基于新型EBG结构的四陷波UWB天线

张道亮，姜弢，张谢馥，张冰然

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

基于新型EBG结构的四陷波UWB天线

张道亮，姜弢，张谢馥，张冰然

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

设计了一种基于新型电磁带隙（EBG）结构的四陷波超宽带（UWB）天线，所设计的天线印刷在介电常数为3，厚度为1.5mm的介质基板上。为了实现某些窄带通信频段（WIMAX、WLAN双频和X波段下行卫星通讯信号）与UWB天线协同工作，通过对蘑菇形电磁带隙（M-EBG）结构进行改进，将金属过孔移向边角并引入曲流技术，有效地减小了EBG单元的尺寸和谐振带宽，设计了谐振于3.5、5.25、5.78和7.5 GHz处的新型EBG单元，并依次加载于正六边形UWB天线的馈线两端形成耦合。仿真和测试结果表明，所设计的天线满足UWB无线通信系统的要求，并有效地抑制了所述4个频段的信号，具有较高的频谱利用率和稳定的全向辐射特性。

电磁带隙；超宽带天线；金属过孔；蘑菇形电磁带隙；频谱利用率

由于UWB通信系统的工作频段与现有无线通信系统的某些频段重合，如全球微波互联接入（WIMAX，3.4～3.6 GHz），无线个人局域网（WLAN，5.15～5.35 GHz，5.725～5.825 GHz），X波段下行卫星通讯信号（7.25～7.75 GHz）等。为了减小UWB天线和这些频段内系统通信之间的相互干扰，具有陷波特性的UWB天线被广泛关注。目前为止UWB陷波天线已有大量的研究成果，但仍然存在着不足，如在接地板刻蚀槽线［1-2］会造成部分能量的流失；在辐射贴片上刻蚀槽线［3-5］会影响贴片表面电流分布，影响辐射方向图；在贴片旁边添加寄生元素［6-8］会增加天线的尺寸，影响辐射特性；加载常规EBG谐振器［9-13］，如文献［9］，EBG单元尺寸大，很难在有限空间内实现多个陷波，且谐振带宽大，频谱利用率低。因此设计高频谱利用率、高稳定辐射特性的小型多陷波UWB天线成为研究的热点和难点。文中针对上述问题，运用电磁仿真软件CST，对常规的M-EBG结构进行改进，大大减小了EBG的单元尺寸和谐振带宽，并运用文献［13］中提出的正六边形UWB天线原型，设计了一款具有四陷波特性的UWB天线，仿真和测试结果证明了设计方法的有效性。

1 天线结构

图1为所设计的四陷波UWB天线的基本结构图，该天线印刷在介电常数为3，厚度为1.5 mm的介质基板上。

（a）正面结构

（b）背面结构

图1 天线结构

从图1可以看出该天线主要有正六边形辐射片、介质基板、微带馈线、部分接地板和4个新型EBG谐振单元组成。其中4个新型EBG结构都是由曲折的金属贴片和位于角落的金属过孔组成，其中金属贴片到天线馈线的耦合距离分别为g1、g2、g3、g4，金属过孔的直径分别为D1、D2、D3和D4。M-EBG结构可以等效为一个LC谐振回路［7］，它的谐振频率和尺寸的关系可以由式（1）～（3）表示。

式中：f0为EBG谐振频率，a为EBG的边长，g为金属贴片与微带馈线的耦合距离，εr为介质基板的相对介电常数，ε0和u0分别为真空的介电常数和磁导率，h为基板高度。根据式（1）～（3）的计算结果和全波电磁场仿真软件CST，优化得到天线的基本尺寸如表1所示。

表1 天线的基本结构尺寸 mm

2 天线参数

为了研究所设计天线的性能及关键参数对天线性能的影响，利用全波电磁场仿真软件CST对所设计的天线进行仿真和优化分析。

如图2所示，完整接地板无法满足UWB的频带要求（3.1～10.6 GHz），在接地板上刻蚀了与微带馈线等宽的矩形槽后，有效地改善了所设计天线的阻抗带宽，满足了UWB通信的需求，该天线覆盖带宽（驻波比（votage standing wave ratio，VSWR）＜2）为2.37～11.3 GHz，相对带宽达到130.6%。

图2 接地板矩形槽对VSWR的影响

设计M-EBG、角部馈电式EBG（CLV-EBG）和新型EBG都谐振于5.6 GHz，基本结构如图3（a）、（b）、（c）所示，其中金属过孔半径都为0.3 mm。利用一段50Ω微带线对EBG结构的阻带特性进行仿真，来观察EBG谐振器的带隙特性，其中EBG谐振器加载在50Ω微带线一侧，形成耦合，耦合距离为0.3 mm，通过仿真微带线的传输特性可以得到谐振器的阻带特性，仿真结果如图3（d）所示。

图3 EBG谐振器的改进

从图3中可以看出，3个EBG谐振器的边长分别为6.4、4.65、3.5 mm，可以看出其尺寸逐渐减小，这是因为将金属过孔移向角落并将金属贴片刻蚀成曲折状是等效电流路径增大的过程，也就是等效电感L增大，由式（1）可知，谐振频率减小，从而减小了EBG谐振单元的尺寸。谐振于5.6 GHz时，CLV-EBG单元尺寸比M-EBG减小了47.5%，而新型EBG单元尺寸比M-EBG减小了70.1%，尺寸的减小更利于在有限空间内加载更多的谐振器，实现多个陷波并保证天线的小型化。另外从仿真结果可以看出新型EBG的谐振带宽（5.43～5.74 GHz）为310 MHz，比CLV-EBG的谐振带宽610 MHz（5.38～5.99 GHz）减小了49.18%，比M-EBG的谐振带宽（5.21～6.01 GHz）800 MHz减小了61.25%，带宽的减小可以提高频谱利用率。

在设计WIMAX频段谐振器EBG3时，保持其他参数不变，分别对谐振器边长a3和耦合间距g3进行优化分析，如图4、5所示，随着边长a3的增大，谐振点向低频移动，而谐振深度基本不变。随着耦合间距g3的减小，耦合深度逐渐增大，谐振带宽随着增大，而谐振点略向低频移动。谐振器边长a3和耦合间距g3是设计各个频段陷波谐振器的关键参数，a3主要调节陷波谐振频率点，而耦合间距g3主要调节陷波深度。

图4 EBG3边长a3对VSWR的影响

图5 EBG3耦合距离g3对VSWR的影响

图6 四陷波UWB天线VSWR曲线

经过理论计算和仿真优化，设计了谐振于3.5、5.25、5.78 GHz和7.5 GHz处的新型EBG结构，并依次加载于UWB馈线两侧形成耦合，得到了四陷波UWB天线。其仿真结果如图6所示，相对带宽大于135%，其陷波频段依次为3.36～3.64 GHz，5.03～5.37 GHz，5.59～5.87 GHz和7.01～7.79 GHz，最高陷波深度VSWR都大于5。可以看出，在有效地抑制4个干扰信号的同时保证了较高的频谱利用率，实现了WLAN双频段的独立陷波。

为了进一步研究天线的性能，对天线在4、8 GHz时的辐射特性进行研究，得到的辐射方向图如图7、8所示。

图7 4 GHz的方向图

图8 8 GHz的方向图

从图中可以看出，天线XZ面的辐射特性近似全向，而YZ面的辐射特性近似于偶极子。并且加载EBG和未加载EBG的辐射曲线基本一致，充分表明了加载EBG对辐射贴片的表面电流影响较小，保证了天线稳定的全向辐射特性。

3 实物制作与测试

最后对未加载EBG的UWB天线，加载4个新型EBG结构的四陷波UWB天线加工制作了实物，四陷波UWB天线的实物图如图9所示，用安捷伦矢量网络分析仪E5071C对天线的驻波比进行了测量，测量结果如图10、11所示。

图9 天线加工实物图

图10 UWB天线VSWR测试结果

图11 四陷波UWB天线VSWR测试结果

如图10所示，UWB原型VSWR＜2的下限频率为2.9 GHz，上限频率大于12 GHz，覆盖了UWB无线通信的频段，相对带宽大于122%。如图11所示，四陷波UWB天线的带宽范围为2.67～10.98 GHz，相对带宽为121.7%。各个陷波频段依次为3.32～3.605 GHz，5.22～5.38 GHz，5.65～5.83 GHz，7.245～8 GHz。可以看出，与仿真结果相比，谐振频率略有偏移，陷波深度略有下降，一方面是由于仿真时用金属圆柱代替金属过孔造成的误差，另一方面是由于加工和测量误差所致，但是所设计天线依然满足了UWB通信的带宽要求，并有效地抑制了4个干扰频段的信号，证明了设计方法的有效性。

4 结束语

利用电磁带隙理论和单极子UWB天线技术设计了一款四陷波UWB天线，实现了UWB天线与多个窄带无线通信频段的协同工作。通过将M-EBG结构的金属过孔移向边角并引入曲流技术将金属贴片刻蚀成弯折状，减小了EBG单元的尺寸和谐振带宽。设计了谐振于3.5、5.25、5.78和7.5 GHz处的新型EBG单元，并加载于正六边形UWB天线馈线两侧形成耦合。最后对所设计的天线进行了加工制作和测试，测试结果表明，四陷波UWB天线的带宽范围为2.67～10.98 GHz，有效地抑制了4个频段的干扰信号，实现了WLAN双频段的独立陷波，具有较高的频谱利用率，对UWB多陷波天线的设计具有一定的指导意义。

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A four band-notched UWB antenna based on novel EBG structures

ZHANG Daoliang，JIANG Tao，ZHNAG Xiefu，ZHANG Bingran
College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

A four bands-notched UWB antenna based on novel electromagnetic band gap（EBG）structures is pres-ented.The antenna is printed on a 1.5mm thick substrate，which has a relative dielectric constant3.In order to a-chieve the collaborative work between some narrow communication bands（WIMAX，dual band of WLAN and downlink satellite communications signals in X band）and UWB antennas，by improving themushroom-shaped EBG（M-EBG）structure，the via ismoved to the corner and the technology ofmeandering current is adopted，reducing the size and bandwidth of EBG unit effectively.On this basis，four novel EBG structures，which are resonant at 3.5，5.25，5.78 and 7.5 GHz，are designed and loaded at two sides of a hexagonal UWB antenna feeder sequential-ly.Simulation and test results show that the proposed antenna can meet the requirements of the UWB wireless com-munication system and suppress effectively the signalsof four bandswith high spectral utilization and stable omnidi-rectional radiation.

electromagnetic band gap（EBG）；ultra-wideband（UWB）antenna；via；mushroom-shaped EBG（M-EBG）structure；spectrum utilization

TN822.8

：A

：1009-671X（2015）01-001-05

10.3969／j.issn.1009-671X.201403020

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150112.1530.010.htm l

2014-03-30.

日期：2015-01-12.

国防重大基础研究基金资助项目（6131380101）.

张道亮（1990-），男，硕士研究生；姜弢（1973-），男，教授，博士生导师.

张道亮，E-mail：704646872＠qq.com.