和寄生條帶后的雙陷波U WB天線進行了實際加工制作，天線整體尺寸為31 mm×35 mm×1.5 mm，介質基板選用聚四氟乙烯材料，介電常數(shù)εr＝3.5，圖6所示為加工的實物照片。利用Agilent N5230 A矢量網絡分析儀對天線的電壓駐波比進行了測量，實測結果與仿真結果的對比如圖7所示。

由圖7可以看出，天線在3～11.1 GHz通帶頻段范圍內滿足電壓駐波比小于2，在3.6～4.1 GHz和5.1～6 GHz兩個頻段內具有陷波特性，有效地抑制了窄帶信號的干擾，達到了設計要求。仿真結果和測試結果基本吻合，作者分析兩者存在的誤差主要是由天線的加工誤差和SMA同軸接頭的焊接等因素造成的。

圖6 雙陷波超寬帶天線的實物照片F(xiàn)ig.6 The photograph of fabricated dual band-notched UWB antenna

圖7 天線的電壓駐波比的仿真結果與實測結果對比Fig.7 Comparison of simulated and measured VSWR of t he proposed antenna

阻帶帶寬只是衡量天線帶寬特性的指標之一，天線的工作帶寬還受到方向圖帶寬的影響，因此還必須對天線在不同頻率上的輻射特性進行計算才能得到其方向圖帶寬。選取3 GHz、6 GHz和8 GHz 3個頻率點對天線遠場進行仿真計算，得到歸一化輻射方向圖，如圖8所示。

圖8 天線的E面和H面歸一化輻射方向圖Fig.8 Radiation patter ns of the pr oposed antenna on E-plane and H-plane

從圖8中可以看出，天線E面（y－z）方向圖呈現(xiàn)“8”字形，與偶極子天線類似，H面（x－z）方向圖在整個頻段內近似為等幅全向且具有對稱性，可收發(fā)各個方向的信號。雖然在高頻段主瓣略有偏差，但遠場方向圖基本一致，滿足超寬帶天線整體帶寬內輻射一致性的要求。

圖9為天線加入U形槽和寄生條帶后的增益特性曲線。由圖可見，天線在整個工作頻段內具有較好的增益特性，在陷波頻段處增益顯著下降，天線幾乎不工作，表明天線具有明顯的陷波特性，達到了對中心頻率為3.6 GHz和5.6 GHz的兩個潛在干擾頻段進行抑制的目的。

圖9 天線加入U形槽和寄生條帶后的增益特性曲線Fig.9 Gain curve of the proposed antenna with and without U-shaped slot and parasitic strip

4 結論

本文提出了一種小型的平面超寬帶天線。通過在天線的輻射貼片上加載U形槽實現(xiàn)了5.1～5.9 GHz頻段內的陷波，在接地板上引入寄生條帶實現(xiàn)了3.4～4 GHz頻段內的陷波。仿真與測試顯示，該天線在3～11.1 GHz的頻帶范圍內具有良好的阻抗特性、輻射方向特性，在其中3.4～4 GHz和5.1～5.9GHz范圍內具有雙陷波特性，與相關文獻相比，該天線能夠有效地抑制 Wi MAX和 WLAN系統(tǒng)之間的干擾，是一種性能較好、實用價值高、能廣泛應用于超寬帶系統(tǒng)中的陷波超寬帶天線。

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