基于地板开槽的陷波矩形渐变超宽带天线设计

张功国，田海燕

（重庆邮电大学a.通信新技术应用研究中心;b.重庆信科设计有限公司，重庆 400065）

基于地板开槽的陷波矩形渐变超宽带天线设计

张功国，田海燕

（重庆邮电大学a.通信新技术应用研究中心;b.重庆信科设计有限公司，重庆 400065）

提出了一种具有陷波特性的UWB天线。该天线用开槽的金属片作为辐射单元，并通过对地板的开槽处理减小了尺寸。结合HFSS仿真工具，对天线结构进行理论优化并通过大量仿真对天线尺寸进行调整，设计出一种基于FR4介质的尺寸为25 mm×15 mm×1 mm的天线模型，并设计模型进行加工测量。该天线的工作频带覆盖3.1～10.6 GHz，并避免了3.5 GHz WiMAX和5.825 GHz WLAN频段，适于超宽带无线通信系统的应用.

超宽带;陷波;天线

【本文献信息】张功国，田海燕.基于地板开槽的陷波矩形渐变超宽带天线设计［J］.电视技术，2013，37（3）.

随着无线通信的高速发展，通信系统的小型化和超宽带越来越备受关注［1－3］。天线作为无线通信中的重要组成部分，其小型化和超宽带的研究也随之成为热点。特别是2002年FCC（Federal Communications Commission）把3.1 ～10.6 GHz作为 UWB 通信频段提出以来［4］，国内外研究人员［5－7］提出并设计多种样式的UWB天线。同时，在整个UWB频带内存在许多已经被使用的窄带系统，如3.5 GHz WiMAX，5.825 GHz WLAN，因此 UWB 系统会与已经存在的窄带系统形成潜在的相互干扰，降低系统的效能。具有陷波特性的小型化、超宽带天线成为近年来的研究热点。

文献［8－9］采用对辐射片开槽的方式，对超宽带频率内工作频段的阻抗进行控制，达到陷波的目的。然而针对辐射的开槽设计容易导致天线辐射方向图的改变，对天线在实际环境中的应用产生不利影响;文献［10－11］提出在馈线的两侧加载特殊形状的贴片，影响天线的有效辐射频段，但所增加贴片设计复杂，对相对位置要求严格，工程加工的过程中不易实现。本文结合渐变辐射片的超宽带特性，以及金属地板在天线工作中的作用，对辐射片及金属地板进行开槽处理，在实现天线小型化的基础上达到陷波的目的。

1 天线设计

对于基于介质的金属辐射天线，文献［12］有

式中:L为天线辐射长度;f为天线谐振频率;εeff为介质等效介电常数;c为光在真空中的传播速度。

对于双层辐射结构天线有

式中:εr为介质相对介电常数;w为金属贴片宽度;h为介质厚度。结合理论公式与超宽带天线工作频段的要求，本文设计天线模型如图1所示，其中的结构数据如表1所示。

为避免超宽带天线有效辐射频段内各个辐射频率下辐射方向图的稳定性，设计采用左右对称的辐射片与金属地板。如图1、表1所示，其中FR4介质板的尺寸为L×W，厚度h为1 mm，天线的辐射单元是一个边缘处剪切掉3个矩形的金属贴片。矩形渐变方式的金属贴片实现了天线阻抗的渐变性质，达到对天线工作频段拓展的目的。采用L0×W0的50 Ω微带进行馈电。背部地板采用开槽的方式优化天线较高频段的阻抗特性，增加天线带宽。天线加工实物如图2所示。

图1 天线的几何结构

表1 天线几何结构数据 mm

图2 天线实物图

2 天线实验研究

整个天线的建模与优化仿真采用的软件是HFSS.10。天线测试以及基于HFSS软件仿真的结果如图3所示。结果表明在3.5～5.8 GHz范围内天线的电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）大于2，其余频段内驻波比小于2，避免了3.5 GHz WiMAX 和 5.825 GHz WLAN频段。测试与仿真结果存在误差允许范围内的偏差，主要是由于天线加工过程中存在的实际误差引起的。但总体来看，测试与仿真结果吻合较好，表明该天线在UWB频段内具有较好的陷波特性。

图3 天线VSWR的仿真及测试结果

图4为对金属地板开槽前后的仿真结果对比。开槽的金属地板改变了天线的输入阻抗，使天线与微带馈线实现较好的匹配，拓展了天线的带宽。图中实线为金属地板开槽之后的电压驻波比，虚线为开槽前的电压驻波比。

图4 金属地板开槽前后VSWR比较

贴片开槽对于天线工作频率的影响，可以通过对天线输入阻抗的测量，用LC等效电路的方法进行定性解释。如图5所示，在3.5～5.8 GHz范围内，天线输入阻抗实部减低到20 Ω以下，虚部小于－10，与微带馈线的阻抗失配较为明显，致使天线在对该频段范围内的电磁波的发射和接收能力下降，阻止该频段内天线与已存在的系统造成干扰。

图5 天线阻抗

该天线工作频带内的辐射方向图如图6所示。在天线工作频段内，从3～10.6 GHz范围内选择3 GHz，6 GHz，7 GHz，9 GHz这4个频点进行方向图扫描。如图6所示，天线极化辐射方向图在工作频段内基本保持不变，交叉隔离度也小于－23 dB。在较低频段，天线极化隔离度小于－40 dB。该天线满足超宽带系统的要求，适用于超宽带无线通信。

图6 天线辐射方向图

天线增益的仿真及测试结果如图7所示，随着工作频率的增高，天线辐射增益也在增加。由于天线陷波的存在，在陷波频段范围内，天线增益有所下降。天线在需要避开的3.5 GHz WiMAX和5.825 GHz WLAN频段增益较低，辐射和吸收该频段电磁波的能力也较弱，避免了超宽带天线对已有频段范围内的窄带系统产生干扰。

图7 天线增益的仿真及测试结果

图8与图9为两个同样天线相距30 mm时的互耦影响以及群时延。天线S21小于－15 dB，群时延几乎在所有频段范围内都小于2 ns，满足超宽带通信系统要求。

3 总结

本文提出了一种基于地板开槽的陷波矩形渐变的超宽带天线，通过理论分析并结合HFSS仿真工具对天线进行优化分析设计。通过金属接地板开槽的方式拓展了天线的带宽。减小天线体积以及加工复杂度的同时，避免了与3.5 GHz WiMAX和5.825 GHz WLAN频段系统的干扰。对天线的实物完成了加工与测试，仿真与实测结果一致，适于超宽带无线通信系统的应用。

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Design of Notched Band Rectangular Gradient Ultra－wideband Antenna Based on Slotted Ground Plates

ZHANG Gongguo，TIAN Haiyan

（a.Institute of the Applications of Advanced Telecommunications Technology;b.Chongqing Infarmation Techrology Designing Co.，Ltd.，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

An ultra－wideband antenna with a notched band characteristic is presented.A slotted metal ship is used as radiating element，and the slot of floor is processed to reduce the size of antenna.Combined with FSS，the antenna structure is optimized theoretically and the size of antenna is adjusted through simulations.An antenna model with 25 mm ×15 mm ×1 mm size based on FR4 media is designed and the measured model is also made.The coverage range of the designed antenna is 3.1 ～10.6 GHz，and 3.5 GHz WiMAX and 5.825 GHz WLAN band are avoided.It is applied to ultra－wideband wireless communication system.

UWB;notched band;antenna

TN929.53

A

张功国（1979— ），工程师，硕士，主要从事无线移动通信网络的研究;

田海燕（1987— ），硕士生，主研天线与电波传播。

责任编辑:薛 京

2012－06－27