新型陷波超宽带天线设计

张 凡，潘 锦

(电子科技大学 软件工程，四川 成都 611731)

从美国联邦通信委员会于2002 年规范统一商业应用中的超宽带通信的带宽为3.1 ～10.6 GHz 开始［1］，这一领域受到工业和学术界越来越多的瞩目。然而由于这一频段内已存在许多其他通信系统的工作频段，诸如工作在3.3 ～3.7 GHz 的WiMAX 系统和工作在7.25 ～8.395 GHz 处的X－band 卫星通信系统等，如何使UWB(Ultra－Wideband)系统和其他系统之间无干扰地工作成为了一个重要课题。其中具有陷波特性的超宽带天线由于其结构紧凑，使越来越多的研究人员将关注点集中在这一方向上，且由此诞生了一系列成果。

通过在超宽带天线上增加谐振结构，是实现陷波超宽带的基本方案。许多结构都可以实现这一构想，如在贴片上开缝［2－4］，在贴片周围增加金属条带［5－6］，在馈电结构上增加谐振结构［7－8］，或是结构上添加一段短路短截线［9］，或者有学者将多个结构结合在一起实现了多阻带的特性［10－11］。然而众多设计的结构都只能由一个结构实现单个阻带的覆盖，本文提出一种新的结构可在仅增加一个结构的前提实现双陷波特性。这一结构可实现较好的阻带特性并具有一定的可调节性，具有良好的应用前景。

1 天线设计

1.1 天线结构及原理

新型陷波超宽带天线结构如图1 所示。该超宽带天线腐蚀在介电常数为2.2，厚度0.8 mm 的Rogers RT/duroid 5880(tm)介质板上天线的尺寸为L×W=45 mm×35 mm，共面波导传输线与地板的间隔W1=0.2 mm，宽度W2=3.5 mm，特性阻抗50 Ω。无金属条带的原始天线具有良好的超宽带特性，通过调节地板尺寸和贴片的大小可在一定程度上改变阻抗匹配特性。

为了引入双阻带特性，在超宽带天线背面增加了一个不等宽的金属条带，结构如图1(b)所示。

图1 天线结构示意图

在经典文献中，一部分学者通过在天线背侧增加金属条带，可使贴片中的一部分能量耦合到金属条带上，尤其是对于特定的频率，贴片耦合到金属条带的能量会大幅增加，进而影响天线的辐射性能，导致陷波特性产生。但由于文献中多数只提到利用等宽的金属条带。一般而言，考虑介电常数的情况下结构应当为对应1/2 波长的整数倍，其第一高次谐波所在位置处于基次谐振的谐振频率的约2 倍及3 倍处，如图2 所示。

图2 等宽金属条带的结构及对应超宽带天线的S11

当考虑到为在适当频率引入第二阻带时，本文采取了改变金属条带部分的线宽的方式实现这一目标，如图1(b)通过引入不等宽的金属条带可改变高次谐振的频率与低次谐振频率的比值。再通过微调天线的和金属条带的尺寸参数实现规定要求的双带阻超宽带天线的设计要求。

1.2 天线结构的尺寸参数

采用美国Ansoft 公司的三维电磁仿真软件HFSS13.0建立天线模型来进行仿真对天线参数进行优化，得到尺寸:H=21.15 mm，r_strip=14 mm，γ=20.5°，α=2×28.7°，D2=0.55 mm，D1=1.6 mm。

2 天线参数分析

用HFSS 仿真，结果如图3 所示。从回波损耗可看出，超宽带天线满足通信系统对超宽带频带的要求，其中可看到陷波超宽带天线的S11主要指标与要求的误差分析如表1 所示。由于所有的误差都控制在5%以内，可认为天线较好地实现了阻带的功能。

图3 优化后天线的S11曲线

表1 优化结构与超宽带通信规定频段间的误差

为进一步研究陷波结构，对天线参数进行分析。天线的阻带特性主要由以下参数决定:金属条带各个小节的角度α，及陷波单元结构宽边长度D1。图4 为天线的谐振结构在不同频率下的电流分布，可看到在两个阻带处谐振单元恰好处于两个不同的谐振状态。而如图5显示随α 减小阻带的谐振频率上升。参数D1决定了低频与高频间的比值，在α 一定的情况下，可调节天线辐射频率的比值，如图6 所示。同时改变H 和γ 可改变辐射天线的耦合强度，进而改变天线阻带带宽。综合以上方法，即可调节出符合通信要求的陷波超宽带天线。

图4 天线的谐振结构在不同频率下的电流分布

图5 天线S11随α 变化的曲线

图6 天线S11随D1 变化的曲线

天线在4 GHz 的远场增益方向图，如图7 所示，表明如上设计的天线在H 面具有良好的全向辐射特性，且不圆度较好。

图7 天线在4 GHz 时的远场增益方向图

3 结束语

本文利用一种新的谐振结构设计了一个双阻带的超宽带天线。除了在要求屏蔽的WiMAX 频段(3.3 ～3.7 GHz)以及X 频段的卫星通信下行频段(7.25 ～8.395 GHz)，回波损耗S11在整个频段＜－10 dB。该天线结构新颖，具有良好的可调节性，且具有较好的水平全向辐射性能。

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