阻带可控陷波超宽带天线的设计与时域分析*

褚庆昕 杨光 毛春旭

(华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州 510640)

自从美国联邦通信委员会(FCC)公布了超宽带(UWB)无线应用标准，UWB 技术在无线通信应用领域得到了广泛关注.UWB 天线在与其他无线通信的抗干扰中也扮演着重要的角色［1］，其有连续的宽带带宽，但同时会覆盖其他无线通信应用的频段.例如无线局域网(WLAN)的频段范围是5.150～5.825 GHz，存在于UWB 的3.1～10.6 GHz 范围内，因此，有必要研究能够提供5.150～5.825 GHz 范围内的阻带陷波UWB 天线，以抑制UWB 和WLAN 频段之间的相互干扰.

天线方面的研究人员相继提出了大量的陷波UWB 天线.很多陷波天线的设计是通过在辐射体上开槽［2-3］或者在地板上开缝隙［4-5］来实现.为了实现UWB 天线的多个陷波，天线辐射体上可以嵌入多个谐振槽［6］，或者在辐射体侧增加微带线［7-8］.然而，在陷波天线的设计过程中，很多有用的频率也会由于陷波UWB 天线的设计不足而导致被舍弃［9-10］.为了实现陷波阻带的带宽可控并且具有良好的矩形度，同时又能将UWB 系统与WLAN 窄带系统间的干扰降低到最小，可以在天线辐射体上嵌入多个耦合的谐振槽.文中拟采用多耦合槽结构设计一种陷波阻带具有可控特性且阻带矩形度良好的陷波UWB 天线，当多个槽耦合在一起时，可以形成二阶带阻滤波器效果［11］;同时，通过调节槽的位置和耦合间距调节陷波阻带的带宽.

对于小范围高速低功率的UWB 通信系统，天线信号在瞬时辐射、传播和接收中的波形失真情况也需要得到充分的研究［12］.添加在辐射体和地板上的槽线结构虽然可以实现陷波，但对天线性能也有影响，通过时域分析可以研究和量化这些技术对天线信号的扰动影响［13-14］.相关系数和脉冲宽度拉伸比是用来描述UWB 天线时域特性的两个关键参数，文中分析和计算了该陷波UWB 天线的时域参数，并对陷波UWB 天线传输的脉冲信号拖尾现象进行了说明.

1 阻带可控陷波UWB 天线的设计

很多研究表明，陷波特性可以通过在天线辐射体上加载嵌入槽线来实现，槽线的长度是其谐振频率上的电长度的一半(半波长)，把槽线的长度调节到谐振频率的半波长就可以得到该频率的带阻特性［2］.当槽是开路时，它的长度只需为其对应谐振频率的1/4 波长.在陷波频率上，电流主要集中在槽的边沿附近，从而导致该频率上产生驻波，致使天线馈线端阻抗失配.为了使UWB 天线的陷波阻带具有良好的矩形度，文中在天线辐射体或馈线微带上嵌入多个耦合谐振槽;同时通过调节槽之间的耦合强度对陷波阻带进行可控调节.

具有陷波特性的微带馈电UWB 天线结构如图1所示.其中hAnt和bAnt分别是UWB 天线的高度和宽度，hGro是地板的高度，hRad和bRad分别是天线辐射体的高度和宽度，hSlot、bSlot和btrou，L分别是上侧两个L形开路槽的高度、宽度和槽线宽度，dSlot，Gap是两个L形槽之间的间距，hCut和bCut是天线辐射体内切U 形方块的高度和宽度，d_Gap是L 形槽与天线辐射体内切U 形方块之间的间距，hSlit、bSlit和btrou，U分别是下侧U 形槽的高度、宽度和槽线宽度，dU_floor是U 形槽上端与地板上端之间的间距，bFeed是馈线的宽度.

图1 陷波UWB 天线结构示意图Fig.1 Schematic diagram of geometry of a notched UWB antenna

天线印刷在低耗FR4 基板上，厚0.8 mm，介电常数为2.55，天线的尺寸为30 mm ×36 mm.天线辐射体是一个呈U 形的贴片，地板位于基板的另一侧，可获得良好的阻抗匹配效果.两个长度对应谐振频率5.7 GHz 处波长1/4 的L 形开路槽嵌在天线U 形辐射体的内侧;另外一个对应谐振频率5.2 GHz处半波长的U 形槽则嵌在微带馈线端.为了与陷波UWB 天线进行性能分析和对比，引入该天线的非陷波结构UWB 天线，如图2 所示.

图2 非陷波的UWB 天线结构示意图Fig.2 Schematic diagram of geometry of a UWB antenna without notches

陷波的谐振频率可以由式(1)确定:

式中:c 为电磁波在自由空间中的传播速度;L 为槽的物理长度;ε有效为有效介电常数.

当谐振槽开路时，开路槽是1/4 波长变换器，它的长度是谐振频率处波长的1/4.两个L 形开路槽的长度(L1、L2)以及U 形槽的长度(L3)可以由式(1)推导出来.通过HFSS 软件仿真的参数分析，可以得到槽的尺寸和位置对陷波阻带带宽的影响.优化后的天线参数如表1 所示.

表1 天线的优化参数Table 1 Optimized parameters of the antenna mm

从而得到3 个槽的长度:L1= L2=10.1 mm;L3=21 mm.

图3(a)给出了分别具有3 个槽、2 个L 形开路槽和1 个倒U 形槽的3 种天线的仿真回波损耗为一端口网络的反射信号的幅值，f 为无线电频谱的频率.在天线只有上面2 个L 形开路槽和下面1 个倒U 形槽的情况下，由于槽间没有耦合不能形成二阶带阻滤波器特性，阻带带宽很窄，-3dB 带宽分别为5.30～5.64GHz 和5.32～5.68GHz;当天线上嵌入3 个槽时，由于耦合效果可以得到足够的阻带带宽，-3 dB 带宽为5.20～5.70 GHz.图3(b)描述的分别是只有3 个槽或2 个U 形槽情况下的仿真回波损耗.当天线只有2 个槽或只有3 个槽时，由于槽间耦合，得到的阻带矩形度都非常好，在阻带5.1～5.8GHz 频段内，两个频段带宽的比值分别是0.518 和0.714，阻带带宽的矩形度明显加强.从图3 可以得出，3 个槽之间的相互耦合可以产生足够的阻带带宽并且阻带具有很好的矩形度.

图3 几种天线的仿真回波损耗Fig.3 Simulated return losses of several kinds of antennas

对于该陷波UWB 天线，位于辐射体上面的两个L 形开路槽的下侧与天线内U 形切片之间的距离(d_Gap)是影响陷波阻带的一个非常重要的参数.图4 给出了不同d_Gap情况下的仿真回波损耗.当表1 中所列的参数除d_Gap外都保持不变时，可以看到:当d_Gap增大时，阻带变宽且矩形度变差;当d_Gap减小时，L 形槽与U 形辐射体型间的耦合变强，阻带变窄且矩形度变好.图5 给出了5.5 GHz 时天线辐射体表面的电流分布情况，由图5 可以看出，当耦合变强时，这里的谐振也加强，开路槽附近的电流比较集中，从而从辐射体辐射出去的能量非常少.由此可以看出，位于U 形辐射体上面的两个L 形开路槽与U 形内侧的耦合距离d_Gap可以控制阻带的带宽.

图4 d_Gap不同时天线的仿真回波损耗Fig.4 Simulated return loss of the antenna with different d_Gap

图5 5.5 GHz 时天线辐射体表面的电流分布Fig.5 Current distribution on the radiator patch at 5.5 GHz

图6 给出了dU_floor从4.7 mm 变化到6.7 mm 时的仿真回波损耗，此时表1 中所列的参数除dU_floor外都保持不变.当dU_floor增大时，上面两槽和下面槽之间的距离变大，槽间耦合变小.从图6 可以看出，较大的dU_floor产生的阻带带宽比较窄.

图6 dU_floor不同时天线的仿真回波损耗Fig.6 Simulated return loss of the antenna with different dU_floor

综合图4 和6 可知，改变参数d_Gap和dU_floor的值可以使陷波产生的阻带带宽可控.

2 时域分析

在UWB 应用中，为了减少UWB 系统和窄带系统之间的相互干扰，传递函数在阻带波段处的振幅和群延时变量描述必须尽可能地准确，同时在非阻带波段能保持是常量.满足这些要求的发射、接收天线系统可以抑制来自窄带系统的干扰和保证信号传输的失真度较小.

为了满足FCC 规定的室内系统频谱覆盖要求，假设天线对都是由文献［15］中的UWB 信号激励.UWB 信号的高斯脉冲五阶导数方程如下:

式中:C 为常数，选择合适的C 值可满足FCC 要求的峰值功率频谱密度;σ 为51 ps，满足FCC 规定的频谱形状.UWB 天线激励信号如图7 所示.

图7 UWB 天线单脉冲激励信号Fig.7 UWB antenna input signal with single pulse

二端口网络传输参数S21是通过传输环境中面对面放置的一对收发天线进行仿真实验得到的.两个完全相同的天线对之间的距离是600 mm，大约为超宽带波段最低频率的6 个波长.在传输环境中，模拟的非陷波和陷波UWB 天线对面对面放置.为了描述由于引入阻带带宽可控的陷波结构而导致传输信号的失真变化，将文中研究的图1 中的陷波UWB天线与图2 所示的非陷波阻带的UWB 天线进行对比.

图8 给出了非陷波和陷波UWB 天线对在模拟环境中接收天线的输出信号.从输出信号可以看出，陷波UWB 天线的脉冲传输过程有一些失真和拖尾现象.这是因为UWB 脉冲天线辐射脉冲信号时，在脉冲电流从天线输入端流到天线末端的这段时间内，收发天线在陷波频段内的宽带阻抗不匹配，脉冲天线不能把电磁能量全部辐射出去，从而在天线末端有剩余的脉冲电流.剩余脉冲电流会在天线中沿原来的路径返回，在此后的过程中继续辐射电磁能量，这样，在天线的辐射脉冲波形中就会有拖尾脉冲.这些拖尾脉冲会与来自目标的信号在时间上重叠，对目标信号有一定的干扰［16］.

图8 非陷波和陷波UWB 天线的输出信号Fig.8 Output signal of UWB antenna with or without notch

为了准确地评估天线辐射信号的保真度，借助UWB 天线激励信号s1(t)和远场电场强度信号s2(t)间的相关系数ρ 进行分析:

图9 UWB 天线传输函数的幅频响应Fig.9 The magnitude response of transfer-function of UWB antenna

在UWB 无线发射器的设计中，发射脉冲的瞬时宽度是一个很重要的参数.大部分的能量都集中在脉冲的峰值处，因此可以把脉冲宽度定义为在某个时间窗内包含了一定比例的总能量.脉冲宽度拉伸比SR 可以定义为远场区辐射电场波形的宽度与激励信号波形宽度的比.对于信号s(t)，归一化的累积能量方程Es(t)为

那么，在时间轴上去掉包含有总能量前5%和后5%的时间段后，剩余的含有总能量90%时间段上的脉冲宽度拉伸比SR 可以定义为

通过对输入、输出信号进行数值计算，可以得到天线相关系数ρ 和脉冲宽度拉伸比SR(90%)的值，陷波UWB 天线的ρ 和SR(90%)分别为0.877 8、3.0057，非陷波UWB 天线的ρ 和SR(90%)分别为0.9283、1.2174.

这两种天线的相关系数都大于0.87，表明输出信号与输入信号相比并没有严重变形，UWB 天线的陷波结构不会对天线辐射信号造成太明显的失真，陷波UWB 天线适用于发射UWB 脉冲信号.脉冲宽度拉伸比SR(90%)大于1，表明并非所有信号都集中在峰值附近，可以认为天线引入陷波结构导致辐射电场强度信号的能量有所扩散，输出信号有一定的拖尾现象，图8(b)中也可以观察到这种信号拖尾现象.但由于陷波UWB 天线的脉冲宽度拉伸比SR(90%)小于3.1，因而信号的失真度还是在可接受范围之内.

3 仿真和测量结果

天线制作在低耗FR4 基板上，实物照片如图10所示.

图10 文中所设计天线的实物照片(单位:mm)Fig.10 Photograph of the proposed antenna (Unit:mm)

测量天线性能采用的是Agilent R3770 矢量网络分析仪和华南理工大学天线测试系统.图11 给出了天线回波损耗和驻波比的测量和仿真结果.从图11 可以看出，在3.1～10.6 GHz(除5.1～5.8 GHz频段)工作频段内，天线的，驻波比小于2，并且测量和仿真曲线相对吻合.在陷波阻带的5.1～5.8 GHz 频段范围内，天线的＞-10dB，驻波比大于2，表明天线在WLAN 频段上具有良好的陷波特性，天线在该频段上的信号收发灵敏度相对较低，有利于减少UWB 系统和其他窄带系统之间的相互干扰.回波损耗小于3 dB 的陷波阻带频段范围是5.2～5.7 GHz，与回波损耗小于10 dB(5.1～5.8 GHz)频段之间的带宽比值是0.714，表明该陷波阻带具有良好的选择性，矩形度较好.

图11 回波损耗和驻波比的仿真和测量结果Fig.11 Simulated and measured results of return loss and standing wave ratio

4、7 和10 GHz 处的E 面(xoz)和H 面(yoz)的归一化辐射方向图的仿真和测试结果如图12 所示.在E 面，陷波UWB 天线的辐射方向图呈哑铃型;在H 面，天线的辐射方向图具有比较好的全向性，能够收发各个方向的信号.陷波UWB 天线的测量增益如图13 所示.在陷波阻带的5.1～5.8 GHz 频段范围内，天线增益急剧下降到-2.5 dB 左右，可抑制WLAN 窄带系统的干扰;而在陷波UWB 天线的工作频段，天线的增益范围为1.8～3.5 dB，且增益曲线较为平坦.

图12 天线在4、7 和10 GHz 处的辐射方向图Fig.12 Measured radiation patterns of antenna at 4，7 and 10 GHz

图13 陷波UWB 天线的增益测量图Fig.13 Measured gain of the notched UWB antenna

4 结语

文中通过使用开路槽线的技术，提出和实现了一种阻带带宽可控的微带馈电陷波UWB 天线.在天线的馈线端引入半波长的U 形槽，同时在天线U形辐射体上引入两个1/4 波长的L 形开路槽来实现陷波特性;陷波阻带的带宽和矩形度可以由两个L形槽与U 形辐射体的内侧边缘距离和L 形槽与馈线端U 形槽之间的距离来控制.该天线可以避免UWB 系统与其他窄带系统在5.1～5.8 GHz 之间的相互干扰.文中还对该陷波UWB 天线进行了仿真、设计和测量，测量结果显示，该天线具有良好的陷波阻带特性和辐射方向特性.另外，文中还对该天线进行了时域分析，以确保其在UWB 系统的应用中具有良好的实用价值.

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