一種緊湊型電磁帶隙結構雙陷波超寬帶天線設計

時晶晶，姚佰棟，吳先良，宋 揚，涂健民

（1.安徽博微長安電子有限公司目標探測與特征提取安徽省重點實驗室，安徽六安 237010；2.合肥師范學院電子信息系統(tǒng)仿真設計安徽省重點實驗室，安徽合肥 230601；3.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088；4.安徽大學電子信息工程學院，安徽合肥 230601）

0 引 言

隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，高數據速率和大信道容量成為近年來研究的熱點。超寬帶（UWB）天線技術因其數字傳輸速度高、帶寬廣、成本低等特性倍受重視，已應用于無線通信技術領域［1］。但一些窄帶信號，如WiMAX、WLAN 和X-Band 上行衛(wèi)星通信頻帶，會在超寬帶中產生干擾。因此，具有陷波功能的天線設計是超寬帶系統(tǒng)工程應用中需要考慮的重要部分。

EBG 結構在一定頻率范圍內具有帶隙特性，被廣泛應用在超寬帶天線的多頻段陷波技術中。1999年，Sievenpiper提出了蘑菇型EBG結構［2］。后來為了實現小型化設計，Mcvay 希爾伯特曲線型EBG［3］、Park 雙層堆疊EBG［4］、Kim 平面方形螺旋EBG［5］等多種結構相繼出現。

論文基于單SCSR-EBG 結構設計一款具有雙陷波特性的超寬帶單極子微帶天線。將開口諧振環(huán)結構與傳統(tǒng)EBG 相結合，利用兩個并聯(lián)LC 諧振電路實現了雙頻段陷波，該結構緊湊且易于工程實現。仿真和實物測試結果證明該天線可以有效抑制WiMAX（IEEE 802.16 3.30～3.80 GHz）和WLAN（IEEE 802.11a 5.15～5.35 GHz）兩個頻段的干擾，具備良好的陷波抑制特性，可應用于超寬帶通信系統(tǒng)。

1 SCSR-EBG結構設計

文獻［6］研究了圖1（a）所示中央過孔電磁帶隙（Central Located via Electromagnetic Bandgap，CLV-EBG）結構的諧振頻率特性，當EBG 尺寸與諧振波長可相比擬時，等效為LC 諧振電路，如圖1（b）所示，在特定的頻帶具有帶阻濾波器特性，實現單陷波。等效電感、電容如式（1）、（2）所示［7］:

圖1 CLV-EBG結構與等效電路圖

式中μ0，w，g，εr，ε0分別是真空磁導率、EBG貼片寬度、EBG 單元間隙、相對介電常數和真空介電常數。而EBG 結構的表面阻抗（Zs）、阻帶中心頻率（fc）和阻帶帶寬（BW）為［1］

CLV-EBG 在εr=3.66,tanδ=0.04,h=1.524 mm的介質基板上陷波特性隨w變化曲線如圖2 所示，其中r=0.1 mm，s=0.1 mm。圖2 表明隨著w增大，陷波頻率減小。

圖2 貼片寬度w對CLV-EBG陷波頻率的影響

EBG 結構圖如圖3所示。為實現雙陷波特性，在CLV-EBG 結構基礎上加載容性開口諧振環(huán)（Split Resonant Ring，SRR），設計一種方型開口諧振環(huán)電磁帶隙（Square Split-Ring Resonator Electromagnetic Bandgap,SSRR-EBG）結構，如圖3（b）所示。該結構的諧振頻率為

圖3 EBG結構圖

式中LSRR為SRR 結構總長，εeff為有效介電常數。SRR 和微帶饋線實際上相當于一個帶阻濾波器，利用該結構可以實現對WLAN頻段的陷波。

圖4所示為w=6.7 mm，s=0.1 mm，r=0.1 mm，εr=3.66，tanδ=0.04，h=1.524 mm 時，諧振環(huán)的開口尺寸p對第二陷波頻率影響，由圖可見隨著p增大第二陷波頻率增大。

圖4 p對SSRR-EBG第二陷波頻率的影響

為得到更好的陷波特性，設計一種基于半圓開口環(huán)結構的電磁帶隙結構（SCSR-EBG），如圖3（c）所示。圖5給出當圓環(huán)半徑固定的情況下，陷波頻率隨開口尺寸g的變化特性曲線。從圖6 可以看出，在3.5 GHz 和5.2 GHz 兩個陷波頻率處，SCSREBG結構的回波損耗均大于15 dB，陷波性能更好。

圖5 g對SCSR-EBG第二陷波頻率的影響

圖6 SCSR-EBG和SSRR-EBG陷波特性對比

2 單SCSR-EBG結構雙陷波超寬帶天線設計

超寬帶天線貼片采用杯型結構，如圖7（a）所示，稱為天線1。圖7（b）是天線在εr=3.66，tanδ=0.04，h=1.524 mm 介質基板上駐波比（VSWR）的仿真結果，結果表明，在整個超寬帶頻段VSWR＜2，天線阻抗匹配良好。

圖7 杯型超寬帶單極子微帶天線（天線1）

將SCSR-EBG 結構應用在天線1 中，結構如圖8（a）所示，稱為天線2。其中W=10.6 mm，s=0.1 mm，r=0.1 mm，g=1 mm。VSWR 仿真結果如圖8（b）所示，實現了對WiMAX和WLAN頻段的陷波。

圖8 SCSR-EBG雙陷波天線（天線2）

當天線2 工作在WiMAX 頻段時，電流主要集中在SCSR-EBG 結構的金屬過孔處，如圖9（a）所示，通過金屬過孔將電流引到接地板，實現天線對該頻段的陷波；當天線2 工作在WLAN 頻段時，電流主要分布在開口諧振環(huán)上，如圖9（b）所示，開口諧振環(huán)產生反向電場阻礙信號向輻射貼片傳輸，實現其陷波特性。

圖9 不同頻率SCSR-EBG電流分布

3 實物測試

利用Agilent PNA-X 對天線2 駐波特性進行測試，從圖10（a）實測VSWR 曲線可以看出，天線2在3.47～4.15 GHz 和4.78～5.59 GHz 處，VSWR＞12。證明SCSR-EBG 結構對WiMAX 和WLAN 雙頻段陷波的可行性。天線輻射特性測量系統(tǒng)如圖10（b）所示。

圖10 天線2測試

圖11 為在工作頻率4 GHz 和6 GHz 時天線1、天線2 方向圖仿真和天線2 測試結果，通過E 面和H 面方向圖可以觀察到天線基本具有全向輻射特性，并且證明了SCSR-EBG 結構對天線輻射性能影響較小。

圖11 天線1、2仿真和天線2測試方向圖

論文對具有陷波特性的天線相關文獻進行了檢索，表1所示為其他EBG結構雙陷波天線與論文設計天線的性能比較。本文使用單個EBG 結構實現了超寬帶天線的雙陷波，并且達到良好的陷波特性。與文獻［11］中采用開縫式EBG 實現WiMAX 和WLAN 雙頻段陷波相比，電性能相當，但本文提出的SCSR-EBG 結構更加緊湊，大小僅為0.13λc1*0.065λc1。

表1 各文獻EBG天線雙陷波特性對比

4 結束語

論文設計了一種基于SCSR-EBG 結構的新型雙陷波超寬帶單極子微帶天線。此天線利用單個大小為0.13λc1*0.065λc1的SCSR-EBG 結構實現了對WiMAX 和WLAN 頻段的抑制，該結構具有簡單易集成、陷波特性明顯、對帶內輻射性能影響小等優(yōu)點，在緊湊型雙陷波超寬帶系統(tǒng)設計中具有應用潛力。