一种新型的具有带阻特性的超宽带天线*

吴毅强，张平平，胡少文，邓 淼，周辉林

(南昌大学电子信息工程系，南昌330031)

一种新型的具有带阻特性的超宽带天线*

吴毅强*，张平平，胡少文，邓 淼，周辉林

(南昌大学电子信息工程系，南昌330031)

设计制作了一种新型的具有带阻特性的超宽带微带天线。采用在六边形辐射贴片上开一对称的U形槽，实现了天线的带阻特性。仿真结果表明，可以方便地通过改变U形槽的宽度来改变阻带的位置和宽度。可实现天线频带宽度(S11≤-10 dB)为3.015 GHz～13.270 GHz，相对带宽达126%，并能精确阻隔WLAN(5.725 GHz～5.85 GHz)频率段，实验结果表明该天线适用于超宽带系统的应用。

超宽带;U形槽;带阻功能;WLAN

随着无线通讯需求的不断增加，超宽带UWB (Ultra-Wide-Band)无线通讯技术以其低功耗、高带宽、低复杂度等优点而备受关注。2002年美国联邦通信委员会(FCC)批准将3.1～10.6 GHz频段作为超带宽技术的应用。另外随着智能手机、平板电脑的普及，WLAN的应用越来越广泛，其频段被超宽带天线所工作的频段所覆盖，随之而来的频段之间的干扰问题也越来越突出。为了克服这一问题，需要在超宽带系统的频段内滤除WLAN窄频段，采取具有带阻特性的超宽带微带天线是一个可行的方法。现在有许多文献［1-12］中提到了可以实现带阻特性的各种不同方法，例如在天线上开不同的缝、在主贴片的两边或顶部加载寄生贴片、使用调谐支线等。

其中文献［12］作者提出的具有带阻特性的超宽带天线。首先，其阻带频率段比较广(5.0 GHz～5.95 GHz)，抑制WLAN信号精确度不高;其次，WLAN在5 G频率段协议802.11a，国内标准使用的频率段范围为5.725 GHz～5.850 GHz，其天线阻带频率段在5.0 GHz～5.95 GHz，与其相差比较大，表明此天线不适合在国内使用。本文设计了一种新颖的具有带阻特性的超宽带天线，在六边形辐射贴片上开一对对称的U形槽，可以很精确地抑制5.725 GHz～5.85 GHz频段，而不至于屏蔽其他频段，适合在国内使用，且其工作带宽可达到3.015 GHz～13.270 GHz，包含了整个UWB频段，同时在整个工作频带内又具有比较好的辐射方向图。

1 天线结构设计

该天线使用的介质板材料为FR4，εr=4.4，损耗正切tanδ=0.02，基板尺寸为52 mm×28 mm× 1.59 mm。图1所示为天线的几何结构。天线由开了一对对称U型槽的六边形金属辐射贴片和长方形底金属片组成，采用阻抗为50Ω的微带线进行馈电，金属带宽度为Wf。其中U型槽结构对天线实现阻带特性起到关键作用，且改变U型槽宽度可以很好地控制阻带的频段。U型槽改变了天线表面的电流分布，在某个频率段电流集中在U型槽的底部，馈电附近的阻抗接近于0，从而使天线在该频率段产生较大的衰减和阻抗匹配，形成阻带。在HFSS中建立模型，对天线几何尺寸进行大致优化，初步确定天线的尺寸，如表1所示。

图1 天线结构

表1 天线尺寸 单位:mm

2 天线的分析与仿真

首先对未开U形槽的天线进行仿真，天线在3.068 GHz～12.479 GHz频率段S11≤-10 dB;开了对称U型槽后再对其进行仿真，天线在4.34 GHz～5.125 GHz频率段S11≥-10 dB，出现了一个稍尖锐的阻频段，对比如图2所示，表明U型槽结构对天线实现阻带特性起到决定性作用。

图3 L s1对S11的影响

为了更好了解U型槽宽度对阻带频率段位置的影响，先对U型槽宽度Ls1进行大致优化，使其在3.2 mm～7.2 mm，间隔为1 mm变化，仿真结果如图3所示。发现阻带频率段位置随Ls1的增大而降低，Ls1在4.2 mm接近于WLAN协议802.11a在国内的标准。

为了使阻带更接近于此频率段，再对Ls1进行更加细化的优化，使其在4.1 mm～4.3 mm，间隔为0.1 mm变化，仿真结果如图4所示。

图4 对L s1的细化

天线在Ls1=4.2 mm时，频率段5.70 GHz～5.91 GHz驻波比小于2，最接近于5.725 GHz～5.850 GHz这个频段，偏差在几十MHz左右，表明天线能够很精确地抑制WLAN802.11a频段(5.725 GHz～5.850 GHz)。同时，天线的频带宽度(S11≤-10 dB)为3.015 GHz～13.27 GHz，相对带宽达126%，且具有对称的方向图和良好的增益。图5(a)、5(b)所示为天线在3.0 GHz、6.0 GHz和9.0 GHz下的仿真辐射方向图，达到了预期的效果。

图2 U型槽对S11的影响

图5 天线的辐射方向图

3 天线制作与实测结果

为了验证所设计的天线的实用性，根据上述分析及HFSS优化后得到的尺寸，对该天线进行实际的加工制作和测试，并利用AV3620矢量网络分析仪及功率计对天线实物进行测试，天线的实物图和测试的反射系数如图6所示。天线的增益、辐射方向图如图7所示。

图6 天线实物和实测回波损耗

图7 实测天线的辐射方向图和增益图

从图6可以看出，天线的带阻频段的实测值与仿真曲线有偏差，主要是由SMA接头以及焊锡的散射效应所引起，此外加工误差也会对天线的回波损耗产生影响。该天线基本上能够满足微波通信的要求。

从图7中(a)、(b)可以看出，天线的实测辐射方向图稍有些偏差，从图7(c)可以看出实测的增益与仿真的增益基本上吻合，实测值与仿真曲线有些偏差，主要是因为加工误差和测量误差所引起的。

4 结论

在超宽带天线辐射贴片上开一对称的U形槽，改变了此天线上的电流分布，可以通过改变U形槽的宽度调节阻带范围。本文所设计制作的超宽带天线具有优良的阻抗特性和辐射特性，其最显著的特点是能精确抑制WLAN协议之一802.11a标准中国所使用的频率段(5.725 GHz～5.850 GHz)。仿真和实测结果表明此制作的超宽带带阻天线具有实用价值。

［1］Ling C W，Chung S.A Simple Printed Ultra-Wideband Antenna with a Quasi-Transmission Line Section［J］.IEEE Transactions Antennas Propagation，2009，57(10):3333-3336.

［2］Farrokh-Heshmat N，Nourinia J，Ghobadi C.Band-Notched Ultra-Wideband Printed Open-Slot Antenna Using Variable On-Ground Slits［J］.Electronics Letters，2009，45(21):1060-1061.

［3］Zhang Y，HongW，Yu C，et al.Design and Implementation of Planar Ultra-Wideband Antennas with Multiple Notched Bands Based on Stepped Impedance Resonators［J］.IET Microwave Antennas Propagation，2009，3(7):1051-1059.

［4］Ojaroudi M，Ebrahimian H，Ghobadic.Small Microstrip-Fed Monopole Printed Monopole Antenna for UWB Applications［J］.Microwave Opt Technology Letters，2010，52(8):1756-1761.

［5］LiW M，Ni T，Quan T，et al.A Compact CPW-FED UWB Antenna with Wimax-Band Notched Characteristics［J］.Progress in Electromagnetics Research Letters，2011，26:79-85.

［6］Karimi H，Ghobadi C，Nourinia J.Enhanced Bandwidth Small EShaped Monopole Antenna for UWB Applications with Variable Frequency Band-Notch Function［J］.Microwave Opt Technology Letters，2012，54(1):267-271.

［7］Emadian Seyed Ramin，Ghobadi C，Nourinia J，et al.Bandwidth Enhancement of CPW-Fed Circle-Like Slot Antenna with Dual Band-Notched Characteristics［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2012，11:543-546.

［8］李栋，石鑫，夏丰.应用于超宽带通信的贴片六边形单极子天线研究［J］.科学技术与工程，2009，9(4):878-882.

［9］李运志，吴先良，苏雪娟.一种新型具有带阻特性的超宽带天线［J］.电子科技，2009(9):1-3+7.

［10］蔡云龙，冯正和.双F结构的超宽带印刷椭圆槽陷波天线［J］.清华大学学报，2009，49(7):944-947.

［11］章伟，赵田野，鄢泽洪.3.1 GHz～17 GHz的带阻超宽带单极天线［J］.电子科技，2010，23(1):6-67.

［12］吴家国，周晓明.一种新型的具有带阻特性的超宽带微带天线［J］.电子元件与材料，2012，(10):34-36.

［13］吴毅强，胡少文，廖昆明，等.一种改进的U型槽超宽带微带天线研究［J］.电子元件与材料，2012(9):55-58.

［14］高健，曹卫平，李思敏.宽带平板天线的设计与仿真［J］.电子器件，2011(1):112-114.

A Novel UWB M icro-Strip Antenna w ith Band-Notched Characteristics*

WU Yiqiang*，ZHANG Pingping，HU Shaowen，DENGMiao，ZHOU Huilin
(Department of Electronic，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

A novel UWBmicro-strip antenna with band-notched characteristicswas designed and manufactured.Using a hexagons patch as the radiation elementand cutting a pair of symmetrical U-shaped slot，the band-notched characteristics of the antenna was realized.Simulated results show that the width of the U-shaped slot determined the center frequency and the bandwidth of the notched band.With the presented design，the bandwidth(return loss≤-10 dB)starts from 3. 015 GHz up to 13.270 GHz thatmeans a relative bandwidth of126%and it effectively eliminates the 5.725 GHz～5.85 GHzWLAN range.Measured results confirm that the proposed antenna is suitable for UWB applications.

Ultra-wideband(UWB);U shaped slot;band-notched function;WLAN

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.001

TN92 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0001-04

项目来源:国家自然科学基金项目(61062009)

2013-05-11修改日期:2013-05-23

EEACC:5270

吴毅强(1959-)，男，江西上饶人，现任南昌大学电子系教授，硕士生导师，主要从事射频与微波技术及其应用的教学与研究，wyq555@126.com;

张平平(1990-)，男，江西南昌人，硕士研究生，现读于南昌大学电子系，研究方向为射频微波技术与天线设计，zpp360121@126.com.