具有三陷波特性的新型超寬帶天線設(shè)計與研究*

李國金， 秦元龍， 南敬昌

(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，無線通信技術(shù)隨著人們工作生活的需求日益發(fā)展，終端設(shè)備低成本、高效率的發(fā)展趨勢也逐漸凸顯。在2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)將3.1～10.6 GHz頻帶范圍劃分到民用通信領(lǐng)域后[1]，越來越多的研究人員把目光投向超寬帶通信領(lǐng)域，超寬帶(ultra-wideband,UWB)通信領(lǐng)域中的超寬帶天線又是研究重點(diǎn)[2，3]。超寬帶頻段內(nèi)包含了一些窄帶的通信頻段，比如WiMAX(3.3～3.6 GHz)頻段以及WLAN(5.15～5.825 GHz)頻段等，這些窄帶信號會對超寬帶系統(tǒng)造成干擾。諸多研究人員通過設(shè)計具有陷波特性的天線，來解決這一問題，陷波超寬帶天線的作用就是濾除掉這些窄帶信號。近年來，越來越多的陷波結(jié)構(gòu)被提了出來，但陷波的主要結(jié)構(gòu)還是開槽法[4]、添加枝節(jié)法[5]和寄生單元法[6]等。開槽是目前應(yīng)用最多的方法，因其具有很多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單，對工作頻段內(nèi)阻抗匹配影響較小，而且原天線的尺寸也不會增加。

文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單的單陷波超寬帶天線，將一個弧形槽刻蝕在輻射貼片上，在5.1～6.0 GHz處形成了阻帶，工作頻帶能夠達(dá)到2.8～10.8 GHz。文獻(xiàn)[8]設(shè)計出了一個具有雙頻帶阻特性的超寬帶天線，選擇將一對C形槽刻蝕在天線輻射貼片上，實(shí)現(xiàn)了對WiMAX頻段的阻隔，同時為了濾除WLAN頻段的窄帶信號，在貼片下端選擇遞進(jìn)結(jié)構(gòu)，此天線的覆蓋頻率能達(dá)到2.8～12 GHz。文獻(xiàn)[9]中的超寬帶陷波天線，選擇將天線的輻射貼片設(shè)計成漸變的笑臉形狀，以獲得超寬帶特性，天線帶寬為2.99～11.78 GHz，為了濾除WLAN頻段的窄帶信號，選擇在輻射貼片上開槽，最終的天線擁有陷波功能。

本文設(shè)計出了一種帶寬更寬、陷波性能更好、結(jié)構(gòu)相對簡單的新型雙陷波特性超寬帶天線。

1 天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計原理

本文提出的陷波超寬帶天線設(shè)計在厚度為1 mm的FR4基板上，基板的介電常數(shù)為4.4。首先設(shè)計出滿足超寬帶帶寬條件的天線，原始天線如圖1所示，天線的輻射貼片在天線正面，矩形接地板在天線背面，天線的饋電方式采用微帶線饋電，微帶饋線的形狀為矩形。

圖1 原始天線結(jié)構(gòu)

通過HFSS軟件進(jìn)行仿真得出原始天線不滿足超寬帶特性，此時對地板進(jìn)行改進(jìn)，改為如圖2(b)所示的3次切角矩形，改進(jìn)后的天線基本滿足超寬帶的特性，但性能不是很好，繼續(xù)通過對微帶饋線進(jìn)行改進(jìn)，如圖2(a)所示，使天線的工作頻率范能夠達(dá)到2.7～14.0 GHz，不僅包括了3.0～10.6 GHz頻帶，而且擁有良好的超寬帶特性。

圖2 最終超寬帶天線結(jié)構(gòu)

選擇在輻射貼片上開C形槽產(chǎn)生第一個陷波，此陷波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對WiMAX窄帶信號的濾除；通過在地板上開U形槽產(chǎn)生第二個陷波，能夠?qū)崿F(xiàn)對WLAN窄帶信號的濾除，繼續(xù)在微帶饋線上開U形槽產(chǎn)生第三個陷波，實(shí)現(xiàn)了對ITU波段窄帶信號的濾除，最終的天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三陷波超寬帶天線結(jié)構(gòu)

超寬帶天線具有陷波功能的原因是，天線的輻射貼片和地板上擁有不同的開槽結(jié)構(gòu)，原理上講，相當(dāng)于在超寬帶天線的基礎(chǔ)上，引入半波長諧振結(jié)構(gòu)[10,11]，開槽長度可以通過陷波中心頻率來計算，計算公式如式(1)

(1)

式中fnotch為陷波處對應(yīng)的中心頻率，c為光速，εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。為得到更精確的數(shù)值，使用HFSS軟件對開槽的參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，以確定出最好的參數(shù)[12，13]，使天線的性能達(dá)到最佳，最終得到的具體尺寸如表1所示。

表1 超寬帶天線參數(shù)尺寸 mm

為了進(jìn)一步研究該天線的特性，首先分析地板結(jié)構(gòu)對天線超寬帶特性的影響，在輻射貼片不改變的情況下對矩形接地板進(jìn)行仿真，再對改進(jìn)的接地板仿真，經(jīng)過對比之后，選用改進(jìn)的接地板。其次分析輻射貼片對天線超寬帶特性的影響，在選用改進(jìn)后的接地板的情況下，對矩形微帶饋線進(jìn)行仿真，再對改進(jìn)的微帶饋線進(jìn)行仿真，對比之下選用改進(jìn)后的微帶饋線，天線的最終帶寬能達(dá)到2.7～14 GHz。實(shí)現(xiàn)了天線的超寬帶特性后對天線進(jìn)行開槽處理，使天線具有陷波特性，在地板未嵌入開槽的情況下在輻射貼片開C形槽，使天線產(chǎn)生第一個陷波，分析不同的長度K產(chǎn)生的陷波情況。確定最佳長度K之后對地板開U形槽，使天線產(chǎn)生第二個陷波，分析不同長度P產(chǎn)生的陷波情況。然后在微帶饋線上開U形槽，使天線產(chǎn)生第一個陷波，分析不同長度a2產(chǎn)生的陷波情況.最終使三個陷波頻段都達(dá)到最好的效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化

圖4為天線改進(jìn)前、僅改進(jìn)接地板、同時改進(jìn)接地板和微帶饋線的反射系數(shù)S11仿真結(jié)果。

圖4 改進(jìn)前后天線的S11參數(shù)

從圖4中可以看出：1)改進(jìn)前，天線的S11參數(shù)在3.0～14.0 GHz頻段內(nèi)的大部分頻段都大于或接近于-10 dB，且在4.5～5.5 GHz頻段內(nèi)尤為明顯，天線的性能較差；2)在僅對地板進(jìn)行改進(jìn)后，4.5～5.5 GHz頻段內(nèi)的S11參數(shù)降到-10 dB之下，且在整個超寬帶頻段內(nèi)的S11參數(shù)都滿足要求，但仍然過于接近-10 dB，天線的性能一般；3)對地板和輻射貼片同時進(jìn)行改進(jìn)后，天線的S11參數(shù)整體下降到-15 dB以下，且?guī)捜匀荒軌蚋采w整個超寬帶頻段，此時的天線性能較好，且?guī)掃_(dá)到2.7～14.0 GHz。從仿真結(jié)果得到，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以很大程度增加天線的帶寬，完全符合超寬帶天線的帶寬要求。

對天線的輻射貼片進(jìn)行開C形槽處理，此時天線能夠?qū)崿F(xiàn)第一個陷波，對C形槽的上部分長度K進(jìn)行優(yōu)化仿真，圖5為不同的K值下天線反射系數(shù)的仿真結(jié)果。

圖5 不同長度K對應(yīng)的S11

由仿真結(jié)果可以看出：1)在沒有加入陷波結(jié)構(gòu)時，天線為普通的超寬帶天線，不具有陷波特性；2)在加入陷波結(jié)構(gòu)之后，對比于未加入陷波結(jié)構(gòu)，天線的S11參數(shù)在3.2～3.7頻段內(nèi)大于-10 dB，說明天線能夠很好的濾除這個頻段內(nèi)的信號，具有良好的特性；3)從圖5中可以看出，不同的K值下陷波頻段會有少許差別，在優(yōu)化之后，通常需要選擇最接近且覆蓋3.3～3.6 GHz頻段的曲線，此時曲線對應(yīng)的K為11.6 mm。

實(shí)現(xiàn)了第一個陷波后，確定了輻射貼片上的結(jié)構(gòu)和尺寸，為實(shí)現(xiàn)天線的第二個陷波，選擇對天線接地板進(jìn)行開U形槽處理，圖6為不同P值下天線的S11參數(shù)仿真曲線。

圖6 不同長度P對應(yīng)的S11

由仿真結(jié)果可以看出：1)對地板進(jìn)行開槽，產(chǎn)生第二個陷波，陷波頻段為WLAN(5.15～5.825 GHz)頻段，天線可以濾除此頻段內(nèi)的信號；2)在確定完輻射貼片結(jié)構(gòu)，只對地板進(jìn)行開槽時，從仿真結(jié)果可以得知，對地板的改進(jìn)幾乎沒有影響到第一個陷波特性，說明天線的兩個開槽結(jié)構(gòu)之間的耦合作用很小；3)從圖6中可以看出，不同的P值會產(chǎn)生不同的陷波頻段，同樣選擇最接近且覆蓋5.15～5.825 GHz頻段的曲線，此曲線對應(yīng)的P為10.5 mm。

實(shí)現(xiàn)天線的第三個陷波，選擇對天線微帶饋線進(jìn)行開U形槽處理，圖7為不同a2值下天線的S11參數(shù)仿真曲線。

圖7 不同長度a2對應(yīng)的S11

由仿真結(jié)果可以看出：1)在雙陷波天線的基礎(chǔ)上，通過在微帶饋線上開槽，實(shí)現(xiàn)了第三個陷波頻段7.9～8.7 GHz，濾除了國際電信聯(lián)盟(8.0～8.5 GHz)的窄帶信號；2)從圖7中可以看到，a2值不同時第三個陷波中心頻率變化很大，說明不同的長度導(dǎo)致不同的陷波頻段，而前2個陷波頻段有少許變化，但整體陷波頻段沒有變化不大，說明第三個陷波結(jié)構(gòu)對前2個陷波結(jié)構(gòu)有耦合作用，在可接受范圍內(nèi)，影響很??；3)同樣選擇最接近且覆蓋8.0～8.5 GHz頻段的曲線對應(yīng)的長度a2為1.1 mm。

通過電流分布圖更好分析天線實(shí)現(xiàn)陷波功能的原理。天線的工作原理大致可以理解為信號之間的轉(zhuǎn)換，當(dāng)輸入電信號時，天線將輸入信號轉(zhuǎn)換為電磁波，從而發(fā)射出信號[14]。圖8為中心頻率分別為3.5,5.45,8.2 GHz時的仿真結(jié)果，由圖可知在陷波頻段內(nèi)，陷波結(jié)構(gòu)周圍聚集大量能量，說明在這個頻段內(nèi)天線的性能很差，不能夠正常收發(fā)信號，此時超寬帶天線可以實(shí)現(xiàn)陷波特性。

圖8 天線表面電流分布

為實(shí)現(xiàn)天線良好的輻射特性[15]。本文選擇在不同頻點(diǎn)處仿真天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖，結(jié)果如圖9所示，從圖中可知，天線E面的方向圖形狀為“8”字形，說明天線有良好的定向輻射性能；天線H面方向圖形狀為圓形，說明天線擁有良好的全向輻射特性。在4 GHz頻點(diǎn)處天線的方向圖很好，呈現(xiàn)的輻射特性良好，在7.5 GHz和10 GHz頻點(diǎn)處，天線的E面方向圖略微畸變，定向輻射強(qiáng)度較4 GHz頻點(diǎn)處有所收縮，H面方向圖基本不變，說明天線在全向輻射特性這方面呈現(xiàn)出良好的性能，完全能夠滿足超寬帶天線的要求的。

圖9 天線方向

由圖10可以看出，天線在通帶內(nèi)的增益在3～5 dBi之間，相對是趨于穩(wěn)定的，說明此時天線能夠正常穩(wěn)定的工作。在陷波頻段內(nèi)，增益下降到-2 dBi以下，說明在此頻段內(nèi)，天線是不工作的，成功濾除了這些頻段內(nèi)的窄帶信號對超寬帶系統(tǒng)的干擾。

圖10 天線增益

3 天線制作與實(shí)測結(jié)果

圖11為天線加工后的實(shí)物。

圖11 天線實(shí)物

在正常環(huán)境條件下使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行天線反射系數(shù)測量，圖12為實(shí)測與仿真對比，可以看出：天線帶寬達(dá)到2.7～14.0 GHz，在3.2～3.7 GHz和5.0～5.9 GHz兩個頻段的S11參數(shù)都達(dá)到-10 dB以上，具有良好的陷波特性，除陷波頻段外的通帶內(nèi)S11參數(shù)基本小于-15 dB，擁有良好的性能，符合本設(shè)計的要求。實(shí)測與仿真結(jié)果之間的誤差，主要是實(shí)物加工過程的問題，如加工精度不夠、介質(zhì)基板與輻射貼片會有磨損以及接頭焊點(diǎn)的影響。

圖12 S11仿真與實(shí)測對比

4 結(jié) 論

本文提出了一種三陷波超寬帶天線，通過改進(jìn)接地板和微帶饋線結(jié)構(gòu)有效拓寬了帶寬。在輻射貼片上刻蝕C形槽，可以抑制WiMAX窄帶信號的影響；在接地板開U形槽，抑制了WLAN窄帶信號的干擾；在微帶饋線上開U形槽，抑制了國際電信聯(lián)盟波段信號的干擾。對天線尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后做出了實(shí)物，測試結(jié)果與仿真結(jié)果有些許差別，但在可控范圍內(nèi)。最終結(jié)果表明，本文設(shè)計的天線能夠?qū)崿F(xiàn)陷波功能，且性能良好，可用于通信系統(tǒng)中。