一种具有阻带特性的超宽带天线设计**

杨治丽 陈美娥 王均宏 张 展 王显刚 北京交通大学光波技术研究所

1 引言

自从2002年美国联邦通信委员会（FCC）宣布将3.1GHz～10.6GHz频段划归民用以后，UWB（Ultra Wideband）通信就因其通信容量大、辐射功率密度低、抗多径干扰、结构简单和保密性好等特点受到广泛关注。UWB天线的设计与研究是超宽带通信的关键技术之一，采用共面波导或微带馈电的印刷平面UWB天线具有体积小、剖面尺寸小、易于系统集成等优点，受到研究者的青睐[1-3]。然而UWB频段内还存在其他窄带无线通信系统，例如IEEE802.11a规定的工作在5.15GHz～5.35GHz和5.725GHz～5.825GHz频带范围内的无线局域网。为了抑制不同系统之间的相互干扰，设计一种具有阻带特性的UWB天线是非常必要的。研究者已经在这方面做了很多工作，文献[4]和文献[5]在天线的辐射贴片上开槽，文献[6]在辐射贴片旁边增加一对寄生贴片，文献[7]在微带馈线中引入了一个谐振单元，相当于窄带滤波器的作用，它们都使超宽带天线在无线局域网的频带范围内具有了阻带特性。

本文对文献[1]中的天线进行改进，在其辐射贴片上蚀刻细长的缝隙，改变其电流分布，使改进后的天线在4.7GHz～5.84GHz的频带范围内具有阻带特性，避免无线局域网的干扰。

2 天线设计与仿真

2.1 天线结构

文献[1]提出的超宽带天线印制在厚度为1.52mm的介质基板（Ro4003，εr=3.38）上，其结构如图1（a）所示，采用微带线馈电，与50Ω端口进行匹配。在该天线的基础上进行改进，在辐射贴片上蚀刻矩形缝隙，如图1（b），细缝左边沿与贴片的左边沿对齐，细缝与贴片下边沿的距离为d，细缝长l、宽w。

图1 改进前（a）和改进后（b）天线的结构图

本文采用电磁场仿真软件HFSS对天线模型进行仿真分析与优化，通过调节细缝的长度、宽度和位置，最终得到具有良好阻带特性的超宽带天线。阻带天线的最优结构：l=8.5mm，w=1mm，d=13.5mm，其反射系数S11如图2所示，除去阻带范围，在3GHz～11GHz范围内S11<-10dB，符合UWB的标准要求。在4.7GHz～5.84GHz范围内，天线的对应阻带带宽为1140MHz，将整个IEEE802.11a标准规定的WLAN工作频带都包含进去了，可以达到抗干扰的目的。

图2 阻带天线的反射系数

阻带天线的方向图如图3所示。在低频时，其E面和H面都具有很好的全向性，在高频段时天线方向图的全向性有所下降。图4给出了天线在UWB频带范围内的增益，在阻带范围内天线的增益锐减，体现了天线的阻带特性。

图3 天线在3.5GHz（a）和10GHz（b）的方向图

图4 UWB频带范围内天线的增益

2.2 结果分析

图5是天线在5.7GHz时的电流分布。如图5（a），没有开缝时，辐射贴片上电流较小，分布均匀。若在贴片上开缝，且细缝尺寸为l=8.5mm，w=1mm，d=13.5mm时，如图5（b），细缝左边沿与贴片的左边沿不重合，假设距离为m，当m>0时，细缝的位置对电流分布几乎没有影响。在图5（c）中，细缝与辐射贴片的左边沿重合，即m=0，可以很明显的看到细缝周围的电流增大，辐射贴片上电流分布改变，特别是右边的支节和微带馈线上的电流都增大了。由于电流的边缘效应，在贴片上的电流主要集中于贴片的边缘，贴片内部的电流很小，当m>0时，缝隙不会切断贴片边缘的电流，对天线的影响较小。当缝隙边缘与贴片边缘齐平时，切断了边缘电流，电流主要集中在缝隙处，引起阻抗适配并产生很大的衰减，形成阻带。另外，从图6可以看出，当m=0时，在3.5GHz和10GHz时缝隙对电流分布产生的影响较小，对天线性能的影响也就较小。

图5 天线在5.7GHz时的电流分布

图6 阻带天线在不同频率的电流分布

在辐射贴片上所开缝隙的长度l、宽度w、以及开缝的位置d都将影响到天线的阻带特性，接下来分别对这些参数进行讨论。

图7 细缝长度l对天线S11的影响

图7给出了细缝长度l对天线反射系数S11的影响。随着细缝长度l的增加，天线的阻带范围向低频移动，因为细缝长度直接决定电流沿着细缝所走的路径长度，细缝长度越长，电流路径越长，所对应的谐振波长也越长，所以谐振频率越低。同时细缝长度l的增加也使得阻带带宽相应减小。从图中还可以看到，细缝长度对阻带的下限频率影响较小，主要是影响阻带的上限频率，长度越长，上限频率越低。

细缝宽度w对天线反射系数S11的影响见图8。w的增加使得反射系数峰值点向低频移动，但变化很小，这主要是因为细缝宽度增加，对电流路径的增加效果不明显。细缝宽度w增加时，阻带带宽也相应展宽。

图8 细缝宽度w对天线S11的影响

细缝位置d对天线反射系数S11的影响如图9所示。当d增加时，反射系数峰值点向高频移动，阻带带宽相应减小。

图9 细缝位置d对天线S11的影响

综上所述，调节细缝的长度、宽度以及位置可以精确控制阻带的范围，有效抑制无线局域网对超宽带系统的干扰。

3 结束语

在超宽带天线辐射贴片上开矩形缝隙，改变了天线的电流分布，并可以通过对缝隙长度、宽度以及位置的调节实现对阻带范围的调节。本文提出的超宽带天线不但具有良好的阻抗特性和辐射特性，而且在4.7GHz～5.84GHz的频带范围内具有阻带特性，可以避免5GHz无线局域网的干扰。仿真结果表明，改进的超宽带阻带天线具有实用价值。

[1]Chen Z N,See T S P,Qing X M. Small Printed Ultrawideband Antenna With Reduced Ground Plane Effect[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,55(2): 383-388.

[2]W Zayd,A Ismail,M M Isa,et al. Improved Performance of UWB Antenna by Substrate Perforation and Slit Notch[C].Proceedings of the 2009 IEEE 9th Malaysia International Conference on Communications, Kuala Lumpur Malaysia,2009: 33-36.

[3]Li W W,Cai Lishao,You Baiqiang,et al. Design of Printed Notched-Monopole UWB Antenna[C]. IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems, 2009: 271-274.

[4]ChoY J,Kim K H,Choi D H,et al. A Miniature UWB Planar Monopole Antenna With 5-GHz Band-rejection Filter and the Time-domain Characteristics[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006,54(5): 1453-1460.

[5]晏峰,姜兴,黄朝晖. 共面波导馈电的带阻UWB天线设计[J]. 电子器件, 2011,34(3): 254-257.

[6]Kim K H,Cho Y J,Hwang S H,et al. Band-notched UWB Planar Monopole Antenna with Two Parasitic Patches[J].Electronics Letters, 2005,41(14): 783–785.

[7]Qu S W,Li J L,Xue Q. A Band-notched Ultrawideband Printed Monopole Antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2006,5(1): 495-498. ★