一種具有三陷波特性的超寬帶印刷天線設(shè)計(jì)

袁 耿，林嘉揚(yáng)，李 鉑

(1.西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710071;2.中國(guó)人民解放軍92146部隊(duì) 修理所，廣東 湛江524001)

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)于2002年規(guī)范統(tǒng)一商業(yè)應(yīng)用中的帶寬要求為3.1～10.6 GHz，這使得超寬帶技術(shù)在工業(yè)和學(xué)術(shù)界中的應(yīng)用變得備受矚目。為避免超寬帶通信系統(tǒng)中的其他頻段的相互干擾，例如工作頻帶內(nèi)還存在諸如無線局域網(wǎng)等其他的通信系統(tǒng)，多種具有陷波特性的超寬帶天線被廣泛研究和設(shè)計(jì)出來［1－8］。

可以通過在超寬帶天線上腐蝕不同的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)陷波特性。多種結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)這一功能，如在貼片上腐蝕U形［1］和C形［4］縫隙。然而眾多設(shè)計(jì)的天線都僅覆蓋了一個(gè)窄帶頻段［1－4］，多數(shù)適用于無線局域網(wǎng)中5 GHz頻段。還有部分天線具有雙陷波特性［5－6］。

文中提出了一種帶有三陷波特性的共面波導(dǎo)饋電的超寬帶天線。輻射貼片為大錢形狀，通過在其表面腐蝕U形縫隙和長(zhǎng)條裂縫，可以獲得3個(gè)陷波頻段。

1 天線的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

具有三陷波特性的超寬帶天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。天線腐蝕在介電常數(shù)為4.4和厚度為1.6 mm的FR4介質(zhì)板上。共面波導(dǎo)傳輸線與地板的間隔是W3、寬度是W4，特性阻抗是50Ω。共面地板大小是L2×W2，提供了良好的阻抗匹配。天線的尺寸是36 mm×30 mm×1.6 mm。為引入三陷波特性，在馬蹄形天線表面蝕刻了U形縫隙和長(zhǎng)條裂縫。上部的U形縫隙實(shí)現(xiàn)了WiMAX的3.3～3.7 GHz頻段的陷波功能，同樣的下部U形縫隙實(shí)現(xiàn)了7.25～8.4 GHz頻段的陷波功能，而兩條裂縫實(shí)現(xiàn)了WLAN的5.15～5.825 GHz頻段的陷波功能。

原始天線具有良好的超寬帶特性，在充分考慮整體尺寸的前提下，合適地選擇大錢形貼片和共面地板的大小來保證天線的阻抗匹配特性。而在貼片上面蝕刻縫隙或者裂縫，可以切斷輻射貼片上的表面電流，使得縫隙或者裂縫周圍的電流重新分布，形成了陷波特性。考慮在介電常數(shù)4.4時(shí)，陷波結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度約為陷波頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/4，考慮縫隙和裂縫之間的耦合，在初始值附近進(jìn)行一定的優(yōu)化就可得出設(shè)計(jì)天線的具體從參數(shù)。

使用3D電磁仿真元件HFSS 11.0對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真，經(jīng)過加工調(diào)試天線的尺寸如下:L1=36 mm，L2=16 mm，L3=14 mm，L4=15 mm，L5=17 mm，L6=4.8 mm，L7=11 mm，L8=6 mm，L9=8.5 mm，L10=8.4 mm，L11=2.6 mm，W1=30 mm，W2=9 mm，W3=0.5 mm，W4=3 mm，W5=0.4 mm，W6=0.4 mm，W7=0.5 mm，W8=2.5 mm，R1=10 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果分析

圖2給出了三陷波超寬帶天線回波損耗的HFSS仿真結(jié)果圖和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果圖。從回波損耗可以看出超寬帶天線滿足通信系統(tǒng)中對(duì)于超寬帶頻帶的要求，并且可以看出設(shè)計(jì)的天線有3.1～3.9 GHz，5.15～5.9 GHz和7.2～8.9 GHz的3個(gè)陷波頻段。測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果有著良好的吻合。

圖2 三陷波天線的仿真和測(cè)量回波損耗圖

設(shè)計(jì)的天線初始模型是沒有腐蝕縫隙的大錢形單極子天線，其本身有著良好的寬頻帶特性和相對(duì)小的面積。為觀察裂縫和縫隙的陷波功能，給出了初始天線和3個(gè)天線的回波損耗仿真結(jié)果圖，這3個(gè)天線依次移除了上部的U形縫隙，垂直的長(zhǎng)條裂縫和下部的U形縫隙。如圖3所示，可以看出其各自的陷波特性。當(dāng)長(zhǎng)條裂縫或U形縫隙移除時(shí)，相應(yīng)的陷波頻段也移除了，并且對(duì)于另外的陷波頻段沒有太大的影響。

圖3 陷波單元對(duì)于回波損耗的影響圖

為進(jìn)一步研究陷波結(jié)構(gòu)，對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行了分析。其中上部U形縫隙的參數(shù)是長(zhǎng)度L7，L9和寬度W7，長(zhǎng)條裂縫的參數(shù)是長(zhǎng)度L10和寬度W6，下部U形縫隙的參數(shù)是長(zhǎng)度L6，L5和寬度W5。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)寬度基本可以決定陷波帶寬，合理地選擇使得陷波帶寬滿足要求即可;而長(zhǎng)度基本決定陷波的中心頻率。圖4給出了不同長(zhǎng)度對(duì)于陷波頻段的影響。天線的陷波頻段可以通過改變裂縫或者縫隙的長(zhǎng)度來調(diào)整，可以看出增加L9，L10或L6的長(zhǎng)度，相應(yīng)的陷波頻段會(huì)向低頻方向移動(dòng)，并且另外的陷波頻段并沒有大幅變化。

4.5，5.5和6.5 GHz的E面和H面的測(cè)試輻射方向圖如圖5所示。在4.5和6.5 GHz，E面方向圖和單極子的輻射方向圖相似，然而在5.5 GHz由于陷波特性使得E面方向圖發(fā)生了部分畸變，并沒有上述兩個(gè)頻點(diǎn)的方向圖效果好。H面方向圖接近全向，有著良好的全向輻射特性。

圖5 三陷波超寬帶天線的輻射方向圖

最后給出了整個(gè)工作頻段的峰值增益圖。3個(gè)陷波頻段的最小增益分別是2.2 dBi，2.4 dBi和2.9 dBi。出現(xiàn)的頻率也正如預(yù)期的出現(xiàn)在3.5 GHz，5.5 GHz和8.0 GHz處。

圖6 三陷波超寬帶天線的峰值增益圖

3 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種新型的帶有三陷波特性的超寬帶的天線，并且給出了仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明天線滿足超寬帶3.1～12 GHz頻帶的要求，通過在大錢形貼片上腐蝕兩個(gè)長(zhǎng)條裂縫和兩個(gè)U形縫隙，使天線具有3個(gè)陷波頻段，即3.4 GHz，5.5 GHz和8.0 GHz的窄帶范圍具有良好的陷波特性，抑制了通信系統(tǒng)相關(guān)頻段對(duì)于UWB系統(tǒng)的潛在干擾。文中設(shè)計(jì)的天線在超寬帶通信系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

［1］JUNG N LEE，JONG K PARK.Impedance characteristics of trapezoidal ultra－wideband antennas with a notch function［J］.Microwave Opt Technology Letter，2005，46(5):503－506.

［2］ZHANG L N，ZHONG S S，LIANG X L，et al.Compact omnidirectional band－notch ultra－wideband antenna［J］.Electronic Letter，2009，45(13):659－660.

［3］SADEGHI V，GHOBADI C，NOURINIA J.Design of UWB semi－circle－like slot antenna with controllable bandnotch function［J］.Electronic Letter，2009，45(25):1282－1283.

［4］HUANG C Y，HUANG S A，YANG C F.Band－notched ultra－wideband circular slot antenna with inverted c－shaped parasitic strip［J］.Electronic Letter，2008，44(15):891－892.

［5］CHEN W S，LIN C H.A Dual－band rejected cross monopole antenna maintaining omnidirection radiation［J］.Microwave Opt Technology Letter，2008，50(10):2491－2493.

［6］RAHMATI B，HASSANI H R.Wideband planar plate monopole antenna with dual tunable notch［J］.Electronic Letter，2010，46(7):480－481.

［7］Trang N D，Lee D H，H C Park H C.Compact printed CPW－fed monopole ultra－wideband antenna with triple subband notched characteristics［J］.Electronic Letter，2010，46(17):1177－1179.

［8］KIM DO，KIM C Y.CPW－fed ultra－wideband antenna with triple－band notch function［J］.Electronic Letter，2010，46(18):1246－1248.