一種具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線設計

1 引言

自從2002年2月美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）將3.1-10.6GHz頻段劃歸超寬帶（UWB）的民用頻段⁼，UWB無線通信系統(tǒng)的設計和應用便成為了無線通信領域激烈競爭的焦點。作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，超寬帶天線的設計也成為了科學界和工程界的熱門研究課題。但是在UWB頻段內存在其他無線通信系統(tǒng)，比如3.3-3.6 GHz的WiMAX和5.15-5.825 GHz的WLAN等。

為了減小UWB系統(tǒng)與其他無線通信系統(tǒng)的相互干擾，具有陷波功能的超寬帶天線也被廣泛研究。近年來已經有許多具有陷波功能的超寬帶天線相繼被提出，其中大量的陷波結構都是通過在天線上開槽實現(xiàn)的。對于微帶類超寬帶天線，還可以通過在地板開槽或者饋線處加載諧振器來實現(xiàn)陷波功能。但對于共面波導饋電超寬帶天線，大部分陷波都是通過在輻射體上開槽實現(xiàn)的，關于如何在地板實現(xiàn)陷波功能的研究并不多。

本文提出了一種具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線。這兩個阻帶分別是通過在天線的地板兩端對稱地開兩條槽和在輻射體上開槽來實現(xiàn)的，阻帶的中心頻率分別為5.5和3.5 GHz。實測與仿真結果表明該天線在期望阻帶外的其他UWB頻段內表現(xiàn)出良好的寬帶阻抗匹配特性與穩(wěn)定的增益，并且該天線具有良好的全向輻射特性。

圖1 天線結構圖

圖2 陷波超寬帶天線實物圖

2 天線設計

本文提出的具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線結構如圖1所示，天線的整體尺寸為L×W =30×30 mm²。其主要輻射單元是一個半徑R=18 mm的圓片的一部分。共面波導傳輸線具有50om的特性阻抗，寬度為L₁=4 mm,與地板之間的間隔為g=0.5 mm。兩端地板各自切除了一個三角形來實現(xiàn)更好的阻抗匹配。

該天線的兩個阻帶是通過在上述超寬帶天線的地板和輻射單元上開槽分別實現(xiàn)的。通過在兩端地板靠近饋線位置各開一條細槽可以實現(xiàn)一個阻帶，槽的長度約為期望阻帶中心頻率對應波長的1/4。同時，在輻射體上開槽實現(xiàn)了天線的第二個阻帶，槽長約為期望阻帶中心頻率對應波長的1/2。通過調節(jié)各槽的長度、寬度與位置可以獲得阻帶性能良好的陷波超寬帶天線。

圖3 天線的電壓駐波比特性

（a）E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖4 天線在3.1 GHz 的輻射方向圖

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖5 天線在7 GHz 的輻射方向圖

該天線被印制在相對介電常數(shù)為er=4.4，厚度為h=1.6 mm的FR4介質板的同一側。這種共面結構容易加工與集成，成本低廉，且與射頻電路之間的影響很小。天線的各個參數(shù)是通過使用Ansoft公司的HFSS軟件仿真優(yōu)化的結果，最優(yōu)的結果為：L×W =30×30 mm²，g=4 mm，d=0.5 mm， gap=1.3 mm，R=18 mm，W₁=9.9 mm，W₂=1.8mm，W₃=9 mm，W₄=0.7mm，L₁=7.8 mm，L₂=0.92 mm，L_slot1×W_slot1=7.8×0.22 mm²，L1_slot2=12.6 mm，L2_slot2= 10 mm，L3_slot2=1 mm，W_slot2=0.3 mm， W1_slot2= 3.7 mm。天線的實物照片如圖2所示。

3 結果與討論

天線的測量使用了安捷倫公司的矢量網絡分析儀，型號為N5230A。圖3為電壓駐波比（VSWR）的測量與仿真結果對比圖，這兩個結果吻合地很好。測量與仿真結果表明：該天線在5.15-5.825 GHz的WLAN和3.3-3.6 GHz的WiMAX兩個頻段內均滿足VSWR > 3，而在兩個頻段外的其他UWB頻段內基本滿足VSWR 2，從而有效抑制了UWB系統(tǒng)與這兩個通信系統(tǒng)之間的潛在干擾。

圖4-6是天線在3.1，7.0和10 GHz三個頻點的歸一化E面（XOZ面）和H面（YOZ面）測量仿真對比輻射方向圖。由圖可知，天線在低頻時其輻射特性與半波陣子相似，E面為一個8形，H面具有全向輻射特性。隨著頻率的增加，方向圖有一定的惡化，但是其H面仍然是接近全向的，表明該天線在整個超寬帶頻段內具有良好的全向輻射特性。

(a) E面（XOZ面）

(b) H面（YOZ面）

圖6 天線在10 GHz 的輻射方向圖

圖7是天線的增益特性圖。在整個超寬帶頻段內，天線增益基本穩(wěn)定在平均值為3.5 dB左右。并且在設計的兩個阻帶內，其增益有顯著下降，在3.5和5.5 GHz兩個阻帶中心頻率的增益分別下降至-7和-4 dB，有效抑制了UWB與WLAN和WiMAX的相互影響。

圖7 天線增益圖

4 結論

本文提出了一種具有雙阻帶功能的共面波導饋電超寬帶天線。仿真與測量結果表明，該天線實現(xiàn)了在3.1-10.6 GHz頻段內VSWR 2的寬帶阻抗匹配，但是在期望的WLAN和WiMAX阻帶內天線滿足VSWR > 3，有效抑制了UWB系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)的潛在干擾。在整個頻段內，天線具有平均值約為3.5 dB的穩(wěn)定增益，并且在兩個阻帶內增益有顯著下降。天線還具有近似全向的輻射特性，表明該天線是一種性能良好、具有實用價值的超寬帶天線。