一種新型超寬帶雙陷波平面單極子貼片天線設計*

周喜權

(齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161106)

1 引言

隨著無線通信技術的迅猛發(fā)展，信息通信所要求的帶寬逐漸增加，超寬帶通信成為研究的熱點。美國通信委員會于2002年將3.11～10.16 GHz頻段作為超寬通信使用，但由于頻率覆蓋的范圍與5.15 ～5.825 GHz的無線局域網(wǎng)(WLAN)和3.4 ～3.6 GHz的全球微波無線互聯(lián)網(wǎng)絡(WMAX)頻段的干擾不可避免，解決這種干擾最簡單方法是在天線設計上直接產(chǎn)生陷波頻段，所以設計超寬帶陷波天線具有重要意義。

早期寬頻陷波天線是通過將不同頻段諧振的窄帶天線集成在一起實現(xiàn)多頻天線功能［1］。這樣設計的天線體積較大，還存在頻帶間的耦合干擾問題，影響天線性能。2003年，美國工程師Schantz H G提出了具有現(xiàn)代意義超寬帶陷波天線的理論。通過在超寬帶天線匹配半波長或1/4波長的諧振結構實現(xiàn)對目標頻段的“陷波”［2－4］。文獻［5］中使用分形諧振貼片，實現(xiàn)了5 GHz附近寬帶陷波特性，但分形結構復雜，不利于加工制作。通常情況下，在天線上開縫，可以實現(xiàn)特定頻段的陷波功能［6－9］。James R對天線的表面電流分布進行了詳細分析，對陷波天線的設計提供了指導與實踐作用［7］。

基于以上研究情況，本文設計了一種具有雙陷波功能的超寬帶天線。通過簡單微帶饋線輸入，并對輻射貼片進行了表面開縫，形成U形和C形縫隙。并對影響天線陷波特性的縫隙尺寸進行了分析和仿真，同時對貼片表面電流分布與縫隙關系進行了仿真分析，提出開縫依據(jù)。仿真和實測結果表明，該天線在3.11～10.16 GHz寬頻范圍內具有良好匹配特性，在5.15 ～5.825 GHz的無線局域網(wǎng)和3.4 ～3.6 GHz的全球微波無線互聯(lián)網(wǎng)絡頻段具有良好陷波功能。天線尺寸較小，制作方便，便于集成在電路系統(tǒng)中。

2 天線模型構建

2.1 天線結構

本設計天線采用平面貼片微帶饋電設計，經(jīng)Ansoft HFSS v12軟件優(yōu)化后的天線結構尺寸如圖1所示。天線制作在長寬高為33 mm×26 mm×0.74 mm、介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯環(huán)氧樹脂基板上。介質板正面是橢圓和矩形組成的酒杯貼片，在橢圓貼片的底部開有三對對稱縫隙，其間距為0.5 mm，縫寬為0.5 mm，長度分別為 2.56 mm、2.15 mm、1.39 mm，目的是增加天線電長度，滿足超寬帶天線頻段要求和天線尺寸減小目的。背面是被切角的矩形接地板，切角目的是調整輸入阻抗帶寬。天線采用特性阻抗為50 Ω的微帶線饋電。

圖1 天線結構Fig.1 Antenna structure

2.2 天線陷波工作原理

從上面分析中可知，在超寬帶天線上實現(xiàn)陷波功能較簡單方法是采用在輻射貼片上開規(guī)則縫隙，縫隙規(guī)則性主要是便于調試陷波頻點。由于天線輻射電流主要分布于貼片的邊緣和饋電附近，所以將U形縫放置在貼片邊緣附近，而C形縫放置在貼片饋電附近。圖1為具有雙陷波結構天線，縫隙寬度為0.4 mm，各自的長度滿足相應陷波中心頻率諧振要求，其相應長度的改變影響各自諧振頻點位置。

通常來說，兩縫隙的長度為相應陷波頻段中心頻率對應的波長的一半，U形槽和C形槽的長度L可由公式(1)估算初始數(shù)據(jù):

其中，f0為陷波中心頻率，c為光速，εr為介質板相對介電常數(shù)。通過優(yōu)化得到對應U和C形槽的長度分別為35.6 mm和19.88 mm，對應的中心頻率分別為3.5 GHz和5.5 GHz。

這種開縫實現(xiàn)陷波原理可以理解為將天線視為一組諧振頻率互為接近的RLC諧振電路的串聯(lián)［10］，如圖2 所示［9］，其電路等效輸入端阻抗 Zr，見公式(2)。

圖2 UWB天線等效電路Fig.2 Equivalent circuit of UWB antenna

當傳輸線特性阻抗Z0滿足寬頻內各諧波產(chǎn)生的等效輸入阻抗Zr匹配要求時，天線輻射在超寬帶范圍內，這時天線輻射面電流主要分布于天線四周和與地板臨近的區(qū)域，圖3為8 GHz諧波電流分布。但當輸入頻率為陷波中心頻率3.5 GHz時，其對應的諧振電路諧振最強，其他變小，這時對應的天線諧振面電流分布于U形縫隙周圍，如圖4(a)所示。它改變了天線輻射電流分布，使等效輸入電流發(fā)生變化，導致等效輸入阻抗發(fā)生變化，與傳輸線特性阻抗失配，使對應該頻率的入射波產(chǎn)生強反射，從而產(chǎn)生3.5 GHz的陷波頻率。同理，輸入陷波中心頻率為5.5 GHz時，其C形縫周圍諧振面電流最強，其他諧波都較弱，如圖4(b)所示，這時輸入等效阻抗與傳輸線特性阻抗失配，從而產(chǎn)生5.5 GHz陷波頻率。

圖3 f0=8 GHz天線輻射面電流分布Fig.3 Surface current distribution of antenna radiation at f0=8 GHz

圖4 3.5 GHz和5.5 GHz天線輻射面電流分布Fig.4 Surface current distribution of antenna radiation at 3.5 GHz and 5.5 GHz

總之，陷波諧振電流產(chǎn)生在縫隙周圍，沿縫隙流動，相當天線線電流分布，而線電流諧振長度為諧振頻率對應波長的一半，所以公式(1)的縫隙長度L計算是選擇輻射貼片諧振頻率對應波長的一半。

3 陷波特性仿真與分析

3.1 天線電氣性能仿真結果分析

輻射貼片上沒有開U和C形縫隙時其模型的端口駐波比(VSWR)曲線如圖5所示，可見天線在VSWR＜2的端口駐波比帶寬為3.01～11.65 GHz，包含UWB工作頻段。

圖5 沒有陷波下端口駐波比與頻率關系曲線Fig.5 Port VSWR with frequency curves in no notch

當在天線上開有U形和C形縫隙時，通過仿真研究得到端口駐波比在VSWR＞2的兩個頻段陷波諧振點，其中的U形縫對應的陷波低頻段為3.4～3.6 GHz，而 C 形 縫對應的陷波高 頻 段4.61 ～5.97 GHz，如圖6 所示。

圖6 有陷波下端口駐波比與頻率關系曲線Fig.6 Port VSWR with frequency curve in notch

天線在7 GHz和10 GHz頻率下遠場輻射如圖7(a)和(b)所示，從兩種頻率下平面輻射方向圖可知E面圖與偶極子輻射圖分布趨勢相同，隨頻率增加略有畸變;而H面方向圖基本保持全向分布，但隨著頻率升高也略有畸變。整個UWB頻段基本保持方向圖分布的穩(wěn)定，滿足超寬頻天線設計要求。

圖7 7 GHz和10 GHz的E面和H面方向圖Fig.7 E －plane and H －plane pattern at 7 GHz and 10 GHz

3.2 天線參數(shù)功能仿真分析

影響兩陷波諧振點位置因素很多，但主要是兩縫隙的大小和相對位置。由于U形和C形縫隙間距較近，有一定電磁互耦產(chǎn)生，所以調整它們尺寸與位置時將對兩個陷波頻率均有影響。下面分別對影響兩陷波的主要參數(shù)進行仿真分析。

(1)U形槽長度l22對陷波諧振頻率的性能影響

如圖8所示，U形長度l22不同對兩陷波諧振頻率都有影響，越長越向低頻移動，符合公式(1)變化規(guī)律，所以調整l22長度可以同時控制兩個諧振頻率點陷波位置。

(2)C形槽半徑r3對陷波諧振頻率影響

由圖9可知，C形半經(jīng)r3大小主要影響5.15～5.825 GHz高頻陷波點，對低頻陷波點影響較小，r3越小越向高頻擴展，同樣符合公式(1)變化規(guī)律，所以通過調整r3可控制該陷波頻率位置。

圖9 C形槽半徑r3對天線性能影響Fig.9 Effect of radius r3 of C type on antenna performance

(3)C形槽垂直位置變化對陷波諧振點的影響

如圖10所示，隨著C形縫隙在垂直位置x2增加，也即垂直向下移動，兩陷波頻率都向低頻移動，說明兩縫隙相對間有互耦現(xiàn)象，所以通過改變x2也可控制兩陷波頻率位置。

圖10 C形槽位置x2變化對天線性能影響Fig.10 Effects of position x2 of C type on antenna performance

4 實驗結果分析

本文設計的天線使用了HFSS公司的高頻仿真軟件進行了仿真，確定了天線的尺寸，在此基礎上加工出來天線實物如圖11所示。使用矢量網(wǎng)絡分析儀對天線端口相應頻率點的駐波比進行了測量，得出了所需的實驗結果與仿真比較圖如圖12所示。與仿真結果相比，天線工作的起始頻率有所上升，在兩個的陷波頻段有些偏移，阻帶中心頻率處的駐波比減小，但也在可使用的范圍內。出現(xiàn)這些偏差是由天線實物在加工和端口焊時出現(xiàn)一定誤差引起的，不過總體上講，此結果和仿真得到的結果基本吻合。

圖11 實物天線Fig.11 Photo of the designed antenna

圖12 仿真與實測駐波比曲線Fig.12 Simulated and measured VSWR curve

5 結論

本文設計出帶有陷波功能的超寬帶單極子天線。通過在酒杯形輻射貼片上嵌入U形和C形兩種形狀縫隙，實現(xiàn)了在頻率5.15 ～5.825 GHz和3.4～3.6 GHz上的陷波寬頻天線要求。該天線具有超寬帶優(yōu)勢的同時，避開了無線局域網(wǎng)和全球微波無線互聯(lián)網(wǎng)絡頻段的干擾。在整個UWB頻段內，有良好的輻射和方向圖穩(wěn)定特性，在最大輻射方向最大可達8.29 dB的增益。由于天線較小，兩陷波縫隙距離較近，有互耦作用，導致兩陷波頻率調整時互相影響，但經(jīng)仿真優(yōu)化基本實現(xiàn)所要求目標，可以實現(xiàn)超寬帶下實現(xiàn)雙陷波功能通信要求。

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